Статья на тему: «Исследовательская деятельность учащихся в области нанотехнологий»

«Исследовательская деятельность учащихся в области нанотехнологий»

Селезова Е.В.

Сегодня современному учителю необходимо переосмыслить предыдущий педагогический опыт, и найти новые ресурсы, которые можно использовать в системе образования.

Одной из сторон таких перемен является развитие сотрудничества учителя и ученика на основе нестандартных форм и методов обучения.

Проявление талантливости, интереса ребенка к образованию возможно через приобщение его к научно-исследовательской деятельности. Это очень актуально в современном обществе, так как многие учащиеся стремятся обеспечить себе высокий уровень образования и подготовки по многим предметам, а также обеспечить себе возможность профильного образования.

Приобщение учащихся к научно-исследовательской работе позволяет им участвовать в образовательной среде, которая ориентирована на их интересы и потребности, дает возможность им самовыразиться, повышает их образовательный уровень, выявляет возможные недочеты и пробелы в полученных знаниях.

Причем участие в исследовательской и проектной работе должно быть в контексте современного научного представления материализма и дискретности мира. Подобные исследовательские проекты могут быть направлены на эксперименты с наномиром, позволяющие учащимся осознать модельные объекты, условия их существования, лучше понять изучаемый в курсе основной школы материал, и что особенно важно, способствует умственному развитию школьников.

Такие исследовательские работы рекомендуется поводить в рамках программ дополнительного образования во внеурочное время.

Так, в качестве программы по дополнительному образованию в КГОАУ «Школа космонавтики» реализуется программа по химии: «Живая химия», в рамках которой учащиеся знакомятся с такой научной областью, как - нанотехнологии и получают основы экспериментальной работы с нанообъектами. Ведь, в настоящее время идет бурное развитие индустрии нанотехнологий. Многие люди слышат слово «нанотехнологии» в новостях, на улице, сами его произносят, но мало кто полностью понимает его значение. В настоящее время в мире применяется 57 нанотехнологий, которые охватывают такие области как компьютерная техника и электроника, биологические науки, простые волокна, защита от коррозии, катализаторы, легкоочистимые материалы, космос, экология, военные применения, наномеханосинтез, наномедицина, крионика, оптика и керамика. Поэтому, очень важно вести популяризацию образования в области нанотехнологий.

Нанотехнологии - это технологии работы с веществом на уровне отдельных атомов, это технологии, дающие возможность работать с ничтожно малыми объектами, размеры которых измеряются в нанометрах, складывать из них, как из кубиков, устройства и механизмы. Нанотехнологии впитали в себя самые последние достижения физики, химии и биологии. Нанотехнологии представляют собой основу очередной технологической революции - переход от работы с веществом к манипуляции отдельными атомами.

В настоящее время сотни организаций во многих странах занимаются вопросами, связанными с нанотехнологиями и с их применением для получения продукции широкого профиля. Публикуются сотни статей и монографий, проводятся десятки конференций. Однако практически отсутствует информация о нанотехнологиях и получаемым из них изделиям в настоящее время, а также с перечнем нанотехнологий, появление которых прогнозируется в будущем.

Основная цель занятий - сформировать творческую личность, обладающую элементарными навыками самостоятельной научно-исследовательской работы в области нанотехнологий. Это способствует формированию интеллектуального, понятийного аспекта мировоззрения, современной научной картины мира.

Из основной цели вытекают следующие задачи курса:

1.Дать представление учащимся о нанотехнологиях. Расширить их представление о физической картине мира на примере знакомства со свойствами нанообъектов;

2.Реализовать межпредметные связи, т.к. для развития нанотехнологий требуются знания физики, биологии, химии и других наук;

3.Научить выделять проблему из общей массы информации в рассматриваемой области.

4.Развить умение выделять в проблеме "объект исследования".

5.Обучить находить отличительные признаки "предмета исследования".

6.Дать представление об элементарных методах исследования с помощью - сканирующего зондового микроскопа (СЗМ).

7.Научить вести исследование.

8.Сформировать начальные навыки в поиске и обработке информации.

9.Сформировать умение анализировать данные и делать выводы.

Познание мира нанотехнологий учащимися в курсе «Живая химия» реализуется в системе от общего к частному, и осуществляется в трех основных блоках:

Нанотехнологии для

общеобразовательных школ

1.Теоретический этап.

Популяризация знаний о

нанотехнологиях. Массовое

вовлечение учащихся в проблему.

2.Исследовательский этап.

Исследовательские проекты

учащихся.

Лабораторные работы для учащихся

профильных классов.

3.Индивидуальные проекты для увлеченных учащихся.

Выступление на конференциях, участие в олимпиадах.

1. Теоретический этап. В ходе данного блока учащиеся работают с теоретическим материалом, изучая историю, состояние и перспективы развития нанотехнологий.

Данный этап начинается с экскурсии в ведущие ВУЗы города Красноярска, работающие в области наноисследований. В ходе экскурсии ребята знакомятся с тем, что такое нанотехнологии и каковы перспективы развития этого направления?

Учащимся рассказывается, о том, что это очень востребованная отрасль в современном мире. И в будущем мы просто не сможем обходиться без нанотехнологий.

В ходе теоретического этапа учащиеся вовлекаются в активную деятельность по изучению истории и перспектив развития нанотехнологий. Создают творческие проекты, которые представляют учащимся старшей школы, с целью популяризации направления нанотехнологий. Подобным проектом, является разработанный сайт: «Нанотехнологии с точки зрения курсантов». Ребята попытались систематизировать знания по данной тематике, привели ряд важных статей в области нанотехнологий, рассмотрели основные термины и дали им объяснений. Данный сайт был представлен на школьной конференции, и был высоко оценен авторитетным жюри.

Еще одним ученическим проектом, области нанотехнологий, является методическое пособие: «История, состояние и перспективы развития нанотехнологий». Методическое пособие было издано тиражом в 25 экземпляров, передано в библиотеку Школы космонавтики, библиотеки общеобразовательных школ города Железногорска.

С подобными разработками ребята выступают перед курсантами старшей школы, это позволяет вовлечь в проблему большое количество учащихся и способствует популяризации знаний о нанотехнологиях.

2. Исследовательский этап. Этот этап предполагает проведение исследовательских проектов, лабораторных работ в группе учащихся, занимающихся в профильных биолого-химических, физико-математических, информационно-технических классах и предполагает знакомство с курсом: «Сканирующая зондовая микроскопия».

Изучение курса «Сканирующая зондовая микроскопия».

Достижения современной науки и технологии во многом связаны с появлением в арсенале экспериментаторов принципиально нового инструмента - сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), предоставившего возможность визуализировать, диагностировать и модифицировать вещество с нанометровым уровнем пространственного разрешения. Именно благодаря СЗМ, еще недавно казавшиеся фантастическими прямые эксперименты с отдельными молекулами и атомами стали вполне реальными и даже обычными не только для фундаментальных исследований, но и для прикладных разработок в нанотехнологии [1].

Поскольку СЗМ стал одним из базовых инструментов нанотехнологии, которая в свою очередь является одной из основных движущих сил развития цивилизации в XXI веке, становится совершенно очевидной необходимость скорейшего внедрения СЗМ в учебный процесс. С этой целью и разработан курс лекций и практических работ: «Сканирующая зондовая микроскопия», с применением сканирующего зондового микроскопа для учебных целей NanoEducator.

Его отличительными особенностями являются [2]:

−простота в обращении;

− отсутствие сложных настроек;

− использование видеокамеры для визуального контроля состояния зонда;

− недорогой и многократно восстанавливаемый зонд;

− дружественный программный интерфейс в Apple Mac OS X 10.5 Leopard;

− подключение электронного блока к компьютеру через USB порт;

− многозадачность, обеспечивающая возможность пользования компьютером одновременно с работой прибора;

− комплектация прибора необходимыми для учебного процесса тест-объектами.

СЗМ NanoEducator позволяет реализовать различные методы измерений и может использоваться не только в научных целях, но и учебных исследованиях в области физики и технологии микро и наноструктур, материаловедения, катализа, физики и химии полимеров, цитологии и т. п. Специальные конструкции СЗМ, адаптированные для биологических исследований, позволяют одновременно с оптическим наблюдением сканировать как живые клетки в разных жидких средах, так и фиксированные препараты на воздухе.

Примерная программа курса «Сканирующая зондовая микроскопия» для учащихся общеобразовательной средней школы

Предоставлена СибГАУ, лаборатория «Нанотехнологии и космическое материаловедение». Программа реализуется учителем вместе с сотрудниками ВУЗа.

Из истории зондовых микроскопов. Типы зондовых микроскопов. Общие принципы работы, сканирующие элементы, пьезокерамика и ее свойства. Формирование СЗМ изображений и возможные искажения изображений.

Электрическое поле, электрический ток, напряженность электрического поля, потенциал. Основы квантовой теории, строение атома, энергетическая структура атома, работа выхода, потенциальный барьер. Понятие туннельного эффекта. Основы туннельной микроскопии.

Межатомное взаимодействие (Ван-дер-Ваальсовы силы). Потенциал Леннарда-Джонса. Основы атомно-силовой микроскопии, контактная, полуконтактная, бесконтактная методики.

Сканирующая зондовая литография: СТМ-литография, анодное оксидирование, силовая литография.

Обработка СЗМ изображений (вычитание постоянной составляющей, вычитание постоянного наклона, фильтрация СЗМ изображений).

Выполнение 3-х лабораторных работ из списка:

1. Получение первого СЗМ изображения. Обработка и представление результатов эксперимента. 6 часов.

2. Исследование поверхности твердых тел методом сканирующей туннельной микроскопии. 6 часов.

3. Исследование поверхности твердых тел методом атомно-силовой микроскопии. 6 часов.

4. Артефакты в сканирующей зондовой микроскопии. 6 часов.

5. Сканирующая зондовая литография. 6 часов.

6. Обработка и качественный анализ СЗМ изображений. 6 часов.

7. Применение сканирующего зондового микроскопа для исследования биологических объектов. 6 часов.

8. Изучение микрофлоры воды с помощью сканирующей зондовой микроскопии. 6 часов.

Объем курса:

Вид работы

Количество часов

Лекции

12

Выполнение лабораторных работ

18

Всего

30 часов

Обучение учащихся по данной программе направлено на ознакомление с теорией, а затем с применением теоретических знаний на практике, при проведении лабораторных работ с использованием СЗМ.

Ученическими продуктами этого этапа являются отчеты о проделанных исследовательских и лабораторных работах.

3. Индивидуальные проекты для увлеченных учащихся. Последним этапом реализации курса является представление курсантами «Школы космонавтики» конечного продукта по тематике исследования в области нанотехнологий. Это может быть курсовая работа, разработка сайта, методическое пособие, обработка и анализ лабораторных работ. Со своими проектами школьники выступают на классных часах, на уроках, на конференциях.

Примером подобных продуктов, может быть курсовая работа с презентацией на тему: «История, состояние и перспективы развития нанотехнологий». В курсовой работе проанализирована выпущенная на данный момент литература по данной теме, изучена история и перспективы развития нанотехнологий.

Используемая литература:

1. Сканирующий зондовый микроскоп NanoEducator. Руководство пользователя. 13 октября 2009, Copyright © 2006, «НТ-МДТ»

2. Сканирующая зондовая микроскопия, спектроскопия и литография. Учебное пособие (для программного обеспечения под Mac OS X) 10 апреля 2008 г. Copyright © «НТ-МДТ».

3. //nanometer.ru/ - сайт нанотехнологического сообщества «Нанометр»

4. nanonewsnet.ru/ - сайт о нанотехнологиях №1 в России

5. nanorf.ru/ - журнал «Российские нанотехнологии»

6. nanojournal.ru/ - Российский электронный наножурнал

7. nanoware.ru/ - официальный сайт потребителей нанотоваров

8. nauka.name/category/nano/ - научно-популярный портал о нанотехнологиях, биогенетике и полупроводниках

9. kbogdanov5.narod.ru/ - «Что могут нанотехнологии?», научно- популярный сайт о нанотехнологиях .

7