Толочко Н.К., Хвалько Н.Г. О некоторых вопросах развития нанообразования

На рубеже XX—XXI веков сформировалось новое научное направление — нанонаука, под которой понимается систематизированное знание закономерностей и механизмов поведения вещества в нанометровом масштабе размеров [1; 2]. Нанонаука является научным фундаментом для развития нано-технологий, призванных обеспечить решение следующих взаимосвязанных задач:

■ получение наноматериалов с заданной структурой и свойствами;

■ применение наноматериалов по определённому назначению с учётом их структуры и свойств;

■ контроль структуры и свойств наноматериалов в ходе их получения и применения.

Нанотехнологии обусловили происходящие ныне кардинальные изменения в характере промышленного производства, привели к качественному скачку в развитии методов и средств переработки и преобразования информации, энергии и вещества на основе освоения принципиально новых научных подходов к познанию материи. Не случайно настоящее время связывается с наступлением нанотехнологической революции, которая уже сейчас оказывает заметное влияние на жизнь общества.

Эффективность дальнейшего развития нанонауки и на базе её — нанотехнологий во многом зависит от того, насколько своевременно и качественно будет осуществляться подготовка специалистов нанотехно-логического профиля в вузах и соответственно подготовка абитуриентов для вузов [3]. В последние годы всё более остро встаёт вопрос о необходимости обучения школьников начальным знаниям в области нано-науки. К числу важнейших задач школьного нанообразования относится формирование у учащихся представлений о фундаментальном единстве естественных наук, развитие у них инновационной восприимчивости, расширение общекультурного кругозора.

Остановимся на некоторых вопросах, касающихся проблем и перспектив развития нанообразования в средней школе.

Проблемы развития нанообразования в школе обусловлены, с одной стороны, особенностями нанонауки, а с другой — спецификой школьной образовательной системы, которая ограничена традиционными организационными методическими рамками, часто не отвечающими современным требованиям подготовки учащихся [4]. Переход к нанооб-разованию в школе предполагает разработку новых и совершенствование существующих образовательных стандартов, учебных планов и программ, учебных и методических пособий, которые обеспечивали бы возможность освоения учениками основных положений нанонауки с учётом существующего уровня школьных базовых знаний.

Основные проблемы нанообразования (далее — ПНО) в школе заключаются в следующем.

■ ПНО, обусловленные быстрыми темпами развития нанонауки.

Сегодня нанонаука находится в стадии активного становления, для которой характерно стремительное накопление новых научных фактов. С каждым годом увеличивается число разрабатываемых наноматериалов и нанотехнологий, расширяется сфера их применения. Соответственно требуется непрерывное обновление содержания учебных дисциплин по мере обновления знаний в области нанонауки. Это предполагает непрерывное совершенствование учебно-методической базы и повышение квалификационного уровня преподавателей.

При преподавании нанонауки следует учитывать то обстоятельство, что в настоящее время свойства многих наноматериалов и нанотехнологических процессов до конца не изучены. Кроме того, постоянно возрастающий поток новых знаний в области нанонауки требует уточнения соответствующего понятийного аппарата, который пока ещё не является установившимся, общепринятым [5].

Характерным примером неопределённости в нанотерминологии является отсутствие достаточно строго установленных размерных границ нанокристалличности [1]. Условно принято считать, что максимальный размер нанокристаллов, как, впрочем, и других на-нообъектов, составляет 100 нм. Следует, однако, заметить, что главная особенность на-нообъектов состоит в том, что в силу их малости в них проявляются особые свойства, зависящие от размеров — так называемые размерные эффекты. Причём во многих случаях эти особые свойства могут проявляться тогда, когда размеры нанообъектов значительно превышают условно установленный порог в 100 нм либо, наоборот, лежат значительно ниже этого порога. Так, в случае нанокристаллов размерный эффект скорости роста и растворения приобретает резко выраженный характер при размерах, гораздо превышающих 100 нм, в то время как размерный эффект температуры плавления наблюдается при размерах менее 10 нм. Также до конца неопределённым является вопрос о минимальном размере нанокристаллов. Существует два подхода к его оценке. В соответствии с первым подходом, базирующимся на кластерных представлениях о зарождении кристаллической фазы, минимально возможные размеры нанокристаллов, способных сформироваться в результате кристаллизации, соответствуют размерам критических кристаллических зародышей, которые, находясь в устойчивом состоянии, способны стать самостоятельными центрами роста кристаллов. Размеры критических зародышей составляют порядка 1 нм, причём они могут существенно изменяться в зависимости от степени отклонения кристаллизующейся системы от состояния термодинамического равновесия. В соответствии со вторым подходом, базирующимся на представлениях о координационных сферах — совокупностях атомов, расположенных в ближайшем соседстве с данным атомом, минимально возможными считаются такие размеры нанокристаллов, которые сопоставимы с размерами третьей координационной сферы, доходящими до десятых долей нанометра.

Особенности нанонауки, связанные с ее постоянным развитием, делают целесообразным преподавание ряда её разделов в школе в форме проблемного обучения, целью которого является не только усвоение новых знаний, но и усвоение самого процесса получения знаний [6]. В этой связи следует отметить особое значение изучения истории установления научных фактов, разработки научных теорий, решения технологических задач в области наномира, что в значительной мере будет способствовать развитию познавательных и творческих способностей учащихся, овладению основами методологии научного познания.

■ ПНО, обусловленные высокой степенью сложности нанонауки.

Объекты наномира имеют довольно сложную природу. Для её понимания необходимо знание специальных разделов естественнонаучных дисциплин, выходящих далеко за рамки существующих школьных учебных программ. Так, одним из перспективных направлений нанотехники является наноэлек-троника, развитие которой основано на использовании электронных свойств наноструктур, обусловленных квантовыми эффектами. Очевидно, что школьники до того, как начнут рассматривать эти эффекты, должны получить начальные представления о квантовой теории строения твёрдых тел. В связи с этим необходимо внести изменения в школьные учебные программы с целью обеспечения углублённого изучения соответствующих разделов физики. Кроме того, следует проводить систематическую работу по популяризации нанонаучных знаний, которой должны заниматься в первую очередь специалисты в области нанонауки.

■ ПНО, обусловленные междисциплинарным характером нанонауки.

Становление нанонауки идёт постепенно, в ходе развития и слияния ряда различных научных направлений, и в настоящее время этот процесс еще далёк от своего завершения. Кстати, этим объясняется то, что термин "нанонаука" до сих пор не имеет достаточно точного определения.

Нанонаука основывается на физике, химии и биологии, прежде всего на тех разделах этих научных дисциплин, где изучаются объекты, состоящие из счётного числа атомов или молекул, в которых в значительной степени проявляются размерные эффекты, дискретная атомно-молекулярная структура вещества, квантовые закономерности его поведения. Соответственно преподавание нанонауки в школе предполагает вовлечение в единый нанообразовательный процесс преподавателей различных профилей — физиков, химиков, биологов. Возникает необходимость совершенствования существующей системы образования с целью интегрирования учебных дисциплин на основе межпредметных связей [7].

В общем случае развитие школьного нанообразования может осуществляться различными путями. Некоторые из них рассмотрим ниже.

1. Фрагментарное обучение предполагает вкрапление отдельных фрагментов нанонауч-ных знаний в содержание соответствующих по тематике уроков, проводимых в рамках школьных учебных программ по естествен-но-научным дисциплинам. Так, на уроках физики в IX—XI классах при изучении различных разделов школьной учебной программы могут быть кратко рассмотрены такие вопросы, как: механические свойства нанокристаллических материалов — раздел "Основы динамики", структура фуллеренов — раздел "Основы молекулярно-кинетической теории", электронные свойства нанотрубок — раздел "Электрический ток в различных средах", суперпарамагнетизм наночастиц — раздел "Магнитное поле. Электромагнитная индукция", фотонные кристаллы — раздел "Оптика" и т.д. Фрагментарное обучение не обеспечивает целостного понимания рассматриваемых объектов наномира, а даёт лишь самое общее представление о них. Основное достоинство фрагментарного обучения состоит в том, что разнообразные фрагменты на-нонаучных знаний могут вводиться в учебный материал в довольно большом количестве, что существенно расширяет нанотер-минологический словарь учащихся. Кроме того, фрагментарные знания, дополняя основные, способствуют их лучшему освоению.

2. Элективные курсы дают учащимся возможность удовлетворять познавательные интересы в области нанонауки и тем самым решают проблемы актуализации и индивидуализации нанообучения [8]. Они нацелены на углублённое и расширенное изучение на-нообъектов. Элективные курсы могут быть как предметными, так и межпредметными. Предметные курсы предполагают рассмотрение нанообъектов в рамках отдельного изучения соответствующих учебных дисциплин — физики, химии, биологии. Например, в курсах по физике могут рассматриваться вопросы, соответствующие по тематике перечисленным выше вопросам фрагментарного обучения на уроках физики. Межпредметные курсы предполагают рассмотрение нанообъектов в рамках совместного изучения соответствующих учебных дисциплин, в частности физики и химии или физики и биологии. Типичными примерами тем межпредметных курсов могут быть такие, как плаз-мохимический синтез и химические свойства фуллеренов, нанофильтрующие материалы, химические процессы зондовых нано-технологий (физика и химия), бионаносенсо-ры, бактерицидные свойства наночастиц, лекарственные нанопрепараты, медицинские нанотехнологии, биомолекулярные наноструктуры (физика и биология).

3. Самостоятельная внеклассная работа включает подготовку учащимися под руководством преподавателей рефератов и докладов по нанонаучной тематике с их последующим представлением на уроках, факультативных занятиях, конференциях. Учащиеся в ходе такой работы осваивают методы поиска необходимой информации в различных информационных источниках, а также методы её систематизации и анализа, приобретают навыки публичных выступлений, когда они должны уметь аргументированно отстаивать свои убеждения. Всё это способствует развитию творческих способностей учащихся, формированию у них потребности в постоянном саморазвитии и самореализации.

В рамках самостоятельной работы целесообразно предлагать учащимся задания, связанные с составлением кроссвордов и ребусов, а также тестов по нанотематике, что будет делать эту работу более занимательной.

С целью повышения познавательного интереса к нанонауке у школьников, которые могут иметь разнообразные склонности и увлечения, следует уделять особое внимание вопросам практического применения нанонауки в различных сферах жизнедеятельности. Примеры таких применений: в технике — нанороботы, в промышленности — конструкционные наноматериалы с новыми свойствами, в энергетике — аккумуляторы водорода на основе нанотрубок, в сельском хозяйстве — генетически модифицированные сельскохозяйственные культуры, в медицине — "адресная доставка" лекарств с помощью наночастиц и т.д.

С учётом заинтересованности многих школьников в информационных технологиях целесообразно знакомить их с перспективами развития этих технологий на основе использования достижений нанонауки, обеспечивающих многократное увеличение быстродействия и объёма памяти, уменьшение размеров и энергопотребления компьютерных устройств.

Многим школьникам также будут интересны сведения о распространении нано-объектов в природе. Соответствующая информация может быть представлена в таких учебных темах, как: природные источники атмосферных наночастиц (вулканическая пыль; минеральная пыль, выдуваемая ветром из почв; частицы морской соли, образующиеся в океане); шунгиты — фуллеренсодер-жащие минералы; цеолиты — нанопористые минералы; бионаноструктуры в живых организмах; мембраны в природе и технике.

При ознакомлении с нанонаукой учащихся-гуманитариев желательно рассматривать учебные темы, позволяющие проводить параллели между нанонаукой и архитектурой (фуллерены и каркасные сооружения), нанонаукой и искусством (литография и наноли-тография), нанонаукой и историей (нанотех-нологии в жизни людей с древнейших времён и до наших дней). Также желательно выносить на обсуждение социально-этические проблемы развития нанонауки, например проблемы гумманизации нанотехнологий.

Таким образом, обучение школьников основам нанонауки может осуществляться различными формами и методами. Их оптимальное сочетание позволит высококвалифицированным преподавателям успешно преодолеть существующие проблемы школьного нанообразования.

Список использованной литературы

1. Наноматериалы и нанотехнологии / В. М. Анищик [и др.]; под ред. В. Е. Борисенко и Н. К. Толочко. — Минск: Изд. центр БГУ, 2008. — 375 с.

2. Борисенко, В. Е. Нанотехнологии: этапы развития / В. Е. Борисенко, Н. К. Толочко // Наука и инновации. — 2008. — № 12. — С. 66—68.

3. Гальченко, Г. А. Нанотехнологии и довузовская подготовка / Г. А. Гальченко, В. И. Логвинов, А. А. Тихонов // Вестник ДГТУ. — 2008. — № 1. — С. 101—105.

4. Делоне, Н. Б. Школе нужна современная физика / Н. Б. Делоне // Физика в школе. — 2006. — № 5. — С. 3—4.

5. Шевченко, В. Я. О терминологии: наночастицы, наносистемы, нанокомпозиты, нанотехнологии / В. Я. Шевченко // Нано- и микросистемная техника. От исследования к разработке / под ред. П. П. Малышева. — Москва: Техносфера, 2005. — С. 47—50.

6. Идиатулин, В. С. Учебные проблемы в преподавании физики / В. С. Идиатулин // Физика в школе. — 2008. — № 2. — С. 57—63.

7. Петрова, Е. Б. Интеграция в науке и образовании: история и современность / Е. Б. Петрова // Физика в школе. — 2007. — № 3. — С. 13—20.

8. Орлов, В. А. Элективные курсы по физике и их роль в организации профильного и предпро-фильного обучения / В. А. Орлов // Физика в школе. — 2003. — № 7. — С. 17—19.