"Если бы меня спросили, какая область науки может обеспечить
нам прорыв в будущее, я бы назвал нанотехнологии".
Ричард Фейнман, физик,
лауреат Нобелевской премии"Не на что надеяться, если мы войдём в будущее неподготовленными".
Крис Феникс, сооснователь и директор
Center for Responsible Nanotechnology.
ХХ век ознаменовался появлением междисциплинарных направлений в науке, технике, технологиях, всё чаще требуется специализация не по классическим наукам, а по проблемам: нанотехнологиями, например, одновременно занимаются химики, математики, физики, биологи и даже лингвисты и психологи.
Иначе дело обстоит в школе: у современных школьников предметные знания часто дискретны и оторваны от их практических интересов. Пользуясь компьютером, мобильным телефоном, они даже не задумываются о законах, лежащих в основе действия устройств, у них не выстраивается целостное мировосприятие явлений и процессов, относящихся к разным предметным областям.
Умение распознавать проблемы, которые могут исследоваться естественнонаучными методами, объяснять естественнонаучные явления и прогнозировать изменения на основе предметных знаний из смежных областей, использовать имеющиеся данные для получения выводов, их анализа и оценки достоверности не приходит само по себе. Этому способствует компетентностный междисциплинарный подход к преподаванию физики, математики, химии, биологии, информатики, а также реализация во внеурочной деятельности лицейского нанотехнологического проекта.
Проект стартовал в 2010 году: компанией НТ-МДТ по госконтракту с Министерством образования и науки РФ была поставлена Учебная лаборатория сканирующей зондовой микроскопии на базе СЗМ "NanoЕducator". Несмотря на то, что оборудование предназначено для студентов нанотехнологических специальностей вузов, учителя и школьники с энтузиазмом включились в проект "Наш наномир". В ходе его реализации учителям за короткий срок пришлось и новую технику осваивать, и новую для учителей предметников междисциплинарную область знания, одновременно "ометодичивать" наработанное - важно было заинтересовать лицеистов темой, увлечь.
Исследовательские и творческие работы, выполненные обучающимися в рамках проекта, являют собой пример практически всех типов работ такого рода.
Первые проекты нанотехнологической тематики были информационными и разрабатывались старшеклассниками. Совместными усилиями определили тематику проектных работ:
- Методы исследования наномира;
- Нанообъекты и наноматериалы;
- Применения нанотехнологий;
- Социальные аспекты нанотехнологий;
- Проблема безопасности нанотехнологий.
Конечно, всех заинтересовал учебно-научный комплекс, но практическим занятиям с СЗМ "NanoЕducator" предшествовало знакомство с основами сканирующей зондовой микроскопии и её методами исследования нанобъектов и наноструктур.
Не менее интересной оказалась тема о видах и свойствах наноматериалов, уникальность которых подчас повергала в изумление!
Выяснилось, что применения нанотехнологий - не отдалённая перспектива, а дело сегодняшнего дня. Например, в строительстве. За последние годы в посёлке возведено несколько современных зданий, в строительстве которых использованы наноматериалы: нанобетон, стёкла и облицовочная плитка с "эффектом лотоса". Выяснилось, что новое дорожное покрытие тоже содержит нанодобавки! Применение нанотехнологий в строительстве тем более актуально, что лицей сотрудничает с ГОУВПО Воронежским ГАСУ и многие выпускники продолжают обучение, получая инженерно-строительные специальности, да и сам университет активно занимается проблемой использования достижений нанотехнологий в строительстве.
Вместе с тем, как показали опросы, проведённые участниками проекта, население имеет низкую осведомленность о нанотехнологиях и считает их делом будущего, а тестирование на "простой" нанопродукт свидетельствовало о низкой заинтересованности респондентов.
Из рассмотрения социальных аспектов нанотехнологий возникла проблема об экологических рисках: активно обсуждались вопросы, насколько безопасны достижения нанотехнологий для человека и окружающей среды, как могут быть использованы достижения нанотехнологий для решения экологических проблем современного общества и др.
Начали с индивидуальных проектов "Мой наномир", результаты которых были представлены проблемно-реферативными работами: каждый выбрал наиболее интересную для себя тему, по которой собиралась, анализировалась и ранжировалась информация из разных источников, проводились наблюдения и эксперименты, собирались статистические данные путём опросов и тестирования. В ходе работы над проектом происходило практически непрерывное взаимодействие его участников: помощь в поиске и отображении информации, обмен мнениями по заинтересовавшим вопросам, наблюдения за наноявлениями в природе и применениями нанотехнологий в окружающем мире, совместное изучение устройства и принципа действия Наноэдьюкатора, тестирование с его помощью прилагаемых образцов. Именно на этом этапе индивидуальные проекты "Мой наномир" переросли в коллективный - "Наш наномир". Защита проектов состоялась на научно-практической конференции и вызвала интерес всех присутствующих. 9 работ были представлены на конкурс компьютерных презентаций школьников по нанотехнологиям "Мой наномир-2011", проводимый Томским политехническим университетом совместно с Информационным центром по атомной энергии. 4 работы отмечены дипломами победителей конкурса.
На данном этапе реализации лицейского проекта обучающиеся выполняют экспериментальные исследования по нанотехнологической тематике, выполняя исследовательские и практико-ориентированные проекты, в том числе с использованием СЗМ "NanoЕducator". Например, натуралистическая творческая работа "Эффект Тиндаля" имеет целью исследование влияния факторов, определяющих прохождение видимого света через коллоидный раствор, на его реализацию. Несмотря на то, что эффект Тиндаля, связанный с рассеянием света микрочастицами, является известным тестом на коллоидный (не истинный) раствор, широкое и систематическое исследование факторов, влияющих на прохождение света, носит для школьников элемент новизны. С одной стороны, оказалось интересным и практически важным исследование влияния таких факторов, как частота проходящего света, размеры и концентрация частиц дисперсионной фазы, дисперсионной среды изученных растворов на реализацию в них эффекта Тиндаля, с другой - потребовало более глубоких комплексных знаний о предмете исследования. "Эффект Тиндаля" - типичный исследовательский проект на основе междисциплинарного подхода, расширяющий представления о методах исследования, способах фиксирования результатов и их последующей обработки, оформления результатов исследования установленным способом.
Экспериментальная творческая работа "Визуализация поверхностей твёрдых тел методом атомно-силовой микроскопии", выполняемая со сканирующим зондовым микроскопом "NanoЕducator", носит скорее иллюстративный характер, но предполагает собственную трактовку полученных результатов в зависимости от изменения исходных условий. Элемент новизны - выбор и исследование самостоятельно подготовленных образцов. Данная работа представляет собой практико-ориентированный проект: полученные визуализированные объекты имеют самостоятельную ценность и могут использоваться в виде коллекций учебных материалов как для обучения школьников, так и для популяризации науки в целом и нанотехнологии, в частности.
Сейчас в разработке ряд проектов, выполняемых с СЗМ: "CD и DVD: взгляд изнутри", посвящённая изучению строения и свойств средств хранения информации от разных производителей, "Наномембраны и их применение для очистки воды", "СЗМ исследование тонких плёнок" и другие. СЗМ "NanoЕducator" позволяет провести целый ряд актуальных исследований, выводы по которым могут иметь практическую ценность и даже новизну.
Проектно-исследовательской деятельностью в области нанотехнологий занимаются, в основном, старшеклассники, и этому есть объяснение: школьник должен понимать, что он делает, зачем он это делает и почему именно таким способом. Сложности связаны с тем, что школьники не имеют знаниевого фундамента для глубокого изучения основ нанотехнологий практически до второго полугодия 11 класса, когда изучаются законы квантовой физики, позволяющие понять законы наномира, элементы коллоидной химии, дающей простор для исследований, и др., а без первичных знаний работа становится догматичной. При работе с учебной лабораторией "NanoЕducator" тоже возникают вопросы: нужны оригинальные идеи для экспериментов, качественно подготовленные образцы для исследований, безукоризненное владение методами анализа изображений в программе Scan Viewer. Замечательно, когда ВУЗовские преподаватели руководят проектно-исследовательской деятельностью школьников. Такое довузовское сотрудничество обоюдоважно: выигрывает не только школа, но и ВУЗ, который получает подготовленных абитуриентов. Но мы занимаемся нанотехнологиями инициативно и нуждаемся в тьюторской поддержке.
Старшеклассники не только разрабатывают собственные проекты, но и занимаются просветительской деятельностью среди учащихся лицея и общественности, участвуют в проведении мастер-классов нанотехнологической тематики, конкурсах, конференциях, олимпиадах. Лицей в декабре 2011 года получил подарок в виде современного школьного здания, в котором есть нанотехнологическая лаборатория.
Мы делаем первые шаги в изучении наномира и использовании СЗМ для постижения его тайн, но интерес к нанотехнологиям настолько велик, что несколько членов творческой группы планируют продолжить образование в ВУЗах по данной тематике. Сейчас в работу включились десятиклассники: новые люди - новые перспективы.
Заключение.
Навыки экспериментальной исследовательской деятельности в области нанотехнологий трудно переоценить: умение работать с приборами актуально для всех предметов естественнонаучного цикла, систематические занятия исследовательской деятельностью формирует исследовательскую позицию к миру.
Междисциплинарный подход к явлениям окружающего мира способствует переносу знаний и умений из одной предметной области в другую, учит методам отбора и всестороннего анализа информации, формирует общие способы получения научных знаний.
Информационные материалы.
- Алексеев Н. Г., Леонтович А. В., Обухов А. В., Фомина Л. Ф. Концепция развития исследовательской деятельности учащихся // Исследовательская работа школьников. 2001, №. 1. С. 24-34.
- Бреховских Л.М. Как делаются открытия //Методический сборник "Развитие исследовательской деятельности учащихся".- М., 2001. - С. 5-29
- Воронов В.К., Подоплелов А.В., Сагдеев Р.З. Физические основы нанотехнологий. Серия: ФИЗИКА НА ПЕРЕЛОМЕ ТЫСЯЧЕЛЕТИЙ. - М.: Книжный дом "Либроком", 2011. - 430 с.
- Нанотехнологии. Азбука для всех. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 368 с.
- Нанотехнологии. Воронежская область'2010. Информационный бюллетень.
- Хартманн У. Очарование нанотехнологии. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. - 173 с.
- www.researcher.ru- портал исследовательской деятельности учащихся
- www.issl.dnttm.ru- сайт журнала "Исследовательская работа школьника" и др.