Рабочая программа к элективному курсу «Наноазбука: Биология. Физика. Химия". 7–8-е классы

Авторы программы:
Пятунина О.И.,
учитель биологии
Ильясова К.Г.,
учитель химии
Долматова Н.М.,
учитель физики

Пояснительная записка

Нанотехнология является современной междисциплинарной областью, объединяющей физику, химию и биологию. Особенность нанотехнологии состоит в том, что она имеет дело с объектами нанометрового размера - от 1 до 100 нанометров, которые обладают рядом необычных свойств.

Термин «нанотехнологии», бесспорно, остается ключевым понятием начала XXI века, символом третьей научно-технической революции. С позиций сегодняшнего дня цель нанотехнологии – создание наносистем, наноустройств, способных оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.

Стремительный рывок сферы нанотехнологий открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, и появление новых открытий в химии и физике.

Нанонаука продолжает стремительно развиваться. Разрабатываются новые устройства и материалы, появились новые термины и определения, произошел ряд знаковых событий у нас в стране и за рубежом в этой области.

Для формирования целостной естественнонаучной картины мира, подготовки обучающихся к осознанному восприятию принципиально изменившегося подхода к созданию новых материалов и устройств, помощи в профильном и профессиональном самоопределении в Бийском лицее-интернате Алтайского края необходим элективный курс по нанотехнологиям.

Приведенная программа элективного курса «Наноазбука» позволяет не только познакомиться с базовыми понятиями нанотехнологии, историей появления и развития этой области научных знаний, но и дает возможность приобретения опыта научно-исследовательской деятельности. Это связано с тем, что научно-исследовательская деятельность способствует развитию познавательной активности и творческих способностей обучающихся, расширяет спектр их мыслительных операций, вырабатывает навыки систематического и системного самообразования, навыки научного поиска, умение отбора и критического анализа полученного результата.
Курс полезен для учащихся всех профилей обучения и непрофильных классов не раньше седьмого. Для гуманитарного направления можно усилить описательную составляющую курса, для биолого-химических классов сделать дополнительные акценты на химическом и биологическом аспектах курса и т. д.
Данная программа является первой ступенью в тематике нанотехнологий и предполагает дальнейшее деление на блоки с раздельным освоением курсов нанофизика, нанобиология, нанохимия.

Цель курса: познакомить учащихся с новой межпредметной отраслью знаний – нанотехнологии.

Задачи:

• формирование у обучающихся начального представления о нанотехнологиях;
• формирование представления об основных понятиях, направлениях, методах нанометрии, достижениях отечественных и зарубежных ученых;
• развитие творческих способностей, интеллектуальной компетенции, формированию познавательного интереса к естественнонаучным дисциплинам (химия, физика, биология), научного типа мышления и, как следствие, профильному и профессиональному самоопределению;
• формирование навыков исследовательской деятельности и личности исследователя;
• совершенствование навыков работы с различными источниками информации, в том числе в сети Интернет, навыков научного поиска с критическим фактичным анализом найденных данных с последующей их переработкой;
• формирование навыков грамотного изложения результатов научно-исследовательской деятельности в виде рефератов, тезисов, статей, очных докладов.

Освоение содержания курса осуществляется с опорой на межпредметные связи с курсами химии, физики, математики, биологии. Используются средства ИКТ и разнообразный наглядный материал, лабораторное оборудование, в т.ч. передовое.

При проведении занятий целесообразны такие формы обучения, как лекции (вводные к разделам) с элементами практической деятельности, семинары, самостоятельная работа учащихся (коллективная, групповая, индивидуальная), консультации, лабораторные опыты, демонстрации. Реализация курса предполагает параллельное осуществление научно-исследовательской деятельности. Учащиеся самостоятельно находят информацию для докладов и сообщений, подбирают и реферируют тексты из учебной, научно-популярной литературы, сайтов Интернета, компьютерных обучающих программ, выбирают соответствующий иллюстративный материал. Данная работа проводится под внимательным руководством  преподавателя, который способствует формированию у подопечных умения выбирать из множества сведений основные и старается доброжелательно пресечь попытки скоропалительных выводов. Уровень самостоятельности при осуществлении этой деятельности учащимися и характер помощи со стороны учителя варьируется в зависимости от возраста, степени подготовленности учащихся и сложности материала. Кроме письменного представления докладов и сообщений необходимо их представление в виде общего проекта, например. конференции с очными докладами реферативного характера продолжительностью не более пяти минут.

Согласно базисному (образовательному) плану КГБОУ "БИЙСКИЙ ЛИЦЕЙ-ИНТЕРНАТ АЛТАЙСКОГО КРАЯ" на 2018-2019 учебный год на изучение предмета «Наноазбука» на ступени среднего общего образования отводится 17 часов (1 час в неделю, 17 учебных недель).

ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ПРОГРАММЫ

В результате изучения элективного курса «Наноазбука» учащиеся должны

знать:

- об истории развития нанотехнологий и научной деятельности создававших ее ученых; о роли отечественных ученых в создании и развитии нанотехнологий;

- основные достижения и перспективы применения нанотехнологии в электронике, биологии, медицине, охране окружающей среды;

- отличительные особенности наноструктур в целом и основные примеры природных и синтезированных наноструктур, область их применения;

- методы измерения наноструктур;

- принципы работы микро- и нанометрических приборов.

понимать:

- суть эффектов, определяющих особые физико-химические свойства наноматериалов.

уметь:

- обобщать знания, полученные при изучении курсов физики, химии и биологии;

- с разной долей самостоятельности определять цели своей работы, ставить и формулировать для себя новые задачи в познавательной деятельности, развивать мотивы и интересы своей познавательной деятельности;

- самостоятельно планировать пути достижения целей, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения учебных и познавательных задач;

- соотносить свои действия с планируемыми результатами, осуществлять контроль своей деятельности в процессе достижения результата, определять способы действий в рамках предложенных условий и требований, корректировать свои действия в соответствии с изменяющейся ситуацией;

- работать со средствами информации (учебной, справочной, научно-популярной литературой, средствами дистанционного образования, текущей научной информацией в Интернете); выбирать из множества информации основные факты и делать их анализ;

- готовить сообщения и доклады, оформлять их и представлять; уметь четко и последовательно изложить в печатном виде основные результаты работы;

- устно (не читая бумажный вариант доклада) излагать логически связано основные результаты работы; основываясь на фактах, защищать свою научную работу;

- использовать технические средства обучения и средства новых информационных технологий;

- уметь работать в сотрудничестве со сверстниками, детьми старшего и младшего возраста, взрослыми в процессе учебно-ислледовательской деятельности; работать индивидуально и в группе: находить общее решение и разрешать конфликты на основе согласования позиций и учета интересов; формулировать, аргументировать и отстаивать свое мнение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО ПРЕДМЕТА

Раздел 1. Введение в нанотехнологию (3 ч)

Тема 1.1. Что такое нанотехнологии.

Значение слов «нано» и «технологии». Нанотехнологии и как они изменяют свойства вещей. Шкала размеров объектов, существующих в природе. Какие ученые занимаются нанотехнологиями. Межпредметный характер научных исследований. Использование компьютеров для моделирования наноматериалов и наноустройств в виде объемных компьютерных моделей.

Планирование исследовательской работы. Виды исследований. Выбор темы. Основные этапы работы над проектом. Представление результатов исследований. Правила оформления результатов проведенных исследований.

Тема 1.2. Наночастицы и их получение. Понятие о наночастицах и их размеры. Два способа получения наночастиц. Первый, более простой, метод – «сверху вниз». Второй – «снизу вверх». Конструирование наноматериалов и наноустройств из наночастиц атомов, молекул. Наномир начинает работать на нас. Наноиндустрия в России и за рубежом.

Планирование исследовательской работы. Виды исследований. Выбор темы. Основные этапы работы над проектом. Представление результатов исследований. Правила оформления результатов проведенных исследований.

Тема 1.3. Инструменты нанотехнологов. Первый нанотехнолог Левша и его «мелкоскоп». Оптический микроскоп. Появление электронного микроскопа как начало бурного развития нанотехнологии. Сканирующие зондовые микроскопы. Нанотрубки и создание наноинструментов. Нанопинцет. Нановесы. Нанотермометр. Наноскальпель и наношприц. Понятие об «ассемблерах» и «дизассемблерах».

Планирование исследовательской работы. Виды исследований. Выбор темы. Основные этапы работы над проектом. Представление результатов исследований. Правила оформления результатов проведенных исследований.

Раздел 2. Наночастицы и наноструктуры. Наноматериалы и наноустройства (5 ч)

Тема 2.1. Наночастицы и наноструктуры. Классификация наноструктур. Наноструктуры и их свойства. Наночастицы и нанокластеры.

Тема 2.2. Наноматериалы и наноустройства. Уникальные свойства наноматериалов. Нанопорошки и их применение. Наноустройства.

Тема 2.3.  Фуллерены. Открытие фуллеренов. Фуллерен – наночастица, состоящая из атомов углерода. Форма фуллеронов. Фуллерен С60. Фуллерены как кирпичики для создания материалов прочнее алмаза, материалов для электроники, лекарства против вирусных заболеваний и СПИДа.

Тема 2.4. Нанотрубки. Углеродные нанотрубки. Обыкновенный графит как прородитель нанотрубок. Удивительные свойства нанотрубок. Применение нанотрубок. Создание искусственных мускулов. Одежда для пожарных и косонавтов. Крошечные контейнеры для хранения жидких и газообразных веществ. Автомобили на водородном топливе с выхлопом обычного водяного пара. Хранение ядовитых и токсичных веществ. Топливные ячейки из нанотрубок. Нанотрубкив медицине. Нанорадио для плохо слышащих людей. Способы получения фуллеренов и углеродных нанотрубок.

Тема 2.5. Кластеры. Кластеры – самостоятельная наночастица с упорядоченным объединением атомов и определенными свойствами. Происхождение названия «кластер». «Магические» числа и магические кластеры. Фуллерены – это кластеры углерода с четным числом атомов. Создание российскими учеными гигантского кластера из 561 атома палладия. Объединение кластеров в сверхкластеры.

Раздел 3. Экспериментальные методы - «глаза» и «пальцы» нанотехнологии (6 ч)

Тема 3.1. Туннельный эффект и принцип работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). История создания СТМ. Примеры их применения.

Тема 3.2. Атомный силовой микроскоп (АСМ). Принцип работы, устройство, режим работы. Определение методом АСМ структуры природных и искусственных нанообъектов. Манипулирование с помощью АСМ отдельными атомами.

Раздел 4. Нанотехнологии и их применение (1 ч)

Тема 4.1. Нанотехнологии вокруг нас: реальность и перспективы. Нанопокрытия. Катализаторы и фильтры. Нанотехнологии в медицине. Нанотехнологии в парфюмерии. Нанотехнологии в пищевой промышленности. Нанотехнологии в военном деле. Нанотехнологии, используемые в производстве одежды и обуви. Нанотехнологии и космос.

Раздел 5. Моя первая исследовательская работа (2 ч)

Тема 5.1. Планирование исследовательской работы. Виды исследований. Выбор темы. Основные этапы работы над проектом. Представление результатов исследований. Правила оформления результатов проведенных исследований.

Тема 5.2. Защита исследовательской работы.

Раздел 5. Моя исследовательская работа (2 ч)

Тема 5.1. Защита исследовательской работы. Представление результатов исследований.

Тема 5.2. Защита исследовательской работы. Представление результатов исследований.

УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

Темы докладов и рефератов

1. История развития нанотехнологии, основные этапы.
2. Зонная структура углеродных нанотрубок и их электрические свойства.
3. Использование биологических объектов при получении наноструктур и нанодвигателей.
4. Наносенсоры – достижения и перспективы.
5. Нобелевские лауреаты в области нанотехнологии.
6. Открытие фуллерена.
7. Наноинструменты.
8. Биологические наносенсоры.
9. Биологическая инженерия.
10. Медицина будущего.
11. Нанотехнологии и охрана окружающей среды.
12. Умные материалы.
13. Электроника и сенсоры.
14. Нанотехнологии и коммуникации.
15. Энергетика будущего.
16. Имплантанты на основе наноматериалов.
17. Методы визуализации наноструктур: микроскопия.
18. Методы получения полых углеродных наноструктур.
19. Модель наноструктуры (кластера, фуллерена, нанотрубки и т.п.).
20. Нановолокна и их применение.
21. Нанокатализаторы и их применение.
22. Нанокластеры золота и их применение.
23. Нанолазеры и их применение.
24. Наноматериалы в быту.
25. Наноматериалы и их уникальные свойства.
26. Нанотехнологии в поэзии.
27. Нанотехнологии в произведениях художников.
28. Нанотехнологии в борьбе с вредителями садов и огородов.
29. Нанотехнологии в борьбе с онкологическими заболеваниями.
30. Нанотехнологии в литературных произведениях.
31. Нанотехнологии в электронике.
32. Нанотехнологии и лечение болезней.
33. Нанотрубки и их применение.
34. Наночастицы в жизни человека.
35. Негативные последствия нанотехнологий.
36. Основные принципы и направления исследований по созданию нанороботов.
37. Основные принципы создания наноустройств.
38. Особенности химических свойств наночастиц и наноматериалов.
39. Что такое нанофизика?
40. Что такое нанобиология?
41. Что такое нанохимия?

МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Требования к минимальному материально-техническому обеспечению

Реализация элективного курса «Наноазбука» требует наличия учебного кабинета.

Оборудование учебного кабинета:

• посадочные места по количеству обучающихся;
• рабочее место преподавателя;
• презентации;
• комплекты заданий для практических и лабораторных работ;
• образцы материалов для исследования;
• научно-популярная литература;
• учебники по физике, химии, биологии для старших классов средней школы.

Технические средства обучения:

• интерактивная доска;
• мультимедийная система;
• сканирующий туннельный микроскоп.

Перечень рекомендуемых учебных изданий, интернет-ресурсов, дополнительной литературы

Основные источники

Для обучающихся

1. Нанотехнологии. Азбука для всех / под редакцией Ю.Третьякова. – М.: Физматлит, 2009. – С. 368.

2. Разумовская И.В. Нанотехнология. 11 – класс: учебное пособие. – М.: Дрофа, 2009. – 222 с.

3. Уильямс Л. Нанотехнологии без тайн. Путеводитель / Л.Уильямс, У.Адамс. – М.: Эксмо, 2009. – 364 с.

Для преподавателей

1. Ахметов М.А. Введение в нанотехнологии. Химия. Учебное пособие для учащихся 10–11 классов средних общеобразовательных учреждений. – СПб: Образовательный центр «Участие», Образовательные проекты, 2012. – 108 с. (Серия «Наношкола»).

2. Зубков Ю.Н. Введение в нанотехнологии. Модуль «Физика». Учебное пособие для учащихся 10–11 классов средних общеобразовательных учреждений / Ю.Н.Зубков, А.С.Кадочкин, Д.В.Козлов, Ю.С.Нагорнов, С.Г.Новиков. - СПб: Образовательный центр «Участие», Образовательные проекты, 2012. – 160 с. (Серия «Наношкола»).

3. Пул Ч. Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2005. – 336 с.

4. Сыч В.Ф. Введение в нанобиологию и нанобиотехнологии. Учебное пособие для учащихся 10-11 классов средних общеобразовательных учреждений / В.Ф.Сыч, Е.П.Дрожжина, А.Ф.Санжапова. - СПб: Образовательный центр «Участие», Образовательные проекты, 2012. – 256 с. (Серия «Наношкола»).

Интернет-сайты

1. http://www.nanometer.ru/ – сайт нанотехнологического сообщества “Нанометр”.
2. http://www.nanonewsnet.ru/ – сайт о нанотехнологиях #1 в России.
3. http://www.nanorf.ru/ – журнал “Российские нанотехнологии”.
4. http://www.nanojournal.ru/ – Российский электронный наножурнал.
5. http://www.nanoware.ru/ – официальный сайт потребителей нанотоваров.
6. http://nauka.name/category/nano/ – научно-популярный портал о нанотехнологиях, биогенетике и полупроводниках.