14 липня о 18:00Вебінар: Школа без дискримінації: таємниці гендерного виховання

Фізика в частинах, статья, презентація

Про матеріал
Даний матеріал розвиває фізику, яу головну частину, до якої відносять всі елементи фізики. Елементарна фізика, атомна фізика, та ядерна фізика.
Перегляд файлу

 

Міністерство освіти і науки України

Сумський державний педагогічний університет

імені А. С. Макаренка

 

 

 

 

 

НАНОТЕХНОЛОГІЇ В ОСВІТНІЙ ГАЛУЗІ

 

Монографія

 

за загальною редакцією професора І. О. Мороза 

 

 

 

 

 

 

 

 

Суми

Видво СумДПУ імені А. С. Макаренка

                                                                                                      2016                                       

1

 

УДК 378.147:620.3

ББК 74.58025

Н 25

 

Рекомендовано до друку рішенням вченої ради

Сумського державного педагогічного університету імені А. С. Макаренка

(протокол № 8 від 26 грудня 2016 р.)

 

Рецензенти:

С. П. Величко, доктор педагогічних наук, професор, завідувач кафедри фізики та методики її викладання Кіровоградського державного педагогічного університету імені Володимира Винниченка;

Г. К. Чепурних, доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Інституту прикладної фізики НАН України.

 

Н 25  Нанотехнології в освітній галузі : [монографія] / за заг. ред.

І. О. Мороза. – Суми : Видво СумДПУ імені А. С. Макаренка, 

2016. – 244 с.

 

ISBN 978-966-698-232-5

 

У монографії, що є результатом прикладного наукового дослідження, виконаного на замовлення МОН України, висвітлено теоретикометодологічні засади введення нанотехнологічних знань у предмети освітньої галузі «Природознавство» в закладах загальної середньої освіти та в систему підготовки майбутніх вчителів фізики у педагогічних університетах. 

Окреслено концептуальні засади нової системи формування професійної компетентності майбутнього вчителя фізики у контексті глобальної перебудови української освітньої системи на західноєвропейські зразки. 

Розкрито досвід експериментальних досліджень нанооб’єктів у Сумському державному педагогічному університеті імені А.С. Макаренка як підґрунтя підвищення якості професійної підготовки випускників.

 

Для викладачів, аспірантів, магістрантів, студентів, вчителів, широкої педагогічної громади.

 

ISBN 978-966-698-232-5

УДК 378.147:620.3

ББК 74.58025

 

© Колектив авторів, 2016

© Видво СумДПУ імені А. С. Макаренка, 2016

ЗМІСТ

ВСТУП  .................................................................................................. 5

Розділ 1. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДИЧНІ ЗАСАДИ НАВЧАННЯ

ОСНОВ НАНОТЕХНОЛОГІЙ У ЗАГАЛЬНООСВІТНІХ

НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДАХ .............................................. 16

1.1 Розвиток наноосвіти – один із чинників забезпечення переходу на шостий технологічний уклад ......................... 16 1.2. Нанотехнології: вплив на суспільство, проблеми

стандартизації ....................................................................... 22

1.3. Аналіз зарубіжного досвіду вивчення основ нанотехнологій в загальноосвітніх школах ....................... 29 1.4 Готовність майбутнього вчителя фізики до формування в

учнів знань про нанотехнології ........................................... 47

1.5. Методичні особливості вивчення нанотехнологій у

шкільній фізичній освіті ...................................................... 57

1.6. Місце нанотехнологій у стандартах загальної середньої освіти та навчальних програмах з фізики – перспективи

впровадження ........................................................................ 68

1.7. Використання інформаційно-комунікативних технологій 

у процесі викладання нанотехнологій ................................ 74

1.8. Методика вивчення елективного курсу 

«Основи нанотехнологій» у загальноосвітніх 

навчальних закладах ............................................................. 82

Розділ 2. ОСНОВИ НАНОНАУК І НАНОТЕХНОЛОГІЙ У

СИСТЕМІ ПІДГОТОВКИ ВЧИТЕЛЯ ФІЗИКИ ................ 91

2.1. Стратегические приоритеты изучения нанофизики  и нанотехнологий, как фактора экономического 

развития ................................................................................. 91

2.2. Педагогічні основи гуманізації фізичної освіти в умовах нанотехнологічного розвитку суспільства ...................... 100

2.3. Имидж выпускников педагогического университета в эпоху перехода к новому «нанотехнологическому»

образованию ........................................................................ 107

2.4. Технологія формування фахової компетентності майбутнього вчителя фізики у галузі навчання основ

нанонаук і нанотехнологій ................................................ 118

2.5. Інтегрування знань з фізичних основ нанотехнологій в професійну діяльність майбутнього вчителя .................. 126

2.6. Методичні аспекти навчання нанотехнологій у ВНЗ ..... 143

2.7. Методический анализ применения законов термодинамики к произвольным макро- 

и нано-системам .................................................................. 150

2.8. Розвиток нанотехнологій. Нанотермодінаміка ............... 164

2.9. Створення освітніх нанокластерів для забезпечення вивчення нанотехнологій в школах та ВНЗ..................... 173

2.10. Впровадження результатів дослідження держжбюджетної теми «Методика навчання нанотехнологій у циклі природничо-математичних дисциплін загальноосвітніх та вищих педагогічних навчальних закладів» у навчальний процес

на фізико-иатематичному факультеті СумДПУ 

імені А.С. Макаренка ......................................................... 181

Розділ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

НАНООБ’ЄКТІВ У СУМСЬКОМУ ДЕРЖАВНОМУ

ПЕДАГОГІЧНОМУ УНІВЕРСИТЕТІ ІМЕНІ

А.С. МАКАРЕНКА ............................................................ 198

3.1. Электропроводность и тепловое расширение полимерных композиционных материалов, сформированных в

магнитном поле ................................................................... 198

3.2. Влияние неоднородного магнитного поля на фазовые превращения в металлосодержащих полимерных

композитах .......................................................................... 209

3.3. Cтруктура и свойства полимерных композитов и нанокомпозитов, подвергнутых термомагнитной 

обработке ............................................................................. 214

ЛІТЕРАТУРА ...................................................................................... 225

       

ВСТУП

Розвиток світової цивілізації і світової науки, у тому числі й фізики, це два взаємопов’язані процеси. Технічні проблеми, які виникають у різних країнах у процесі розвитку промисловості зумовлюють розвиток фізичної науки і навпаки, як свідчить історія взаємних відносин науки і виробництва, проривні досягнення науки приводять до радикальних змін в промислово-технологічній інфраструктурі і техніко-економічному стані світового суспільства.

На початку ХХІ століття стратегічним напрямком науковотехнологічного розвитку провідних країн світу стали нанотехнології. Поряд з інформаційними технологіями та біотехнологіями вони, спираючись на досягнення фізики, хімії, біології, електроніки та інших наук, багато в чому будуть визначати технологічний рівень XXI століття.

Наукові дослідження показали, що в технологічній структурі економіки всіх країн можна виділити групи технологічних сукупностей, пов’язані один з одним однотипними технологічними ланцюгами і вони утворюють, так звані, технологічні уклади [24]. Кожен такий уклад являє собою цілісне і стійке утворення, в рамках якого здійснюється замкнутий цикл, що включає видобуток і отримання первинних ресурсів, всі стадії їх переробки і випуск набору кінцевих продуктів, що задовольняють відповідний тип громадського споживання. Життєвий цикл технологічного укладу охоплює близько століття, при цьому період його домінування в розвитку економіки становить від 40 до 60 років (у міру прискорення науково-технічного прогресу та скорочення тривалості наукововиробничих циклів цей період поступово скорочується).

Сучасний етап розвитку цивілізації безпосередньо пов’язаний з її переходом до нового шостого технологічного укладу, який базується на досягненнях одного з ключових пріоритетів науковотехнологічного прогресу – нанотехнології. 

Становлення і зростання нового технологічного укладу буде визначати швидкий і глобальний економічний розвиток світової економіки та науки у найближчі два-три десятиліття. У міру завершення структурної кризи, пов’язаного з заміщенням попереднього технологічного укладу новим, світова економіка увійде в чергову довгу хвилю економічної кон’юнктури на новому рівні ефективності та з новою технологічною структурою, пронизаною нанотехнологіями. 

Як показує аналіз, життєвий цикл нового технологічного укладу починається ще під час домінування попереднього, укоріненого в промисловій та інституційної структури, у владних сферах і соціальних організаціях. У цей період можна говорити про сильну інерцію промислового капіталу, вкладеного в матеріальні та нематеріальні активи 

Сплеск і падіння цін на енергоносії, який сьогодні відбувається у всіх країнах, та світова фінансова криза – вірні ознаки завершальної фази життєвого циклу домінуючого п’ятого технологічного укладу (рис. 1) і початку структурної перебудови економіки на основі наступного укладу. Криза в світовій економіці супроводжується кризовими явищами в науковому та освітньому середовищах. Очевидно, що ті країни, які швидше за інших перейдуть до нового, шостого технологічного укладу, основу якого складають нанотехнології, інформаційні технології та ін., будуть домінувати в конкуренції на глобальних ринках. Сьогодні в світі уже формується відтворювальна система нового, шостого технологічного укладу, становлення і зростання якого буде визначати глобальний економічний розвиток у більшості країн світу. Точкою відліку становлення шостого технологічного укладу слід вважати освоєння нанотехнологій перетворення речовин і конструювання нових матеріальних об’єктів, а також клітинних технологій зміни живих організмів, включаючи методи генної інженерії. 

Ядром нового технологічного укладу є: наноелектроніка, наноматеріали, наноустаткування і нанометрологія, нанобіотехнологіі, засновані на досягненнях молекулярної біології та генної інженерії, геліо- і ядерна енергетика. 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Технологічні уклади 

       

Поряд з новими галузями ядра нового технологічного укладу, швидко зростаючими сферами застосування нанотехнологій стануть його ісеуючі провідні галузі. У їх числі залишаться галузі попереднього п’ятого технологічного укладу: електротехнічна, авіаційна, ракетно-космічна, атомна, галузі промисловості, приладобудування, верстатобудування, освіта, зв’язок. Революція, пов’язана з поширенням нанотехнологій, охоплює охорону здоров’я (ефективність якої багатократно зростає із застосуванням клітинних технологій і методів діагностики генетично обумовлених хвороб) і сільське господарство (завдяки застосуванню досягнень молекулярної біології та генної інженерії), а також створення нових матеріалів з наперед заданими властивостями. Завдяки появі наноматеріалів, в число провідних галузей нового технологічного укладу також увійдуть: хіміко-металургійний комплекс, будівництво, судно- і автомобілебудування. 

Одним з критеріїв успішного освоєння нових технологій, свого роду індикатором перспектив економічного та технологічного зростання держави є такий показник, як частка технологічних укладів в економіці, поданий у таблиці 1. 

Таблиця 1 Частка технологічних укладів в економіці деяких країн

Країна

Технологічні уклади та їх частка в економіці

III

IV

V

VI

США

-

20 %

60 %

5 %

Росія

30%

50%

10%

-

Україна

57,9 %

38 %

4 %

0,1 %

 

Як видно із цієї таблиці, економіка України, на жаль, не в лідерах навіть п’ятого технологічного укладу. Причинами цього є обмеженість фінансування довготермінових нанотехнологічних програм та проектів, відсутність державної нанотехнологічної мережі, проблема підготовки відповідних кадрів, відставання освітніх програм і методичних розробок для ВНЗ та загальноосвітніх шкіл, відсутність різноманітних методичних джерел для популяризації знань про сучасний стан розвитку нанотехнологій, про властивості нанооб’єктів та можливе їх практичне застосування,включаючи застосування на діючих виробництвах регіону.

Виходячи із аналізу структурних складових економіки найбільш розвинених країн світу фахівці прийшли до висновку, що структура нового виробництва (шостого) технологічного укладу повинна виглядати наступним чином (рис. 2): 

 

авіа-, судо,- автомобіле-, приладо-, станкобудування,     сонячна енергія, електрика, електротехніка,      ядерна промисловість і ядерна енергетика

наноелектроніка

                                                               скануючі                               нанофотоніка

                                                       мікроскопи                                  наноматеріали

НАНО нанометрологія   нанопорошки

                                                 нанофабрика                БІО,             генна інженерія

                                                 наносистемна               ІКТ               клітинні технології

техніка

Ключовий

                                                           світлодіоди        фактор

ядро

Телекомунікації, освіта, хіміко-металургійний комплекс,

         ракетно-космічний комплекс, рослинництво,                             охорона здоров ’я

Несучі галузі

 

Рис. 2. Структура нового (VI) технологічного укладу

 

У даний час новий технологічний уклад виходить із ембріональної фази розвитку, розгортається процес заміщення ним попереднього технологічного укладу, який уже досягнув меж  свого зростання. Цей процес проявляється як фінансова і структурна криза в економіці всіх провідних країн світу, що супроводжується злетом і подальшим падінням цін на енергоносії та інші сировинні матеріали. 

Для подолання цих криз недостатньо заходів з порятунку банківської системи або реанімації фінансового ринку. Вони повинні бути доповнені програмами стимулювання зростання головної складової нового технологічного укладу – нанотехнології, розвиток і впровадження якої у виробництво може створити нову довготривалу хвилю економічного зростання. Зрозуміло, що перехід цього процесу у фазу зростання почнеться із завершенням структурної кризи світової економіки і формуванням її структури, яка забезпечує швидке і стале зростання економічного стану. Але це неможливо без одночасного створення і розвитку наукової бази нанотехнологій – нанонауки.

Нанонаукою називають синтез знань із галузі фізики, хімії, біології, медицини та інших наук, які, спираючись на досягнення математики та інформатики, вивчають феномен створення матеріалів, шляхом маніпуляції на молекулярному, атомному та субатомному рівнях, властивості яких значно змінюються в порівнянні з їх властивостями на більшому рівні. Нанотехнології включають у себе конструювання, характеристики, виробництво і застосування структур, пристроїв і систем шляхом керування формою та розмірами на нанометровому рівні. Крім того, це – маніпулювання, прецизійне розміщення, зміна, моделювання або виробництво матеріалів в масштабах до 100 нм. Нанотехнології займається функціональними системами, заснованими на використанні структурних складових, що володіють особливими властивостями, зумовленими їх розмірами, але передають ці властивості макросистемам в цілому, тобто нанотехнологія – сукупність методів і прийомів, що забезпечують можливість контрольованим чином створювати і модифікувати об’єкти, що включають компоненти з розмірами менше 100 нм, які мають принципово нові якості і дозволяють здійснювати їх інтеграцію в повноцінно функціонуючі системи більшого масштабу.

Наноматеріали – це матеріали, у яких хоч один із їх  розмірів знаходиться в межах від 1 до 100 нм, і до числа яких відносяться наночастинки, нановолокна, нанотрубки, композитні матеріали і наноструктуровані поверхні (рис. 3) тощо, тобто – це матеріали, що містять структурні елементи, геометричні розміри, яких хоча б в одному вимірі не перевищують 100 нм і володіють якісно новими властивостями, функціональними та експлуатаційними характеристиками.

 

 

Рис. 3. Класифікація наноматеріалів

 

Агломерати наночастинок (поєднання наночастинок) можуть бути більшими 100 нм в діаметрі, але їх включають до наноматеріалів, оскільки вони можуть розпадатися на наночастинки при впливі слабких механічних сил або розчинників. Нановолокна і гетероструктури (включаючи нанотрубки) відносяться до підкласу двухвимірних наночастинок <100 нм, проте третій (осьовий) розмір може бути значно більше (рис. 4). 

Розвиток нанотехнологій, розробка і створення нанооб’єктів і наносистем в останні роки виявило безліч нових завдань, пов’язаних з тепловими властивостями таких систем. Відкриття та вивчення різних об’єктів наносвіту: наночастинок, нанодротів і нанодротових надрешіток, нанотрубок, а також складних наноматеріалів на їх основі (нанорідин і нанокомпозитів, кластерів і наноагрегатів, килимків з нанотрубок і т. п.) показало безліч протиріч при використанні опису їх теплових властивостей на базі класичних закономірностей. Нарешті, створення останнім часом складних пристроїв на базі нанооб’єктів (нанотранзисторів, наноелектромеханічних пристроїв і т, п.) вимагає серйозного аналізу теплових процесів в нанооб’єктах і наносистемах.

 

Рис. 4. Модель нанотрубки та гетероструктури 

(Ж. Алферов, 2000р. –Нобелевська премія з фізики)

 

Крім того, постійна мініатюризація інтегральних схем веде до розробки і створення наноелектроніки з гігантським рівнем інтеграції – сотнями мільйонів транзисторів, ассамблірованих на одному чіпі розміром не більше кількох квадратних сантиметрів. Щільність схем в такій інтеграції можлива, якщо елементи схеми мають розмір порядку або менше 10 нм. Однак при такій щільності елементів виникає так звана енергетична проблема – відведення енергії дисипації від схеми. Якщо не буде знайдено вирішення цієї проблеми, то генерація тепла в чіпі призведе до неможливості його правильного функціонування і зменшення терміну служби. Однак, на жаль, зменшення масштабів впливає на характер самого перенесення тепла – зменшення, наприклад, теплопровідності у порівнянні з об’ємними матеріалами. 

Нарешті, з’явилися і активно досліджуються такі об’єкти, як нанорідини і нанокомпозити, які можуть використовуватися в якості нових матеріалів і нових робочих тіл в енергетичних установках.

Термогідродинаміка течії в мезомасштабних і наномасштабних каналах показала, що класичні закони (наприклад, закон Ньютона для сили тертя на стінці і закон «прилипання» рідини на стінки) повинні мати інший вигляд, ніж у класичній теплофізиці. Навіть класична проблема теплофізики – фізика кипіння і теплообмін при кипінні – отримала несподіваний розвиток – підвищення коефіцієнтів тепловіддачі і значне збільшення критичного теплового потоку при використанні нанорідин або наноструктурованих поверхонь. Це дозволяє сподіватися на пояснення не тільки нових фізичних закономірностей, але й на істотну зміну деяких класичних підходів в тепловій та атомній енергетиці і в транспортних системах.

Таким чином, виявилося, що наносвіт надзвичайно багатий новими несподіваними закономірностями і явищами, які безпосередньо пов’язані з розмірними ефектами, що мають місце в наномасштабах і не зустрічались раніше в макромасштабах.

Зазначимо, що наукові дослідження та технологічні розробки, які зараз відносять до області нанонауки і нанотехнологій, відомі принаймні з середини XX століття, а деякі дослідники відносять до нанотехнологій і більш ранні технічні розробки, яким кілька сотень і навіть тисяч років. 

Вважається, що, по суті справи, хіміки займалися нанотехнологіями протягом двох з половиною століть. Сучасна нанотехнологія відрізняється тим, що вона поєднала талант хімікасинтетика з майстерністю інженера-фізика, і саме цей союз дозволив створювати такі «розумні» структури. 

Термін «нанотехнології» ввів у науковий обіг Норіо Тонігучі

(Norio Taniguchi) у 1974 р., який цей термін писав двома словами через дефіс: Nano-Technology.

У світовій літературі чітко відрізняють нанонауки (nanoscience) від нанотехнологій (nanotechnology). Для нанонауки використовується також термін – nanoscale science (нанорозмірних наука) [99].

       

Інтерес до нанорозмірної області пов’язаний як з принципово новими фундаментальними науковими проблемами і фізичними явищами, так і з перспективами створення на основі вже  відкритих явищ абсолютно нових квантових пристроїв і систем з широкими функціональними можливостями для опто- та наноелектроніки, вимірювальної техніки, інформаційних технологій тощо. Нанонаука у наш час ще не є закінченою і внутрішньо не суперечливою і загально признаною теорією. Вона потребує подальшого розвитку, який, зважаючи на запит і нагальну потребу, без сумніву доведе її до логічного і завершеного вигляду. І для підтвердження цієї думки на рисунку 5 наведено результати, які ілюструють різке зростання наукового інтересу вчених розвинутих країн до питань нанонауки і нанотехнологій.

 

Рис. 5. Динаміка зростання кількості наукових публікацій в деяких розвинутих країнах світу

 

Враховуючи стрімке зростання вкладу наноіндустрії у світову економіку і випереджаючий її розвиток нанонауки, ми вважаємо, що навчальні курси і програми ВНЗ України повинні відображати не тільки загальновизнані наукові теорії, але повинні бути орієнтовані на перспективні напрямки досліджень. Розвиток нанотехнологій визначить не лише технологічний вигляд  XXI століття але й розширить область досліджень включаючи  в себе цілий ряд напрямків фізики, хімії, біології, електроніки  та інших наук. 

На наш погляд, прийшов час і необхідність створення системи нанотехнологічної освіти студентів і навіть школярів, а також – і відродження високого рівня інженерної освіти. Якою повинна бути інженерно-фізична та нанотехнологічна освіта і з чого її починати в школі та ВНЗ – це питання для невідкладного вирішення. Але основи «нанонауки» необхідно обов’язково розглядати в системі підготовки вчительських кадрів, оскільки сформований науковий світогляд вчителя в подальшому багаторазово тиражується і дозволяє (або не дозволяє, якщо він не сформований) професійно готувати нове покоління працівників інноваційних підприємств, інженерів і дослідників, здатних працювати в наноіндустрії, тобто у цій новій, досить складній і мультидисциплінарній галузі науки і техніки, яка рано чи пізно проникне у всі галузі промисловості, сільського господарства, медицину і т. п., витискаючи тим самим застарілі технології.

 

Авторський колектив монографії

       

Розділ 1. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДИЧНІ ЗАСАДИ НАВЧАННЯ ОСНОВ НАНОТЕХНОЛОГІЙ У ЗАГАЛЬНООСВІТНІХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДАХ

 

 

1.1 РОЗВИТОК НАНООСВІТИ – ОДИН ІЗ ЧИННИКІВ

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПЕРЕХОДУ НА ШОСТИЙ

ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УКЛАД

 

О.Д. Стадник, канд. фіз.-мат. наук, доцент

І.О. Мороз, докт. пед. наук, професор

 

На початку ХХІ ст. нанотехнології стали стратегічним напрямком науково-технологічного розвитку провідних країн світу. Поряд з інформаційними технологіями та біотехнологіями вони, спираючись на досягнення фізики, хімії, біології, електроніки та інших наук, багато в чому будуть визначати технологічний рівень 21 століття.

Сучасний етап розвитку цивілізації безпосередньо пов’язаний з її переходом до нового технологічного укладу, який базується на досягненнях одного з ключових пріоритетів науковотехнологічного прогресу – нанотехнології.

Аналіз досліджень і публікацій показує, що у цій новій галузі немає шаблонів діяльності. Нову модель підтримки освітніх ініціатив пропонує, наприклад, американське аерокосмічне агентство «NASA», надаючи фінансування, технологічні інструменти і сервіси для проектних команд з цікавими ідеями для навчання «STEM» (скорочення від англ. «Science, technology, engineering and math» – наука, технологія, інженерія та математика).

Це дозволяє корпорації не тільки вирішувати завдання професійної підготовки фахівців, а й вести активну профорієнтацію – залучати талановиту молодь [179]. 

       

У США створена Національна мережа нанотехнологічної інфраструктури (англ. National Nanotechnology Infrastructure Network, NNIN ) – інтегроване партнерство науково-дослідних організацій, що працюють в області нанотехнологій. Воно підтримується і фінансується Національним науковим  фондом (NSF). Усі учасники партнерства надають можливість стороннім дослідникам у галузі нанотехнологій використовувати сучасне обладнання, що обслуговується висококваліфікованими фахівцями [181]. 

Для вирішення задач наноосвіти у США створений національний освітній центр і розробляються спеціальні закони розвитку наноосвіти. У систему наноосвіти CША задіяно 

500 університетів [174], [180]. 

Національна наукова Асоціація учителів США опублікувала ряд підручників та посібників, у тому числі і для загальноосвітніх закладів. Розробляються навчальні ресурси для підтримки двосеместрового курсу нанотехнологій для середньої школи. 

Розвинуті держави світу, наукові установи, окремі науковці  в останні роки активізували роботу по формуванню  інфраструктури розвитку нанотехнологій [24], [49], [96], 

[179], [180], [181], [192], [196].

Проте в Україні, не дивлячись на відому Постанову  Кабінету Міністрів України [95], на наш погляд, існує значне відставання не лише у випуску конкурентоздатної продукції  нового покоління, а й у підготовці фахівців у галузі нанотехнологій, оснащенні сучасних наукових лабораторій, розробці відповідного методичного забезпечення для шкіл  та вузів [109].

Метою даної статті є аналіз можливостей залучення науковометодичного потенціалу профільних ВНЗ та їх підрозділів до створення нанотехнологічних центрів, які в перспективі сприяли б випуску вітчизняними підприємствами продукції нового – шостого технологічного укладу.

       

Нанотехнологія – це сукупність методів і прийомів, що забезпечують контрольовані об’єкти, які включають компоненти від 1 до 100 нм. 

У Технічному комітеті ISO / ТК 229 під нанотехнологіями розуміють наступне [126], [158]:

1.        Знання та управління процесами, як правило, в масштабі  1 нм, але не виключаючи масштаб менше 100 нм в одному, або більше вимірах, коли проявляється розмірний ефект. 

2.        Використання властивостей об’єктів і матеріалів у нанометровому масштабі, які відрізняються від властивостей вільних атомів або молекул, а також від об’ємних властивостей речовини, що складається з цих атомів або молекул, для  створення більш досконалих матеріалів, приладів, систем, що реалізують ці властивості.

Нанонауки не є спеціальною галуззю знань, дослідження  у цій галузі ведуться у фізиці, хімії, біології, а також на стику багатьох наук.

Можна виділити найважливіші напрямки нанотехнологій:

          Молекулярний дизайн. Препарування і синтез нових молекул в сильно неоднорідних електромагнітних полях;

          Матеріалознавство. Створення нових матеріалів із заданими властивостями;

          Приладобудування. Створення скануючих тунельних мікроскопів, атомно-силових мікроскопів, магнітних силових мікроскопів, мініатюрних надчутливих датчиків, нанороботів;

          Електроніка. Конструювання нанометрової елементної бази для ЕОМ наступного покоління;

          Медицина. Проектування наноінструментарію для знищення вірусів, локального «ремонту» органів, високоточної доставки ліків у певні місця живого організму;

          Керовані ядерні реакції. Наноприскорювачі частинок, нестатистичні ядерні реакції.

Наноіндустрії – це інтегрований міжгалузевий та міждисциплінарний комплекс бізнес-структур, промислових, наукових, освітніх, фінансових та інших підприємств різних форм власності, що забезпечують і здійснюють цілеспрямовану діяльність з розробки та комерціалізації нанотехнологій. Базовими компонентами інфраструктури наноіндустрії являються:

          міжнародні та національні науково-виробничі кластери;

          центри колективного користування;

          науково-освітні центри

          лабораторні навчально-освітні центри.

Відомо, шо технологічний уклад являє собою цілісне і стійке утворення, в рамках якого здійснюється замкнутий цикл, що починається з отримання первинних ресурсів і закінчується випуском кінцевих продуктів. Технологічні уклади – це комплекси, що відображають рівень розвитку індустріального та переходу до постіндустріального технологічного способу виробництва [24].

Відомий дослідник М.Д. Кондратьєв, наприклад, стверджував, що науково-технічна революція розвивається хвилеподібно, і кожний цикл триває приблизно 45-60 років [56]. 

Соціально-економічний розвиток провідних країн передбачає концентрацією зусиль на формуванні спеціальних інструментів, що дають можливість поєднувати науку, виробництво і державне управління у різних сферах економіки і промисловості. Одним з таких інструментів щодо розв’язання зазначеного завдання є створення технологічних платформ. Уперше вони широко почали застосовуватися у Європейському Союзі. 

Перехід від однієї групи технологій до іншої називається технологічними розривами. Виникає розрив між S-подібними кривими і починає формуватись нова S-подібна крива, але на базі нових знань. У цей період зароджується та інтенсивно розвиваються базові компоненти нового технологічного укладу, які опираються на новітні досягнення науки та технологій. 

Ядро шостого технологічного укладу включає:

   наноелекроніку;

   нанофотоніку;

   наноматеріали та наноструктуровані покриття;

   нансистемну техніку;

   біотехнологію;

   нанобіотехнологію;

   інформаційні технології;

   когнітивні науки;

   соціогуманітарні технології;

   конвергенцію нано-, біо-, інфо- і когнітивних технологій.

Очевидно, що і в нашій країні настав час розробки та затвердження Плану дій щодо поліпшення якості фізикоматематичної та природничої освіти шляхом включення в освітні технології нанотехнологічної компоненти. Повинна реалізуватись міжпредметна компетентність – здатність студента та учня застосовувати, щодо міжпредметного кола проблем, знання, уміння, навички, способи діяльності, які належать до певного кола навчальних предметів і освітніх галузей. Ще остаточно не вирішене також питання про те – хто і як, у якому курсі повинен здійснювати таку міжпредметну діяльність у школі та ВНЗ.

Досягнення поставлених завдань розвитку наноіндустрії неможливе без участі науковців, які працюють у ВНЗ. На першому етапі включення в освітні технології нанотехнологічної компоненти доцільно розробити та забезпечити ресурсами Програму розвитку міжвузівської нанотехнологічної мережі, її підключення до галузевих, державної і світових нанотехнологічних мереж.

Міжвузівська нанотехнологічна мережа могла б об’єднати організації різних форм власності, що забезпечують і здійснюють скоординовану діяльність з розробки і комерціалізації нанотехнології та підготовки кадрів для потреб реального виробництва у кожному регіоні.

Інфраструктурна база наноіндустрії, враховуючи складність завдань і обмеженість ресурсів, могла б створюватися у мережевому форматі, тобто не для окремих підприємств і організацій, а у вигляді сукупності організацій різних організаційно-правових форм, що ведуть підготовку кадрів в області нанотехнологій, виконують фундаментальні та прикладні дослідження, здійснюють розробки і комерціалізацію технологій. Дієвим інструментом досягнення мети профільними ВНЗ могла б бути Дорожня карта розвитку та комерціалізації нанотехнологий.

При цьому, профільні ВНЗ, або їх підрозділи, проявивши освітню ініціативу, могли б стати головною науковою організацією з наступними функціями:

          здійснення наукового та методичного забезпечення, координація досліджень і розробок для формування технологічної бази у рамках Програми розвитку нанотехнологій;

          проведення експертизи досягнутих результатів учасниками нанотехнологічної мережі та визначення можливості їх промислового освоєння;

          координації       проектів    міжнародної      науково-технічної

співпраці;

          забезпечення взаємодії з головними організаціями галузей з питань наукових досліджень, комерціалізації технологій,

організації серійного виробництва;

          здійснення наукового і методичного забезпечення системи підготовки фахівців у галузі нанотехнологій. 

Другий етап робіт з розвитку інфраструктури, науковоосвітньої та кадрової діяльності включає: 

          створення науково-освітніх центрів ВНЗ, що забезпечують підготовку, перепідготовку та підвищення кваліфікації фахівців на основі широкої інтеграції навчального процесу, наукових досліджень і розробок у галузі нанотехнологій;

          оснащення ВНЗ, що беруть участь у підготовці наукових  і науково-педагогічних кадрів для установ вищої професійної освіти, наукових організацій, підприємств та галузей економіки  в області нанотехнологій, сучасним спеціальним науковотехнологічним обладнанням;

          систему науково-методичного та організаційно-методичного забезпечення безперервного освітнього циклу у галузі нанотехнологій;

          комплекс нових освітніх технологій та інструментальних засобів.

Таким чином, розвиток наноосвіти в державі повинен розпочинатись за підтримки координуючої дії профільних ВНЗ та їх підрозділів, фінансової підтримки держави та діючих виробництв кожного регіону і, звичайно, з адаптування світового досвіду країн, які вже випускають конкурентоздатну продукцію нового – шостого технологічного укладу.

Першочерговим завданням становлення нанотехнологічної освіти є створення та відповідне оснащення науково-освітніх нанотехнологічних центрів ВНЗ, що забезпечують підготовку, перепідготовку та підвищення кваліфікації фахівців.

Одним із перспективних інструментів досягнення мети – швидкий перехід країни до шостого технологічного укладу, є розробка вузівськими фахівцями та «виробничниками» окремих регіонів країни Дорожньої карти розвитку та комерціалізації нанотехнологій.

 

 

1.2. НАНОТЕХНОЛОГІЇ: ВПЛИВ НА СУСПІЛЬСТВО, ПРОБЛЕМИ СТАНДАРТИЗАЦІЇ 

 

Завражна О.М. канд. фіз.-мат наук, доцент 

 

Сьогодні питання, пов’язані зі створенням наноматеріалів і розвитком нанотехнологій, є домінуючими напрямками для вивчення практично у всіх галузях сучасної науки і техніки. 

У зв’язку з особливостями нашої епохи, для якої характерна зміна технологічного укладу, можна стверджувати, що настала ера нанотехнологій, відбувся перехід від роботи з речовиною до оперування окремими атомами. Розвиток нанотехнологій пов’язаний, насамперед, з тим, що вони вимагають малої кількості енергії, матеріалів, виробничих і складських вмістищ.

Нанотехнологія є досить давньою галуззю і як наука вона почала формуватись ще у старовинні часи. Є відомості про те, що ще наші пращури воготовляли фарбу, використовуючи знання з нанотехнологій і така фарба містила в собі частинки, які сьогодні ми називаємо наночастинками. 

Демокріт, розмірковуючи над питанням про виникнення Всесвіту, прийшов до висновку, що основою світу є найменші неподільні частинки, які він назвав атомами. 

Часом початку розвитку нанотехнологій прийнято вважати 1959 р., коли Річард Фейнман [122] в своїй лекції «There’s Plenty of Room at the Bottom» («Там внизу – багато місця») про наносвіт наголосив на тому, що закони фізики дозволяють працювати на молекулярному та атомному рівнях. В подальшому нанотехнології все частіше використовуються в різних областях: в медицині при створенні обладнання, хімії при виготовленні хімічних речовин, в фізиці, електроніці при створенні електронних пристроїв тощо. 

Можна сміливо стверджувати, що пріоритетним напрямком у кожній країні є наносфера, використання знань з якої дозволяє отримати об’єкти не з природних ресурсів, а безпосередньо з атомів і молекул.

Згідно з прогнозами вчених нанотехнології в XXI столітті зроблять переворот в роботі з окремими атомами, їх розвиток кардинально змінить життя суспільства.

Актуальність нашої роботи обумовлена стрімким розвитком нанотехнологій, мета роботи полягає у виявленні найбільш важливих аспектів у галузі нанотехнологій, на які потрібно звернути увагу при створенні нанотехнологічної продукції, іх впливу на реальність людства. 

На жаль, у даний час запас відомостей, які є про нанотехнології, роз’єднані і неповні, і, незважаючи на те, що ця сфера знаходиться на стику різних дисциплін, вивчають нанотехнології все ж у межах спеціальних дисциплін. Нанотехнології, як і інформаційні технології, мають виробничий характер, але є ще більш проникаючими [3]. При розгляданні наноречовин розмиваються традиційні міждисциплінарні межі між такими дисциплінами як фізика, хімія, біологія.

       

Починаючи з 2005 року, спостерігається поява окремих міждисциплінарних досліджень, проведених з точки зору філософії, економіки, соціології та політики. Ці дослідження утворюють ряд додаткових кластерів нанотехнологічних знань [129]. Згідно цих даних можна виділити декілька підходів до поняття нано:

1)       естетичний,       що    розкриває           проблему існування

наночастинок, показує стан досліджень в наногалузі;

2)       етичний – розкриває шляхи використання та проблеми, які при цьому виникають;

3)       футурологічний – дає уявлення про майбутнє людства  (тут виділяють два сценарії розвитку майбутнього людства: контроль людини над світом або, навпаки, пригнічення  людини технологіями).

Вчені відмічають, що найбільш вигідним є застосування нанотехнологій в галузі медицини, розробки матеріалів, і інформаційної обчислювальної техніки. Але є й «інша сторона медалі»: при використанні нанотехнологій виникають кілька негативних факторів, по-перше, шкідливий вплив на здоров’я,  по-друге, використання нанотехнологій у військових цілях. З цими недоліками необхідно боротися, виділяти необхідні ресурси.

Для вивчення даної проблеми було проведено велику кількість досліджень. Наведемо результати деяких з них.

Більшість людей вважають, що переваги нанотехнологій переважують їх недоліки. Суспільство мало знає про саму технологію і бачить тільки кінцевий продукт, а інформації з нанотехнологій недостатньо. Для суспільного розуміння переваг і недоліків, необхідно розробити стратегії, які б допомогли людству розуміти нанотехнології і розрізняти області застосування. Інформація повинна бути надана таким чином, щоб зацікавлені особи розуміли нанотехнології, незважаючи на брак знань в галузі технічних і природничих наук [129].

Важливо розуміти особливості, можливості і небезпеки для людини, природи, суспільства, які несуть нанотехнології. Основні з них [128] – ризики, пов’язані з виробництвом штучних наночасток (частки, синтезовані в нанорозмірах, серед яких: фулерени, нанотрубки і інші частинки із заданими фізичними і хімічними властивостями) не відомі.

Соціальні наслідки розвитку нанотехнологій пов’язані з природою розвитку соціуму, але їх осмислення має двоїстий характер: конструктивний і деструктивний. Це проявляється в соціально-значущих областях при кардинальному перетворенні фізичного світу: у військовій сфері, енергетиці, екології та ін. Соціокультурні тенденції при розвитку нанотехнології проявляються в появі нового способу життя, збільшенні тривалості життя, що змінює сенс людського життя. З іншого боку, існує загроза людству в рамках техногенної цивілізації. Становлення нанотехнології як особливого системного комплексу знань і навичок може призвести до зміни наукової парадигми, ядром якої буде нанонаука [105].

Взаємини природи і нанотехнологій носять складний  характер [129]. Вплив штучно створених нанооб’єктів на природу не вивчено. Разом з тим, вони встановлюють інші співвідношення з природою (створення нових матеріалів, репродукцію природних об’єктів і ін.) і їх складно відокремити від природи, оскільки вони є гібридами природи і творчості людини. Втручання людини в природу на нанорівні може сильно її трансформувати, сама людина при цьому може не встигнути пристосуватися до швидкої трансформації природи.

Вчені відзначають, що в еру нанотехнологій людство  зможе управляти потоками речовини і тим самим зможе 

змінювати свідомість. Так як дослідження в галузі нанотехнологій мають ще й міжнародний характер, то можуть виникнути проблеми визнання інтелектуальної власності, оскільки немає домовленості між країнами і єдиного механізму патентування результатів досліджень. Таким чином, на сприйняття нанотехнологій впливають, перш за все, пізнання людини в різних сферах, а також її вміння визначати конструктивний і деструктивний характер застосування нанотехнологій.

Для того, що розвивалась нова наукова дисципліна «Нанотехнології» необхідно крім проведення різних форм наукової комунікації (круглих столів, конференцій, рад тощо) також організувати підготовку фахівців високої кваліфікації, наукових кадрів у цій галузі [26], а для цього необхідно розробити методики і написати навчальні посібники для різних ступенів освіти в області нанотехнологій.

Розглянемо більш докладно що таке нанотехнології. 

Англійський термін «Nanotechnology» ввів японський вчений

Норіо Танігучі в 1974 р. і використав його в доповіді «Про основні засади нанотехнології» (On the Basic Concept of Nanotechnology) на міжнародній конференції, т.т. задовго до початку масштабних досліджень у цій галузі. За своїм змістом він значно ширше буквального російського перекладу «нанотехнологія», оскільки має на увазі велику сукупність знань, підходів, прийомів, конкретних процедур та їх матеріалізовані результати – нанопродукцію, тобто обробку, поділ, об’єднання і деформацію окремих атомів і молекул речовини. Особливістю нанотехнологій є те, що вони використовують об’єкти і структури, які мають специфічні розміри

-9 м). Суттєво, що в області в нанометровому діапазоні (1 нм = 10

розмірів від атомних до декількох десятків нанометрів фізикомеханічні, теплові, електричні, магнітні, оптичні, хімічні, каталітичні та ін. властивості матеріалів (виробів) можуть істотно відрізнятися від макроскопічних, крім того їх можна змінити в необхідну сторону шляхом додавання і видалення атомів (молекул) одного сорту. 

У 1980-х роках з’явилася вимірювальна і робоча апаратура, необхідна для маніпуляції з нанорозмірних об’єктами – скануючі зондові мікроскопи.

Паралельно з розвитком науки про нанотехнології почала створюватись і відповідна область стандартів, яка включає в себе термінологію, номенклатуру наноматеріалів, методи утворення, вимірювання та інформацію щодо управління та оцінки небезпеки.

       

У 2005 році Міжнародна організація зі стандартизації (International Standards Organization, скор. ISO) і Міжнародна електротехнічна комісія (International Electrotechnic Comission, скор. IEC ) створили два технічних комітети стандартизації – ISO/TC229 Нанотехнології (Nanotechnology) і IEC/TC113 Стандартизація нанотехнологій для електричних та електронних виробів і систем (Nanotechnology standardization for electrical and electronic products and systems). 

У 2010-2014 роках Україна, що є членом ISO, та 39 наукових організацій України вели наукові дослідження в наносфері відповідно до Державної цільової науково-технічної програми «Нанотехнологія та наноматеріали». Технічний комітет стандартизації порошкової металургії України, створив робочу групу «Нанотехнології» РГ ТК54, яка розробила проект стандартів ДСТУ ISO/TC 27687 «Нанотехнології-термінологія та визначення для нанооб’єктів. Наночастинка, нановолокно та нанопластинка», в якому наведено лише деякі означення нанооб’єктів. Отже, на сьогоднішній день стандартів з нанотехнологій в Україна не існує, тому фахівці використовують міжнародні стандарти. 

Порівняємо для прикладу формулювання деяких термінів, які наведено в проекті стандартів ДСТУ ISO/TC 27687 [84], [156] та стандарту ISO [158]: 

Nanoscale (ISO) – size range from approximately 1 nm to 100 nm.

Наношкала (Україна, проект) – інтервал лінійних розмірів приблизно від 1 до 100 нм.

Nanoobject (ISO) – materials with one, two or three external dimensions in the nanoscale.

Нанообєкт (Україна, проект) – матеріальне тіло з одним, двома або трьома зовнішніми розмірами відповідно до наношкали.

Nanoparticle (ISO) – nano-object with all three external dimensions in the nanoscale

Наночастинка (Україна, проект) – нанооб’єкт з усіма трьома зовнішніми розмірами у наношкалі;

       

Nanofibre (ISO) – nano-object with two similar external dimensions in the nanoscale and the third dimension significantly larger.

Нановолокно (Україна, проект) – нанооб’єкт з двома найменшими зовнішніми розмірами у наншкалі і третім значно більшим розміром.

Nanoplate (ISO) – nano-object with one externaldimension in the nanoscale and the two other external dimensions significantly larger.

Нанопластинка (Україна, проект) – нанооб’єкт з одним зовнішнім розміром у наношкалі і двома іншими значно більшими зовнішніми розмірами.

Nanowire (ISO) – electrically conducting or semi-conducting nanofibre.

Нанодріт (Україна, проект) – електропровідне або напівпровідне нановолокно.

Nanotube (ISO) – hollow nanofibre.

Нанотрубка (Україна, проект) – порожнисте нановолокно. Nanorod (ISO) – solid nanofibre.

Нанострижень (Україна, проект) – суцільне нановолокно.

На наш погляд, все ж більш вдалим та зрозумілим є стандарт ISO, в якому терміни логічно вводяться за ієрархічним принципом.

Отже, на підставі викладеного можна зробити висновки:

1)       людство вступило в нову епоху – нанотехнологій,

наноматеріалів і нанопристроїв; 

2)       нанотехнології – міждисциплінарна область дослідження, поєднує безліч вузькоспеціалізованих дисциплін, для плідного співпрацювання вчених і фахівців в її сфері потрібно створювати навчальні програми;. 

3)       для того, щоб відбулась інтеграція України у світовий технічний простір потрібні суттєві зміни на державному рівні, а саме:  створення чіткої державної нанотехнологічної програми;  державне фінансування нанотехнологічної продукції;  створення комітету стандартизації України «Нанотехнології». 

Ми згодні з дослідниками, які стверджують, що для успішного розвитку нанотехнологій, необхідний союз суспільства та науки. 

1.3. АНАЛІЗ ЗАРУБІЖНОГО ДОСВІДУ ВИВЧЕННЯ ОСНОВ НАНОТЕХНОЛОГІЙ В ЗАГАЛЬНООСВІТНІХ ШКОЛАХ

 

Ю.А. Ткаченко аспірант, вчитель фізики

 

У наш час чимало наукових установ та державних органів у всьому світі займається аналізом проблеми підготовки кадрів у галузі нанотехнологій. Перш за все це пов’язано з тим, що нанотехнології є порівняно новим науковим напрямком, що входить до складу багатьох інших дисциплін.

Проблема навчання і підготовки кадрів у розвитку нанотехнологій і наноматеріалів на даний момент є пріоритетною у всіх країнах, які зараз активно їх розвивають – США,  Японії, Великобританії, Німеччині, Китаї, Кореї, Франції, а останнім часом і в Росії. 

У системі освіти за кордоном змінюється підхід до професійної підготовки наукових кадрів з багатьох напрямків, виникають міждисциплінарні зв’язки, з’являється значна кількість спеціалізованих курсів, електронних навчальних курсів з нанотехнологій. У цій області на ринку освіти домінують США, Японія, Великобританія, Німеччина і Франція. Однак, як відзначають експерти, відсутність стандартів освіти, недостатня фінансова підтримка країн ЄС і внутрішній опір з боку деяких університетів уповільнює розвиток [55].

Для швидкого і успішного розвитку нанотехнологій необхідна розробка навчальних курсів і програм, які дозволять професійно підготувати нове покоління дослідників і робітників, здатних працювати в цій новій, складній галузі науки і техніки. Необхідність змін у системі освіти розглядалася в стратегічних урядових документах, що відносяться до розвитку нанотехнологій в провідних світових країнах, наприклад, в Національній нанотехнологічній ініціативі в США, у Третьому Основному плані з науки і технологій в Японії, в Комюніке Європейської Комісії з стратегії в області нанотехнологій [55].

Зміни, що відбуваються в системі освіти зачіпають в першу чергу вищу освіту, підготовку магістрів та докторантів, що вказується в національних стратегіях цих країн. Проте,  основні питання, що відносяться до нанотехнологій включаються або вже включені в навчальні програми всіх рівнів навчання, починаючи з дошкільного.

З моменту запуску Національної нанотехнологічної ініціативи урядом США в 2000 році, багато країн почали інвестувати в педагогічні дослідження і розробку нових навчальних планів. Особливо помітно це відбувається в США, де Національний науковий фонд (NSF) докладає багато зусиль по впровадженню нанонауки і нанотехнологій в класах загальноосвітніх шкіл  та видає багато грантів на дослідження в галузі наноосвіти. Як результат освіта в галузі природничих наук, а зокрема нанонаук, активно розвивається впродовж останніх років, і ця нова міждисциплінарна природнича галузь знань може значно розширитися в наступні роки.

В США роботи у сфері нанотехнологій оголошені найвищим пріоритетом, створені 11 навчальних наноцентрів, охоплених єдиною мережею обміну інформацією з підключенням до неї університетів; в систему наноосвіти залучено близько  500 університетів, приватних інститутів та урядових лабораторій  у всіх 50 штатах. Освіта і пропаганда в області нантехнологій  в США зачіпає всі верстви суспільства – від молодших  ступенів освіти до перепідготовки кадрів, включаючи університети, коледжі та ін. [55].

Довгостроковим завданням NNІ є розробка нанотехнологічних матеріалів для шкіл, студентських програм, технічної підготовки та громадських соціально-орієнтованих програм. До програмних цілей в даному розділі відноситься підтримка інвестиційної політики, спрямованої на створення багатофункціональної системи навчання та підготовки кваліфікованих кадрів [182].

                      У      рамках     Національної      нанотехнологічної      ініціативи

Національний науковий фонд у вересні 2001 р. заснував шість центрів з нанонауки та нанотехнології і забезпечив їх фінансування. Такі центри дозволяють не просто урізноманітнити і розширювати освітні програми університетів, але і займатися додатковою діяльністю. Деякі з дистанційних програм університетів орієнтовані на шкільну і дошкільну освіту, а також на пропаганду ідей нанотехнологій для широкої громадськості. Наприклад, у Вісконсенському університеті успішно здійснюються освітні програми для шкіл і широкої громадськості. В університеті Райса діє курс «Вступ в нанонауку» [55].

Багато чого робиться для підвищення інтересу американських школярів, який знижувався протягом багатьох років по відношенню до науки і технологій. Вважається, що вся система освіти повинна будуватися навколо нанотехнологій. Так як вони об’єднують в собі фізику, хімію і біологію, то ці дисципліни необхідно викладати не окремо, а в комплексі [52].

У рамках Національної нанотехнологічної ініціативи фінансуються і створюються сайти з фільмами, слайд-шоу з матеріалами з нанотехнологій, видається дитяча література, навчальні посібники.

Одне з перших питань, яке потрібно вирішити при введенні нанонауки і нанотехнологій в загальноосвітні школи,  оновлення змісту існуючих навчальних програм та створення нових. За підтримки Національного наукового фонду в 2006 – 2007 роках спільними зусиллями педагогів та науковців були визначені «великі ідеї» («big ideas») нанонауки і нанотехнологій, тобто ті поняття, які є основними для розуміння нанонауки і нанотехнологій. В результаті було визначено дев’ять великих ідей та пов’язаних із ними цілей вивчення, що відповідають завданням середньої освіти:

1)      розмір і масштаб;

2)      структура матерії;

3)      сила і взаємодії;

4)      квантові ефекти;

5)      розмірні властивості;

6)      самоорганізація;

7)      інструменти та вимірювальні прилади;

8)      моделі і симулятори;

9)      наука, технології та суспільство.

Оскільки нанонаука і нанотехнології вводяться в загальноосвітні школи, то вчителям рано чи пізно доведеться нести відповідальність за вивчення цього нового змісту навчального плану. Відповідно вчені США розглядають необхідність професійного розвитку вчителів середніх шкіл.

Для вирішення питання професійного розвитку вчителів, Шенк П. та ін. радять організувати короткострокові науковометодичні курси, присвячені питанням міждисциплінарних  і передових тем у тому числі нанорозмірним наукам і технологіям [189]. Вчені також підкреслюють, що Національний центр навчання і викладання (NCLT) вже створив літні курси для вчителів.

Вчені Вісконсинського університету в Медісоні Томазік Дж. та ін. в статті опублікованій в Journal of Nano Education розглянули проект і дали оцінку онлайн курсу нанонауки для вчителів середньої та вищої школи [146]. Протягом літа 2006 року  13 учасників добровільно зареєструвалися для участі в восьмитижневому курсі для отримання знань з нанонауки  та нанотехнологій, а також різноманітних ресурсів для  включення нанотехнологій в навчальний процес школи.  Основною метою цього курсу, як зазначають автори, було заохотити вчителів включати нанонауку та нанотехнології в процес навчання, оскільки підготовка наступного покоління спеціалістів в сфері нанотехнологій є основною проблемою для подальшого прогресу нанонауки.

В рамках цього курсу було використано безкоштовне програмне забезпечення для створення спільного онлайнсередовища, яке дозволило б вчителям спілкуватися з колегами та керівниками. Перед початком курсу учасники пройшли анкетування для визначення рівня їх знань з нанонауки та нанотехнологій. Щопонеділка вводилася нова тема, і як тільки вона була пройдена, вчителі знову проходили анкетування. Дані анкетування пізніше використовувались для оцінки результативності курсу. В кінці цієї професійної програми розвитку вчителі мали побудувати власну систему уроків з вивчення нанотехнологій, яку б вони запропонували учням. Ці уроки потім анонімно оцінювалися двома іншим учасниками проекту.

Як зазначають автори статті, результати такого онлайн-курсу в плані професійної актуальності та підтримки наставника були дуже хорошими. Що стосується системи уроків створених вчителями, то можна виділити два різних підходи. Перший  підхід передбачає введення уроків пов’язаних з нанотехнологіями  в різних розділах фізики впродовж року. Другий підхід полягає  в тому, що нанотехнології будуть включені в навчальний план одним повним розділом.

Зрештою, через рік учасників курсу запитали, чи викладали вони створену систему уроків з нанотехнологій своїм учням. Виявилося, що з 10 вчителів, які відгукнулися, 8 включили уроки з нанотехнологій в навчальні плани. Таким чином, ми бачимо, що участь вчителів в онлайн курсах привела до введення нанонауки в деяких середніх класах. Це ще раз підкреслює труднощі ефективної інтеграції в навчальні програми нанотехнологій.

Існують також інші програми професійного розвитку доступні в даний час для вчителів. Зокрема, Національний центр навчання і викладання (NCLT) організовує програму для того, щоб допомогти вчителям середніх класів інтегрувати нанонауку і нанотехнології в навчальний план.

Для підвищення кваліфікації та навчання вчителів в цьому новому для них напрямку проводиться безліч семінарів, курсів у ряді університетів (Університет Вісконсін, Корнельський університет та ін.). Створюються дистанційні програми підвищення кваліфікації, які орієнтовані на шкільну і дошкільну освіту, а також на пропаганду ідей нанотехнології для всіх верств суспільства [55].

У рамках Національної нанотехнологічної ініціативи Національний було створено систему навчання в центрі Корнеллського університету, яка включає в себе підготовку вчителів для шкільної та дошкільної освіти, вступний курс нанотехнології для новачків, співпрацю з пересувною виставкою по нанотехнології (модульного типу) в Науковому центрі м. Ітака. Гарвардський університет пропонує освітню програму «Наносистеми та їх використання в приладах» з метою підвищення кваліфікації учнів і викладачів середньої школи; популяризації досягнень нанотехнологій (спільно з Музеєм науки в Бостоні). Ренселерський політехнічний інститут проводить вчительскі програми у співпраці з Музеєм Джуніор в м. Трой «Спрямована збірка наноструктур» [98].

Крім того, Національний центр навчання і викладання (NCLT) пропонує програму для вчителів, яка складається з: літньої школи, де вчителі відвідують заняття з нанотехнологій; семінари дослідників в області нанотехнологій, які відвідують протягом всього навчального року; впровадження уроків, які включають нанотехнології. Програма спрямована на підвищення розуміння вчителями нанорозмірних явищ і усвідомлення зв’язків між нанорозмірною наукою та традиційними дисциплінами [139]. 

У Японії, де освіта і наука складають єдине ціле, в 2004 р. також почала діяти програма Nanotech VOT Program, націлена на розвиток всіх рівнів освіти в країні, починаючи зі школи і закінчуючи курсами для докторантів [55].

В Південній Кореї створено платформу електронного навчання eNano School, де розміщені онлайн лекції з нанонауки і нанотехнологій. Крім того, відповідно до дорожньої карти розвитку наноосвіти до 2025 року, відбувається розробка навчальних програм для середньої та старшої школи, функціонує нанотерйлер оснащений SEM, AFM та іншим обладнанням. Для студентів та науковців функціонує 6 приватних нанолабораторій. В 2012 році розроблено 8 підручників з нанотехнологій призначених для учнів старшої школи та студентів. В Korea Nano Technology Research Society (KoNTRS) працюють нано-школи для студентів, аспірантів та молодих дослідників, викладаються онлайн лекції з нанотехнологій тощо.

За ініціативою Німеччини розроблений Спеціальний план дій «Наноініціатіва – 2010», і запущена загальна програма сприяння при розробці та впровадженні нанотехнологій. Проте, нанотехнології не є обов’язковим навчальним предметом, розділом чи темою в навчальних програмах Німеччини. Як і в інших країнах, теми по нанотехнологіях включені в біологію, фізику та хімію.  В 6 та 7 класах (12-14 років) учні вивчають навчальний предмет під назвою «Природа і наука», де викладаються базові знання, пов’язані з нанотехнологіями. Відповідно до German Teacher Coordinator вивчення нанотехнологій протягом року неможливе через поточну структуру навчального року, проте пів року було б доцільно [143].

В рамках стратегії розвитку високих технологій в Німеччині реалізація наноініціативи сприяє розвитку шкільної освіти в сфері нанотехнології. Цілеспрямована допомога бере свій початок в шкільних проектах, де нанотехнологічні теми і експериментальне навчання пробуджують інтерес дітей. До заходів, що проводяться федеральним урядом, відносяться також нанотехнологічні наукові конкурси та цілеспрямоване інформування молодих людей про перспективні професії, затребувані на ринку, та нові можливості професійного навчання. 

Німеччина всіляко підтримує і розвиває новаторський дух відкриттів в області нанотехнологій у молодих вчених, студентів і школярів. Наприклад, для вдосконалення і подальшого розвитку однієї з кращих на сьогоднішній день в світі бази наукових досліджень Федеральне міністерство освіти і наукових досліджень проводить міжнародний конкурс NanoFutur на надання грантів молодим ученим зі всіх кінців світу. Їм надається можливість створити свою науково-дослідну групу і працювати, в основному самостійно, протягом п’яти років. 

Всі старання щодо молодих фахівців в області нанотехнологій виходять далеко за рамки тільки залучення наукових талантів. В Німеччині намагаються, як можна раніше познайомити школярів з нанорозмірною наукою. Щоб викликати інтерес і захопити нанотехнологією, організовують перші експериментальні кроки в школі за допомогою мультимедійного наочного навчального матеріалу: зараз використовуються інтерактивні веб-сторінки і навчальний матеріал по темі нанотехнології. 

У Німеччині в рамках проекту Федерального міністерства освіти і науки Німеччини здійснений проект «Нанотрейлер» (школа на колесах) для дошкільнят та дітей шкільного віку [55].

В Болгарії нанотехнології не є обовязковим для вивчення предметом, розділом чи темою в будь-якій з навчальних програм на рівні середньої школи, проте можуть бути включені в якості підтеми в біології, фізиці чи хімії. Основною метою вивчення нанонауки є розуміння учнями нанотехнологій на рівні теоретичних знань, підкріплених прикладами нанотехнологічної продукції [143].

У Хорватії нанотехнології не виділені окремим предметом, але зустрічаються в якості однієї з тем в навчальній програмі. При чому нанотехнології інтегровано в навчальні програми четвертого та п’ятого року середньої школи (учні в віці 17-18 років). В навчальній програмі з фізики нанотехнології зустрічаються в розділі «Матеріали та властивості матеріалів» та в підрозділі «Атоми, ядра та елементарні частинки». Метою вивчення нанотехнологій є: пояснити учням деякі ефекти напівпровідникової електроніки та нанотехнологій. Нанотехнології також інтегровано в навчальну програму з біології в рамках розділу «Природа і люди» (підрозділ «Стійкий розвиток») з метою пояснення необхідності розробки нових технологій (сплави, нові види палива, нанотехнології) [143].

Нанотехнології не є обовязковим навчальним предметом, розділом чи темою в навчальних програмах Чехії, проте можуть бути включені в програми з фізики (тема «Атомна фізика»), хімії чи біології [143].

В Данії нанотехнології не є обовязковим навчальним предметом, розділом чи темлю в навчальній програмі, проте можуть бути інтегровані як нанонаука, що включає елементи хімії та біології [143].

В Фінляндії не є обов’язковим предметом, розділом чи темою навчального плану, проте місцеві органи освіти можуть інтегрувати нанотехнології до навчальних програм різними способами. Дослідження щодо проблем інтеграції нанотехнологій в фінські навчальні програми було проведено Антті Лахерто в 2011 році. Дане дослідження проводилося з метою вивчення потреб та перспектив наноосвіти в середніх школах фінляндії. Дослідження показало, що включення нанотехнолгій в існуючі програми навчальних дисциплін є досить складним, оскільки не можуть бути явно включені до програми та заледве знайдеться час на їх вивчення. З іншого боку, організація додаткових курсів за вибором для учнів старших класів середньої школи вимагає додаткових коштів для оплати праці вчителів. Чимало респондентів у дослідженні Лахерто зазначали, що включення нанотехнологій залежить від самих учителів. В даний час Фінляндія готує новий проект навчальної програми з фізики, тому зараз занадто рано говорити про результати інтеграції нанотехнологічних тем. Враховуючи спектр застосувань нанотехнологій, відповідні теми були включені в розділ «Органічна природа і суспільство» [143]. 

Нанотехнології не є обов’язковим навчальним предметом, розділом чи темою в навчальних планах Греції і тому не є офіційною частиною освітньої програми середньої школи. Проте проводяться позакласні заходи, пов’язані з нанотехнологіями, особливо у старших класах середньої школи (10-12 класи, учні віком від 15 до 18 років). З вересня 2011 року в навчальну програму

       середньої     школи    було     введено     новий     курс     під     назвою 

«Основні принципи наукових досліджень» для учнів 10-11 класів (15–17 років). В рамках даного курсу, були розроблені і впроваджені кілька проектів, пов’язаних з нанотехнологіями. Вищезазначений курс забезпечує найкращу платформу для послідовного введення тем з нанотехнологій (теоретичні основи та лабораторні занняття) в навчальні плани середніх шкіл Греції [143].

В Іспанії учні в останніх класах середньої школи вчаться за чітко визначеним навчальним планом, проте на цьому освітньому рівні вчителі мають право вносити деякі зміни і включати невеликі приклади та експерименти по нанотехнологіях. Нанотехнології включені окремими розділами в навчальну програму першого року навчання в старшій школі обов’язкового предмету «Науки сучасного світу». Зміст предмету досить гнучкий, що дає можливість вкючати нанонауку та нанотехнології в уроки.

В наш час розглядається питання про включення в навчальні програми середніх шкіл Австралії та Нової Зеландії основ нананотехнологій, створені інтернет ресурси по даному напрямку для початкової та середньої школи (http://www.nanovic.com.au) [55].

Наприклад, Accessnano – сучасний унікальний освітній ресурс створений для вивчення австралійськими школярами інноваційних досягнень науки і техніки на доступному рівні [136]. Веб-сайт містить корисні матеріали, пов’язані з промисловим застосуванням нанотехнологій.

Для освітньої системи України корисним є досвід Росії з впровадження нанотехнологій та підготовки кваліфікованих кадрів. За системне вирішення цієї проблеми взялася Державна корпорація РОСНАНО. У вересні 2010 р корпорація «РОСНАНО» спільно з освітнім центром «Участь» приступила до реалізації нового освітнього проекту «Ліга шкіл РОСНАНО», спрямованого на розробку і апробацію якісно іншого підходу до викладання природничих наук у російських загальноосвітніх школах.  На початковому етапі реалізації проекту було відібрано близько  20 шкіл у різних регіонах Росії, готових до інноваційних змін в освітньому процесі, в першу чергу, у викладанні дисциплін природничого блоку. Подібні зміни в освітній програмі потрібні були, насамперед, для формування нового покоління кадрів для сучасної наноіндустрії, що володіють як теоретичною базою, так і уявленнями про практичне застосування знань [99].

Основні принципи сучасної «школи наноосвіти»:

*         міждисциплінарність, з метою формування в учнів цілісної

картини світу;

       

*         опора на дослідницьку і конструкторську діяльність в

природничо-науковій освіті;  командний принцип навчання і роботи, формування

учнівської спільноти в навчальній групі, класі;  тісний контакт з сучасним виробництвом і наукою, вибір

освітніх маршрутів на основі якісної базової освіти;

*         розвиток   в        учнів         первинних         навичок    в        сфері технологічного підприємництва, в першу чергу пов’язаних з аналізом потреб ринку.

В ході реалізації проекту зі створення «Ліги шкіл РОСНАНО» було здійснено наступне:

*         відібрано 216   шкіл-учасників,         що    мають        сучасне

обладнання для досліджень і експериментування;  створено інтернет-портал Ліги (http://schoolnano.ru);  розроблена нова платформа сайту «Школа на долоні» для реалізації моделі електронного навчання дітей в форматі – додаткова освіта;  розроблено     більше       100   посібників,       адресованих      як педагогам, так і школярам. Всі посібники розміщені на порталі Ліги та знаходяться в вільному доступі;

*         видано підручники для елективних курсів з основ нанотехнологій, робочі зошити для організації дослідницької та проектної діяльності;  розроблений навчально-методичний комплекс «Science-inBox або нановаліза» – лабораторія для демонстрації основ нанотехнологій в області альтернативної енергетики, оптики та електроніки, композитних матеріалів. Лабораторія містить 100 дослідів, кожен з яких може бути використаний для організації дослідницької та проектної роботи. Компактність лабораторного комплексу дозволяє його використовувати практично в будь-яких навчальних або демонстраційних умовах;  створена модель організації програм додаткової освіти та підтримки обдарованих дітей, основу якої складають принципи геймофікації,    поєднання          науки,       технологій         та      мистецтва,  бально-рейтингової системи оцінки досягнень учнів. Модель знайшла своє втілення в способі побудови освітньо-конкурсних програм в дистанційному форматі і в рамках канікулярних освітніх програм «Наноград»;  створена медіа тека, яка включає наступні ресурси: книги,

журнали, презентації, відеофільми, статті та публікації;  створено стійкий тиражований формат канікулярної школи «Наноград», крім основної літньої школи «Наноград», забезпечено проведення серії регіональних програм;  розроблено    основний пакет         навчальних       програм    і технологій       для   загальноосвітньої      школи,       спрямований     на досягнення нової якості освіти в рамках реалізації ФДОС  нового покоління.

Міністерство освіти і науки Росії планує ввести в шкільну програму навчання основ нанотехнологій. Ульянівським державним університетом на замовлення Міністерства освіти  вже розроблені програми навчальних модулів «Введення  в нанотехнології» з фізики, хімії, біології для учнів 

10-11 спеціалізованих класів.

Розроблено програми і навчальні посібники курсів за вибором

«Нанотехнології», «Нанохімія і нанотехнології», «Нанотехнології  в біології».

В останні роки в Росії стали видавати велику кількість науково-популярної літератури з нанотехнологій. Створено безліч інтернет-сайтів, присвячених нанотехнологіям. Наприклад, сайт «Нанометр», створений на факультеті наук про матеріали МДУ ім. М.В. Ломоносова, щодня представляє нові розробки вітчизняних і зарубіжних вчених, проводить інтернет-олімпіади з нанотехнологій і різні конкурси, в тому числі і серед школярів.

До корисних проектів відноситься пересувний навчальний клас-лабораторія, в якому учні 7-11 класів Московських шкіл можуть не тільки теоретично, але і практично познайомитися зі світом нанотехнологій.

В рамках пріоритетного національного проекту «Освіта» в навчальних закладах Російської Федерації встановлюються навчально-наукові комплекси, що дозволяють школярам проводити дослідження в області нанотехнологій.

У ліцеї м. Совєтська Кіровської області організована науководослідна діяльність школярів 9-11-х класів щодо вивчення нанотехнологій. У ліцеї є клас для вивчення нанотехнологій, який обладнаний скануючими зондовими мікроскопами NanoEducator. Учні ліцею досліджують можливості біоіндикації нанорозмірних середовищ методом скануючої зондової мікроскопії. Допомогу в організації експериментальної роботи здійснюють фахівці ВятДГУ. Школярі приймають активну участь в науково-практичних семінарах з питань нанотехнології та обміну досвідом щодо проведення досліджень на нанорівні [31, 16].

Розглянемо також авторський досвід реалізації програми з вивчення нанотехнологій в системі додаткової освіти. Педагогом Центру дитячої творчості міста Кірова Е. Н. Шигаревою розроблена програма додаткової освіти школярів «Дивовижний світ нано», розрахована на 36 годин. Програма спрямована на знайомство школярів з основами нанотехнологій а також напрямками розвитку даної сфери діяльності людей. Для поглиблення знань, умінь і розвитку пізнавальної активності школярів розроблено завдання, засновані на використанні інтернетресурсів, пошукових систем і можливостей мережевих технологій.

Також передбачено відвідування спеціалізованої нанолабораторії в ВятДГУ. Основною формою навчання є навчально-практична діяльність з елементами гри. Так, наприклад, при вивченні теми «Побачити невидиме» на основі аналізу роботи оптичних і цифрових мікроскопів вчитель пояснює принцип роботи скануючого зондового мікроскопа (СЗМ). Для наочного уявлення роботи СЗМ вчитель пропонує одному з вихованців з закритими очима, на дотик, дати характеристику предмета, який йому нададуть для «дослідження». У ході виконання завдання школяр дає наступні характеристики: форма предмета, характер поверхні, матеріал (пластик, дерево, метал і т. д.). Учитель підводить підсумок, що саме на принципі «обмацування» поверхні, а не збільшення її (як у традиційному мікроскопі) побудований принцип роботи СЗМ. На наступному занятті вихованці відвідують лабораторію нанохімії і нанотехнології (ВятДГУ), де їм демонструють СЗМ, обладнання, необхідне для його роботи, кілька готових дослідницьких проектів. За допомогою студентів хімічного факультету вихованці об’єднання виконують практичну роботу, спрямовану на дослідження поверхні предмета з навколишнього світу. В якості об’єкта для дослідження беруть CD-диск, вирізують з нього сегмент і поміщають в СЗМ. Через деякий час на екрані монітора учням представляють скан поверхні диска у дво- та тривимірному зображеннях. Таким чином, методом порівняння вихованці аналізують принципи роботи оптичних, цифрових і скануючих мікроскопів, а також відбувається формування знань і практичних умінь з проведення досліджень на нанорівні [4].

Подібним чином в лабораторії нанохімії і нанотехнології хімічного факультету В’ятського державного гуманітарного університету організована практична робота з вивчення технології нанолітографії. На дану тему відводиться 4 години. На першому занятті учні знайомляться з поняттями «літографія» і «нанолітографія», а потім пропонується виконати невеликі малюнки (наприклад, логотип школи, своє ім’я в графічному зображенні і т. д.). Малюнки можуть бути виконані від руки в чорно-білому зображенні або з використанням графічного редактора Paint. На другому занятті за допомогою СЗМ малюнок переноситься на підкладку (це може бути кремнієва пластина). Даний малюнок школярі бачать на екрані монітора. Описана робота має велике практичне значення для школярів, так як принцип нанолітографії використовується при виготовленні інтегральних електронних схем різних приладів [4].

В Росії також приділяється значна увага підготовці вчителів щодо викладання основ нанотехнологій. Зокрема, у Кіровській області здійснюється підготовка вчителів до викладання нових тем.

Майданчиком для перепідготовки вчителів є ліцей м. Совєтська. У ліцеї є клас для вивчення нанотехнологій, який обладнаний скануючими зондовими мікроскопами NanoEducator. На базі освітнього майданчика проводяться навчальні вебінари по темі «Освіта для сфери нанотехнологій: сучасні виклики міждисциплінарного викладання природничих предметів в школі» [31].

В рамках реалізації проекту «Ліга шкіл РОСНАНО» створено навчальні програми із застосуванням дистанційних освітніх технологій для педагогів. Підвищення кваліфікації для  педагогів організовано по лініях підтримки навчальних програм, комплектів і нових освітніх технологій, що розробляються в Програмі. Система дистанційної освіти створює умови для розвитку методологічної та дослідницької компетенції педагогів через участь вчителів в мережевих педагогічних дослідницьких і адаптаційних лабораторіях.

В період діяльності проекту були розроблені та реалізовані програми підвищення кваліфікації наступних напрямів: нові освітні технології, розробка і адаптація навчальних посібників нового покоління, дослідницька і проектна діяльність в області природознавства, електронна школа; психолого-педагогічний супровід учнів в освітньому процесі, управління освітою. 

Розроблено концепцію системно-орієнтованого і індивідуально-орієнтованого супроводу, провідними елементами якого є: допомога в розробці та реалізації програм розвитку; допомога у впровадженні освітніх, навчальних і ін. програм; супровід дослідно-експериментальної роботи; діяльність в форматі Федерального інноваційного майданчика (ФІМ).

В даний час існує багато інтернет-ресурсів, що включають в себе інформацію про нанотехнології, нанонауки і матеріали для викладачів та учнів. Деякі ресурси охоплюють етичні, правові та соціальні аспекти, а також питання безпеки.

Майже все про нанотехнології для школи можна знайти на веб-сторінці Кембриджського університету: посилання на цікаві веб-сторінки про нанотехнології, статті тощо [172].

Nanoyou (Nano для молоді) – проект, спрямований на підвищення базових знань молоді про нанотехнології, їх участь в діалозі про етичні, правові і соціальні аспекти нанонауки [176]. Nanoyou підготував освітню програму для молодих людей в віці  11-18 років і широкий спектр діяльності в наукових центрах для тих, хто в віці від 18 до 25 років. На освітньому порталі зібрано чимало експериментів, додаткова література для вчителів та учнів, лабораторні роботи та відео [149].

На веб-порталі для студентів доступні віртуальні заходи, форум де студенти можуть приймати участь в різноманітних діалогах та потужна мережа, що дозволяє різним установам та школам ділитися своїм досвідом та ресурсами.

Nanokids – освітньо-пропагандистська програма, присвячена підвищенню рівня знань населення про наносвіт, сучасні молекулярні дослідження та технології, що швидко розвиваються на міжнародному рівні [140]. На веб-сторінці, є вступні ролики, навчальні посібники, зразки тестів і ресурси для вчителів.

Nanotech kids це інтерактивна програма, яка показує, що таке нанотехнології і нанонаука да має багато ігор та інших видів пізнавальної діяльності [170]. 

Nanonet включає три типи шкіл з вивчення нанотехнологій для підготовки молодих дослідників, які будуть працювати над розвитком нанотехнологій: Літня школа нанотехнологій

(Nanotechnology Summer School), Перехресна школа (Cross-sectional

School) та Програма обміну молодими дослідниками (Young Researchers Exchange Programmes) [171]. Одним із ефективних способів пояснення дітям нанотехнологій є відео. Nanonet це  веб-сайт, на якому розміщені відео пояснення світу нанотехнологій, що таке нанотехнології, презентації про нанорозмірні об’єкти,  відео про нанотехнології в навколишньому середовищі та електроніці [170]. Всі ці відео дають змогу донести інформацію про нанотехнолгії в простій і доступній формі.

Understandingnano – це веб-сайт, присвячений створенню нанотехнологічних концепцій та програм зрозумілих кожному [175].

На цьому сайті можна знайти пояснення нанотехнологічних концепцій, посилання на стаття та ресурси, такі як веб-сайти виробників та нанотехнологічні історії в новинах. Тако сайт містить розробки уроків для середньої школи, щоб полегшити вчителям роботу щодо введення нанотехнологій в уроки.

Національна нанотехнологічна ініціатива (NNI) – онлайн ресурс для вивчення нанотехнологій, де зібрані програми для вищої школи, навчальні матеріали для учнів та підготовки кадрового персоналу [182]. 

Nanomission – гра з залученням досвіду учнів для вивчення основних понять нанонауки через імітацію реального застосування знань від роботи з мікроелектронікою до доставки лікарських засобів [167]. Завдяки спонсорській допомозі, планується  створити ПК-версію гри, в тому числі і версію для вчителів,  яка буде містити плани-конспекти уроків та їх онлайн-підтримку, буде безкоштовною для шкіл та коледжів у всьому світі. 

Проект NanoSense розглядає питання вивчення нанонауки на рівні загальноосвітньої школи [169]. В тісній співпраці з науковцями і викладачами було створено, випробувано і поширено чотири навчальні програми для загальноосвітніх шкіл, щоб полегшити розуміння вчителями і учнями нанорозмірної науки. В рамках проекту було організовано майстер-класи для вчителів щодо особливостей вивчення нанотехнологій на уроках, а також проведено робочі зустрічі з експертами і практиками з метою виявлення і уточнення основних концепцій і цілей вивчення нанонауки в школі.

Materials Research Science and Engineering Center має освітній портал [162]. Метою організації є поліпшення розуміння суспільством нанонауки і нанотехнологій шляхом поширення відповідних матеріалів серед педагогів, розміщення презентацій в громадських місцях, публікація в популярних виданнях та засобах масової інформації. На цьому порталі можна знайти планиконспекти уроків, вправи, опис експериментів (демонстрацій), курси, заходи і програми, які будуть корисні не лише для учнів, а й для вчителів.

AQnoHUB – дає змогу вивчати нанотехнології шляхом онлайн-моделювання та використання інтерактивних інструментів при опрацюванні відповідних навчальних модулів.

Також доступні декілька інтерактивних ігор, які являють собою цікавий спосіб організації навчання учнів середньої школи нанотехнологіям. В основному це головоломки, ігри на запам’ятовування тощо. Приклади таких ігор можна знайти  на веб-сайтах Nanoyou [176], Nanotech Kids [170], Nanozone [177]  та Nanomission [167].

NanoVenture: настільна гра з нанотехнологій створена з метою встановлення зв’язків між сучасно наукою, зокрема нанотехнологіями та суспільством. Учасники гри стають лідерами нової країни. Перед лідерами постає проблема прийняття рішень щодо використання країною наноматеріалів і нанотехнологій, зберігаючи при цьому високий рейтинг схвалення з боку громадян країни. Прийняття таких рішень вимагає, щоб гравці уважно проаналізували взаємозв’язок технологічних досягнень, нормативно-правових аспектів, громадської думки та відповідних ризиків, пов’язаних з новою областю знань – нанонаука [177].

Для підвищення нанограмотності громадян в деяких європейських країнах освітні установи пропонують спеціальні виставки для шкіл та громадськості, а також організовують відвідування вищих навчальних закладів. Також доступні семінари, інтерактивні лекції та багато інших онлайн ресурсів, що містять інформацію та ігри для науковців. Були опубліковані різноманітні навчальні комплекси. Прикладами таких установ є Saarlab Initiative,

Nanotruck…, Кембриджський університет, проект Nanoyou, ініціатива NanoBioNet та інші науково-технічні музеї [160], [173].

Крім того, для забезпечення інтеграції даної галузі знань в традиційну систему освіти, враховуючи вимоги до нанотехнологічної освіти, було створено декілька неофіційних проектів підтримки по всьому світу. Ці проекти включають освітні мережеві матеріали спрямовані на громадськість, а також виставки в музеях та наукових центрах.

В наш час наноосвіта є частиною навчальних програм в деяких університетах і школах Європи та США. Проте, існують проблеми, які заважають інтеграції нанотехнологій в навчальний процес шкіл.

NISE Network національна спільнота дослідників та викладачів створена з метою інформування громадськості про досягнення нанотехнологій, забезпечення розуміння суспільством нанорозмірної науки, техніки і технологій [168]. На сайті зібрані матеріали для школи, функціонують наукові виставки, проходять нанодні, матеріали для експериментів. Онлайн ресурс стимулює наукову діяльність, де розуміння нанорозмірної науки є головним завданням. NISE Net забезпечує матеріалами для навчальної діяльності, що можуть бути використані на всіх рівнях освіти починаючи з дошкільної і закінчуючи післядипломною освітою. Наприклад, є завдання для вивчення нанорозмірних об’єктів, таких як сонцезахисна речовина та тонкі плівки, які часто використовують в пам’яті комп’ютера і в сонячних елементах. Проте, багато завдань спроектовано для неоформальних наукових досліджень чи в якості простої демонстрації ідеї замість того, щоб дозволити учням вивчати наукові принципи, що оточують вивчення матеріалів на нанорівні для отримання незалежного освітнього досвіду, що більше підходить для загальноосвітньої школи.

 

 

1.4 ГОТОВНІСТЬ МАЙБУТНЬОГО ВЧИТЕЛЯ ФІЗИКИ ДО

ФОРМУВАННЯ В УЧНІВ ЗНАНЬ ПРО НАНОТЕХНОЛОГІЇ

 

В. С. Іваній канд. техн. наук, професор, 

Ю. А. Ткаченко аспірант, вчитель фізики

 

Сучасний стан діяльності і розвитку цивілізації безпосередньо пов’язаний з її переходом до нового VI-го технологічного укладу, який базується на досягненнях мультидисциплінарної області  знань – «нанонауки» та впровадження їх у виробництво. Це призвело до розвитку одного із основоположних пріоритетів науково-технічного і технологічного прогресу – нанотехнології.

Розвинені країни ще на початку XX століття не лише «стартували» у напрямку залучення досягнень наки у розвиток нанотехнологій, але й комплексно вклали матеріальні і нематеріальні ресурси в підготовку кадрів і в інформаційне забезпечення освітнього процесу в цій новій галузі знань. Наслідком цього є надшвидке зростання продукції V і навіть  VI технологічних укладів. В Україні, на жаль, основна продукція відноситься до III і IV технологічних укладів (57,9% і 38%), а на долю V і VI укладів припадає відповідно лише 4% і 0,1%. Причинами такого відставання є обмеженість фінансування довгострокових нанотехнологічних програм і проектів, відсутність державної нанотехнологічної мережі, проблема підготовки відповідних кадрів, відставання освітніх програм для вишів і загальноосвітніх шкіл, відсутність різноманітних методичних розробок для популяризації знань про сучасний стан розвитку нанотехнологій і про властивості нанооб’єктів. У результаті – до тепер значна частина населення та навіть фахівців і керівників державних органів та промислових підприємств не розуміє їх суті і не бачить можливих перспектив їх застосування, включаючи застосування на діючих виробництвах свого регіону. 

Ситуацію можна виправити, якщо створити комплекс заходів, направлених на покращення всієї системи підготовки спеціалістов у вищих навчальних закладах, але це, в першу чергу, відноситься до педагогічних університетів, які повинні готувати вчителів здатних доступно і правилино донести до учнівської молоді нові мультидисциплінарні знання. У зв’язку з цим виникає необхідність розглядати готовність педагога до формування сучасних знань про нанотехнології – як обов’язкову і надзвичайно важливу складову частину підготовки до педагогічної діяльності в цілому. Тому, доцільно говорити про вдосконалення наукової підготовки майбутніх педагогів, зокрема вчителів фізики [45, 48].

       

Проблемі готовності вчителя до формування в учнів знань про нанотехноолгії присвячені роботи багатьох вітчизняних (К. В. Корсак, Д. В. Касьянов, О. І. Косенко, О .М. Пустовий, 

       О. А. Ткачова    та    ін.)    та    зарубіжних    (А. Лакхтакі,    Р. Монк,

А. Речемім, М. Роко, П. Шенк, М. Юнкер, Р. Хамерс, Дж. Мур,

Л.А. Браян, С. Далі, К. Хатчінсон, Т.А. Комкіна, Д. Н. Данилов, В. С. Семенов, Е. Н. Шигарева та ін.) вчених, які вказують, що введення нанотехнологічного компонента є одним із основних напрямків реформування шкільної освіти.

Аналіз літературних джерел та педагогічного досвіду свідчать про те, що питання готовності вчителів фізики до формування в учнів знань про нанотехнології у нашего часа стало особливо актуальним. Аналіз досвіду зарубіжних країн у вивченні досягнень і впроваджень нанонауки та вивчення специфіки наукової підготовки майбутнії вчителів фізики в педагогічних університетах України дозволить створити умови для формування в учнів знань про нанотехнології та нанонауку в шкільному курсі фізики.

Проблеми підготовки педагогічних кадрів до їх готовності навчання підростаючого покоління основам нанотехнологій  та нанокаук у розвинутих країнах світу займаються як держані органи, так і багато наукових установ. Американські вчені  М. Юнкер, П. Шенк, та ін, наприклад, вияснили, що, чи не найголовнішою перешкодою в реальній діяльності вчителів  у пропаганді нанотехнологій і включення їх у навчальні  програми є невідповідність сучасному стану науки їх  професійної компетентності. 

На даний час у професійному середовищі існує достатньо визначений консенсус відносно необхідності підняття наукового рівня учителів та врахування у їх підготовці міждисциплінарних навчальних курсів, що є необхідним при викладанні основ нанотехнологій. Аналіз, проведений багатьма вченими показав, що вчителі, зазвичай, спеціалізуються лише в одній дисципліні. Це призводить до того, що вони відчувають невпевненість, коли стикаються із необхідністю пояснювати теми чи окремі питання, пов’язані із предметом вивчення інших дисциплін і, зрозуміло, що це породжує небажання розглядати питання інших дисциплін, з якими вони не були знайомі. Це небажання може посилюватися через відсутність ґрунтовних знань з основ нанонауки і її практичного застосування [189, 285].

З об’єктивних причин вчителі дійсно можуть не мати можливості бути компетентними у нових наукових розробках та відкриттях у галузі нанотехнологій [146, 62]. Відповідно, щоб уникнути боязні вчителів вводити нанотехнології в школу,  боязні опинитися в глухому куті, відповідаючи на питання  учнів, вчені висувають різні пропозиції. Наприклад, для  вирішення питання професійного розвитку вчителів, П. Шенк  та інші пропонують організувати короткострокові науковометодичні курси, присвячені питанням нанорозмірних наук і  технологіям [189, 278]. Так, Національний центр (NCLT)  вже створив і регулярно проводить такі літні курси для  вчителів [139, 139]. Основною метою цього курсу, як зазначають науковці, є заохочення вчителів включати основи нанонауку та нанотехнології в процес навчання, оскільки підготовка наступного покоління фахівців у сфері нанотехнологій є основною проблемою для подальшого розвитку єкономіки [155, 51]. 

У рамках цього курсу використовується безкоштовне програмне забезпечення для створення спільного онлайнсередовища, яке дозволило вчителям спілкуватися з колегами та науковими керівниками. Перед початком курсу слухачі проекту пройшли анкетування для визначення рівня їх знань з нанонауки та нанотехнологій. Щопонеділка вводилася нова тема, і як тільки вона була пройдена, вчителі знову проходили анкетування. Дані анкетування пізніше використовувались для оцінки результативності курсу. В кінці цієї професійної програми розвитку вчителі будували власну систему уроків з навчання нанотехнологій, яку б вони запропонували учням. Ці уроки потім анонімно оцінювалися іншим учасниками проекту.

       

Як зазначають автори статті, результати такого онлайн-курсу, в плані підвищення професійної компетентності та готовності вчителів-учасників проекту до включення елементів наноосвіти у навчальний процес, були дуже хорошими. Що стосується системи уроків створених учителями, то можна виділити два різних підходи. Перший підхід передбачає введення уроків, пов’язаних з нанотехнологіями, у різні розділи фізики впродовж року. Другий підхід полягає в тому, що нанотехнології будуть включені у навчальний план одним повним розділом. Зрештою, через рік учасників курсу запитали, чи використовували вони авторську систему уроків з нанотехнологій своїм учням. Виявилося, що  з 10 вчителів, які відгукнулися, 8 включили уроки з нанотехнологій у навчальні плани. Отже, ми бачимо, що не всі слухачі онлайн курсів виявили готовність до введення нанонауки в програми шкіл. Це ще раз підкреслює труднощі ефективної інтеграції у навчальні програми нанотехнологій [155, 54].

Існують також інші програми професійного розвитку доступні в даний час для вчителів. Зокрема, Національний центр навчання і викладання (NCLT) організовує програму для того, щоб допомогти вчителям середніх шкіл інтегрувати нанонауку і нанотехнології у навчальні плани. У ряді університетів (Університет Вісконсін, Корнельський університет та ін.) для підвищення кваліфікації та навчання вчителів у цьому новому для них напрямку проводиться безліч семінарів та лекційних курсів. Створені дистанційні програми підвищення кваліфікації, які орієнтовані на шкільну і дошкільну освіту, а також на пропаганду ідей нанотехнології для всіх верств суспільства. 

У межах Національної нанотехнологічної ініціативи створено систему навчання у центрі Корнеллського університету, яка включає в себе підготовку вчителів для шкільної та дошкільної освіти, вступний курс нанотехнології для новачків, співпрацю з пересувною виставкою з нанотехнології (модульного типу) в Науковому центрі м. Ітака.

       

Гарвардський університет пропонує освітню програму «Наносистеми та їх використання в приладах» з метою підвищення кваліфікації учнів і викладачів середньої школи, популяризації досягнень нанотехнологій (спільно з Музеєм науки в Бостоні). Ренселерський політехнічний інститут проводить вчительскі програми у співпраці з Музеєм Джуніор в м. Трой «Спрямована збірка наноструктур» [98, 94]. 

Крім того, Національний центр навчання і викладання (NCLT) пропонує програму для вчителів, яка складається з: літньої школи, де вчителі відвідують заняття з нанотехнологій; семінари дослідників в області нанотехнологій, які вчителі шкіл відвідують протягом всього навчального року; розробка уроків, які включають нанотехнології. Програма спрямована на підвищення розуміння вчителями нанорозмірних явищ і усвідомлення зв’язків між нанорозмірною наукою та традиційними дисциплінами [139, 161].

За даними дослідження К. Хатчінсона факторів, що впливають на включення вчителями уроків з нанотехнологій до їх навчального плану, на вибір вчителів впливало п’ять основних факторів: актуальність, мотивація учнів, негнучкість навчальної програми, зміст знань та технічне забезпечення. На нашу думку, останній пункт в українських реаліях є чи не найважливішим. Дійсно, у нас і, як виявило вказане дослідження, навіть у США матеріальнотехнічне забезпечення шкіл недостатнє. Відсутність нанолабораторій не дозволяє у повній мірі знайомити учнів з нанооб’єктами та їх властивостями, з фізичними приладами і вимірювальними інструментами, які застосовуються в науководослідних нанолабораторіях і на виробництві. 

Значна увага підготовці вчителів щодо викладання основ нанотехнологій приділяється і в Росії. У рамках реалізації проекту «Ліга шкіл РОСНАНО» створено навчальні програми із застосуванням дистанційних освітніх технологій для педагогів. Підвищення кваліфікації вчителів організовано по лініях підтримки нових навчальних програм і нових освітніх технологій. Система дистанційної освіти створює умови для розвитку методологічної та дослідницької компетенції педагогів через участь вчителів у мережевих педагогічних дослідницьких і адаптаційних лабораторіях. За період діяльності проекту були розроблені та реалізовані програми підвищення кваліфікації наступних напрямів: нові освітні технології, розробка і адаптація навчальних посібників нового покоління, дослідницька і проектна діяльність у області природознавства, електронна школа; психолого-педагогічний супровід учнів в освітньому процесі, управління освітою. Розроблено концепцію системно-орієнтованого і індивідуальноорієнтованого супроводу, провідними елементами якого є: допомога у розробці та реалізації програм розвитку; допомога у впровадженні освітніх, навчальних та інших програм; супровід дослідно-експериментальної роботи [103, 60-62].

В Україні, на наш погляд, існує значне відставання не лише у випуску конкурентоздатної продукції нового покоління, а й у підготовці фахівців у галузі нанотехнологій, оснащенні сучасних наукових лабораторій, розробці відповідного методичного забезпечення для шкіл та ВНЗ [79, 7], [95, 51].

Враховуючи досвід зарубіжних країн та аналізуючи українські реалії, зазначимо, що для побудови моделі методичної підготовки вчителя до формування в учнів знань про нанотехнології за основу доцільно взяти систему компетентнісно-орієнтованої освіти. У рамках компетентнісного підходу готовність до педагогічної діяльності є важливим складовим компонентом професійної компетентності і являє собою відрефлексовану спрямованість вчителя на педагогічну професію [29, 272]. Є.В. Тітов розглядає готовність до діяльності як своєрідну освітню компетенцію, яка характеризується через знання, вміння, навички та досвід діяльності суб’єкта [117, 42].

Готовність вчителів фізики до формування в учнів знань про нанотехнології нами визначено як особистісне утворення майбутнього педагога, що включає в себе сукупність професійних компетенцій, спрямованих на формування в учнів нанофізикотехнрологічних знань і позитивної мотивації на майбутню сферу їхньої діяльності у галузі нанотехнологій.

Серед спеціальних професійних компетенцій, значущих для діяльності педагога у формуванні знань з основ нанотехнологій, ми виділяємо такі:

 здатність до формування в учнів знань з нанофізики, мотивацію до їх засвоєння, професійна спрямованість на майбутню нанофізикотехнологічну сферу діяльності;  здатність          до       постійного         професійного    зростання,

отримання нових знань у галузі основ нанонаук і нанотехнологій;  здатність самостійно і ефективно вирішувати освітні

проблеми при вивченні учнями основ нанотехнологій;  здатність до організації діяльності учнів для роботи з

високотехнологічним нанообладнанням.

Аналіз психологічної й методичної літератури та накопиченого досвіду розробки і реалізації програм підвищення кваліфікації вчителів дозволили визначити основні характеристики кінцевого результату методичної підготовки майбутнього вчителя фізики – це формування спеціальних професійних компетенцій. 

Методична підготовка вчителів до навчання основам нанотехнологій засновується на: 

 гуманізації (опора на загальнолюдські цінності);   інтелектуалізації (становлення і розвиток інтелектуально-

особистісних особливостей педагога в єдності із засвоєнням нових професійних знань, умінь і способів діяльності);   гуманітаризації (встановлення гармонійної рівноваги між

природничо-математичною і гуманітарною підготовкою);   фундаментальності та комплексності освіти (розширення

професійної мобільності педагога).

В основу процесу методичної підготовки майбутнього вчителя фізики до роботи в сфері навчання основ нанотехнологій мають бути покладені принципи: безперервності професійної освіти, наступності, поетапності, фундаменталізації та індивідуалізації.

Зміст методичної підготовки майбутнього вчителя фізики до навчання основам нанотехнології спирається на обсяг спеціальних і предметних знань, окремі складові яких вимагають уточнення. У галузі нанофізикотехнологічних знань це стосується термінології, що використовується в сфері нанотехнологій, де ключовим поняттям є саме «нанотехнологія». 

Для підвищення професіоналізму майбутніх вчителів у галузі нанофізикотехнологічних знань у навчальні програми педагогічних університетів доцільно включити, як мінімум, наступні питання:

 поняття нанотехнології;  класифікація нанооб’єктів; 

 розмірні ефекти і властивості нанооб’єктів;  наночастинки;

 характерні особливості нанооб’єктів;  знайомство з методами отримання наноструктур.

 Зміст теоретичної частини навчального матеріалу в структурі методичної підготовки в галузі нанофізики має включати:

 атомну будову речовини;  елементи квантової фізики;

 фізичні принципи синтезу нанорозмірних об’єктів;  способи візуалізації в наносвіті;

 методи дослідження властивостей нанооб’єктів;  принципи конструювання нанопристроїв;  структурні рівні організації речовини;  різноманітність алотропних форм вуглецю;

                             нанобіотехнології      надмолекулярного     рівня     організації

живих систем;  поняття про нанобіомолекулярну електроніку;  використання досягнень нанобіотехнологій в медицині;  нанотехнології та екологія.

Особливу увагу слід приділити питанням квантової механіки – як основі нанотехнологій: поняттю ймовірності; імовірнісним закономірностям; гіпотезі де-Бройля; хвильовим властивостям речовини; властивостям мікрочастинок; принципу невизначеності; квантуванню енергії; принципу суперпозиції; проходженню частинок через потенціальний бар’єр тощо. З таких позицій оцінки досягнутого рівня професіоналізму, як сумарного показника сформованості спеціальних професійних компетенцій, ми виділяємо наступні складові готовності вчителя фізики: науковотехнічну, предметно-освітню та інформаційно-технологічну. 

Науково-технічна включає в себе: 

 знання основ нанофізики;   способів інтеграції контенту в галузі основ нанотехнології;   основні досягнення, шляхи і проблеми використання та

отримання наноматеріалів, нанопродукції;   екологічні аспекти розвитку нанотехнології; 

 володіння   технікою і        методикою        використання вимірювальних засобів на основі нанотехнологій.

Предметно-освітня складова включає   здатність       до       оволодіння        професійно-педагогічними вміннями і навичками, необхідними для реалізації процесу

викладання основ нанотехнологій і нанонаук;   прагнення до творчої професійної діяльності;   готовність використання досвіду вчителів-новаторів щодо забезпечення якості освітнього процесу з основ нанотехнологій, навчальних досягнень, подальшої освіти і самоосвіти.

До інформаційно-технологічної складової ми відносимо:   вільне володіння основами проектування і здійснення

процесу навчання учнів основам нанотехнологій;   використання у своїй професійній діяльності сучасних (традиційних та інноваційних) освітніх технологій, інформаційних технологій, вимірювальних методик, що базуються на основі використання засобів нанотехнологій.

На наш погляд, розвиток наноосвіти в державі повинен розпочинатись за підтримки координуючої дії профільних ВНЗ та їх підрозділів, фінансової підтримки держави та діючих виробництв кожного регіону і, звичайно, з адаптування світового досвіду країн, які вже випускають конкурентоздатну продукцію нового – шостого технологічного укладу. Першочерговим завданням становлення нанотехнологічної освіти є створення та відповідне оснащення науково-освітніх нанотехнологічних центрів ВНЗ, що забезпечують підготовку, перепідготовку та підвищення кваліфікації фахівців. 

Одним із перспективних інструментів швидкого переходу України до шостого технологічного укладу є розробка професорсько-викладацьким складом профільних ВНЗ спільно з фахівцями- «виробничниками» окремих регіонів країни Дорожньої карти розвитку та комерціалізації нанотехнологій.

Перспективи подальших наукових досліджень вбачаємо у пошуку шляхів включення нанофізикотехнологічних знань у курси загальної та теоретичної фізики, які вивчаються в педагогічних університетах при підготовці майбутнього вчителя.

 

 

1.5. МЕТОДИЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ВИВЧЕННЯ

НАНОТЕХНОЛОГІЙ У ШКІЛЬНІЙ ФІЗИЧНІЙ ОСВІТІ

 

В. С. Іваній канд. техн. наук, професор, 

Ю. А. Ткаченко аспірант, вчитель фізики

 

Нанотехнології, як технічне впровадження сучасних досягнень цілого комплекса наук, є пріоритетним напрямком розвитку технологій XXI століття. Актуальність знань в області нанотехнологій, в тому числі і для школярів, диктується часом. Тому, підготовка майбутніх фахівців в галузі нанотехнологій повинна починатися зі школи і стати актуальним завданням освіти. Розвиток нанотехнологій відбувається досить швидко. У сучасних умовах науково-технічного прогресу знання про нанотехнології є актуальними, а формування цих знань у школярів є нагальною потребою сьогодення. Таким чином виникає суперечність між потребою формування уявлень про нанотехнології в учнів і недостатньою розробленістю питання у шкільній фізичній освіті.

Останнім часом проблема введення основ нанотехнологій у навчальний процес у загальноосвітніх закладах інтенсивно обговорюється на сторінках методичних та педагогічних часописів такими науковцями,      як     Л.А. Браян,        С. Далі,     Т.А. Комкіна,

А. Лакхтакі, Р. Монк, Дж. Мур, М. Роко, В. С. Семенов, Р. Хамерс, П. Шенк, Е. Н. Шигарева, М. Юнкер та ін. Аспектам розробки елективних курсів присвячені роботи вітчизняних (В. Кизенко,

       Л. Липова,      В. Малишев,      Ю.С.      Мельник,      Т. К. Полонська,

Н. С. Прокопенко, Ю. О. Дорошенко, І. О. Завадський, В. П. Пасько, В. В. Лапінський тощо) та російських вчених (А. Г. Каспржака, Н. А. Гужавіної, Д. С. Єрмакова, Г. Д. Петрової, Н. Савицької, Г. Сафонова та інших) 

Проте в теорії і методиці навчання фізики практично відсутні дослідження, що стосуються методичних аспектів формування в учнів знань про нанотехнології на елективних заняттях з фізики. Лише в окремих публікаціях розглядаються загальні питання нанофізики і нанотехнологій [106], гуманізації фізичної освіти в умовах нанотехнологічного розвитку [45].

Аналіз наукової літератури та педагогічного досвіду свідчать про те, що питання впровадження курсів за вибором з нанотехнологій в контексті реформування шкільної освіти залишається недостатньо обґрунтованим: не розкрита методика використання елективних курсів при вивченні нанотехнологій в основній школі; не має достатньої кількості програм елективних курсів призначених для учнів основної школи, методичних посібників, рекомендацій, додаткових матеріалів, матеріальнотехнічного забезпечення тощо.

Елективні курси – обов’язкові для вивчення навчальні предмети за вибором учнів, що реалізуються за рахунок шкільного компонента навчального плану. 

Метою елективних курсів з вивчення нанотехнологій в основній школі є формування інтересу до нової галузі знань, підвищення загальної фізичної культури учнів, оновлення змісту природничо-наукової освіти в школах з орієнтацією на підготовку кадрів для сучасної наноіндустрії.

Відповідно до мети можна виділити наступні завдання елективних курсів з основ нанотехнологій:

 поглиблення знань про фізичні явища та процеси;  знайомство учнів з об’єктами наносвіту та унікальними

властивостями наночастинок;  розкриття міждисциплінарного характеру нанотехнології;  ознайомлення     з        науковими         методами     дослідження

нанообєктів;  розвиток творчих здібностей, формування пізнавального інтересу до природничих дисциплін і, як наслідок, професійного самовизначення;   активізація пізнавальної діяльності школярів і мотивація

навчання;

                       підвищення          інформаційної          та          комунікативної

компетентності учнів;  побудова індивідуальної освітньої програми з вибором

змісту освіти в залежності від інтересів;  формування основ ціннісного ставлення до природи та

технічних досягнень цивілізації.

Елективні курси з фізики в області нанотехнологій можна поділити на такі типи:

1.        Предметні елективні курси, які спрямовані на поглиблення та розширення знань з фізики в галузі нанотехнологій. Наприклад, «Основи нанотехнологій», «Історія розвитку нанотехнологій», «Фізичні властивості нанообєктів» та ін.;

2.        Міжпредметні елективні курси – їх зміст виходить за рамки навчального предмету. Прикладами таких курсів можуть бути: «Нанобіотехнології», «Наноенергетика» та ін.

Елективні курси, зазвичай, носять авторський характер, тому при розробці елективного курсу рекомендуємо:

*  поділити на блоки зміст програми, розділи, теми і дати до

них погодинну розбивку;   з’ясувати можливості       методичного     і       матеріально-

технічного забезпечення вивчення пропонованого курсу; 

       

*  визначити тему, зміст, цілі та функції запропонованого

курсу;   зазначити основні види діяльності учнів, зокрема для

практикумів, лабораторних дослідів, експериментів;   визначити, через які форми роботи можна найповніше

реалізувати завдання курсу;   визначити, які освітні продукти мають бути створені

учнями як результат опанування курсу;   вказати список літератури для вчителів та учнів;   визначити критерії оцінювання знань з програми курсу [30].

Ефективність впровадження основ нанотехнологій в навчально-виховний процес школи залежить від вдалого вибору форм і методів навчання. При виборі форм та методів організації навчальних занять слід враховувати, насамперед, основну мету та завдання курсу. 

Форми організації курсу за вибором, в залежності від кількості учнів, можуть бути як фронтальні, групові, індивідуальні так і індивідуально-групові. Крім того, це можуть бути або традиційні уроки, лабораторні роботи, або інноваційні – творчі конкурси, захисти проектів, екскурсії на виробництво, виставки тощо.

Фронтальна форма організації навчання, в ході вивчення основ нанотехнологій, дає можливість вчителю керувати роботою всіх учнів, організовуючи їх співпрацю і визначаючи єдиний темп роботи. Така форма передбачає одночасну спільну роботу всіх учнів під керівництвом учителя для вирішення завдань визначених навчальною програмою курсу.

Групова форма організації навчання учнів в процесі вивчення курсу за вибором з основ нанотехнологій найбільш доцільна під час проведення лабораторних робіт та виконання проектів. Така форма роботи передбачає поділ школярів на групи для розв’язання подібних чи різних завдань. При цьому спільна робота активізує пізнавальну діяльність учнів та є більш результативною порівняно з самостійною роботою учня над завданням.

       

Індивідуальна форма організації навчання при вивченні нанотехнологій спрямована на самостійне виконання кожним учнем навчальних завдань з урахуванням індивідуального темпу навчально-пізнавальної діяльності. Перш за все, це завдання спрямовані на роботу з навчальною та довідковою літературою, Internet-джерелами інформації, на організацію спостережень та експериментів, написання рефератів. 

Ефективною є також індивідуально-групова форма організації навчання, коли кожен член групи виконує частину загального завдання. При цьому результат роботи спочатку обговорюється і аналізується в групі, а потім виносяться на розгляд всіх учнів.

Таким чином, оптимальне використання форм організації навчання учнів в рамках елективного курсу з вивчення нанотехнологій представляється як вміле поєднання індивідуальної, групової, фронтальної та індивідуально-групової навчальної роботи зі школярами.

Як зазначалося раніше, основною формою організації навчання на елективних курсах є урок. Цікавими для  викладання курсів за вибором з основ нанотехнологій є нестандартні уроки, для яких характерне таке поєднання змісту й форми, яке викликає пізнавальний інтерес в учнів і сприяє інтенсивному засвоєнню знань, формуванню вмінь і навичок, предметних компетенцій. До таких уроків можна віднести: ділову гру, круглий стіл, конференцію, урок відкритих думок,  урок-вікторину, урок-диспут, міжпредметний інтегрований урок, урок-мандрівку, урок-змагання тощо.

Крім уроку, традиційною формою організації вивчення елективу з фізики є лабораторні роботи. Позитивний аспект цих занять полягає в тому, що вони сприяють зв’язку теорії з практикою, формуванню в учнів навичок і вмінь користуватися лабораторним обладнанням, дослідницьких навичок, а також дають змогу створювати зразки, що містять нанорозмірні структури, проводити комплексні дослідження їх характеристик і властивостей, в тому числі на атомно-молекулярному рівні. Проте виконання лабораторних робіт ускладнюється відсутністю спеціального обладнання в школах.

Серед інноваційних форм організації навчальної діяльності учнів при вивчення курсів за вибором особливу увагу слід приділити творчим конкурсам, захистам проектів, екскурсіям на виробництво, виставкам тощо.

Конкурс зовсім не є забавою або легкою роботою для учня і вчителя. Він вимагає ретельної підготовки. Рекомендуємо проводити його по завершенні курсу як підсумкову перевірку  знань учнів.

Пропонуємо конкурси, які можна провести в ході вивчення елективного курсу з нанотехнологій в основній школі:

 конкурси на кращу модель чи макет;  конкурс рефератів («Нанотехнології в нашому житті», «Нанотехнології в медицині», «Нанотехнології та перспективи їх розвитку» тощо);  конкурс на кращий малюнок, плакат, що відображає нанорозмірні явища,       техніку,    сьогодення        і        майбутнє нанотехнологій.

Однією з форм організації навчання елективів з фізики в середній школі є навчальні екскурсії – це така форма навчання, при якій учні сприймають і засвоюють знання шляхом виходу до місця розміщення об’єктів, які вивчаються, і безпосереднього ознайомлення з ними [70]. Об’єктами екскурсій можуть бути наукові лабораторії, музеї, виставки, промислові підприємства тощо. У зв’язку з повільним впровадженням нанотехнологій в промисловість ефективною формою організації екскурсій стають віртуальні екскурсії.

Віртуальні екскурсії створюють в учнів відчуття присутності. Віртуальна екскурсія – це мультимедійна фотопанорама, в яку можна помістити відео, графіку, текст, посилання [115]. Віртуальні екскурсії є інтерактивними. Під час подорожі учень може наблизити або віддалити який-небудь об’єкт, детальніше розглянути його окремі частини тощо і все це учень може виконувати в зручному йому темпі та послідовності. Таким чином, під час екскурсії учні знайомляться з нанооб’єктами, їх властивостями, знайомляться з фізичними приладами і вимірювальними інструментами, які застосовуються в науководослідних нанолабораторіях і на виробництві.

Значну увагу слід приділити методам вивчення нанотехнологій на елективних курсах, які повинні сприяти становленню цілісного світогляду, формуванню нанограмотності, врахуванню індивідуальних особливостей та освітніх потреб учнів. До таких методів слід віднести метод проектів, інтерактивні методи, методи проблемно-пошукового і дослідницького характеру. 

Пріоритетними в навчанні є методи проблемно-пошукового та дослідницького характеру, які стимулюють пізнавальну активність учнів, ініціативність та позитивно впливають на розвиток їх творчих здібностей. 

Використання проблемно-пошукових методів при вивченні елективів з нанотехнологій сприяє формуванню в учнів самостійного мислення, вмінь самостійно здобувати знання, аналізувати і робити висновки. Коли вчитель створює проблемну ситуацію, в учнів з’являється інтерес, вони активно включаються в процес вирішення проблеми – все це сприяє кращому засвоєнню знань про нанооб’єкти, їх властивості тощо, причому більша частина навчального матеріалу засвоюється мимоволі.

Використання проблемно-пошукових методів навчання передбачає таку послідовність дій вчителя: створення проблемної ситуації (формулюється запитання, експериментальне завдання), організація колективного обговорення можливих варіантів вирішення проблемної ситуації, підтвердження правильності висновків, висунення готового проблемного завдання [8]. Учні, спираючись на попередній досвід і знання в галузі нанотехнологій, висловлюють припущення про шляхи розв’язання проблемної ситуації, узагальнюють набуті знання, виявляють причини нанорозмірних явищ, визначають найбільш доцільний варіант вирішення проблемної ситуації.

В ході вирішення поставлених проблем в учнів розвивається самостійностійне і нестандартне мислення, фантазія і творчі здібності.

Дослідницький метод в процесі вивчення нанотехнологій є основним методом здобуття досвіду наукової діяльності і характеризується високим рівнем самостійної пізнавальної активності учнів. Даний метод сприяє організації творчого засвоєння знань (передбачає застосовування набутих знань  при розв’язанні проблемних завдань в області нанонауки), забезпечує опанування методами наукового пізнання в процесі навчальної діяльності.

Виконання дослідницького завдання передбачає реалізацію певної послідовності дій учнів: збирання та аналіз інформації, самостійне формулювання проблеми та її розв’язання, перевірка отриманого результату й застосування нового знання на практиці.

При включенні дослідницької діяльності розвиваються дослідницькі здібності всіх учнів, у них формується дослідницька компетентність, вони вчаться мислити науково.

Однією з форм роботи з дітьми під час вивчення нанотехнологій є метод проектів. Метод проектів сприяє розвитку пізнавальних здібностей учнів, умінню самостійно формувати свої знання та орієнтуватися в області нанотехнологій, розвитку критичного мислення. 

Метод проектів завжди орієнтований на самостійність учнів – індивідуальну, парну, групову, – яку вони здійснюють упродовж певного часу; допускає можливість розв’язування певної проблеми; у ньому передбачається необхідність використання різноманітних методів, засобів навчання [106]. 

Створення проекту передбачає певну сукупність навчальнопізнавальних прийомів, що дозволяють розв’язати ту чи іншу проблему шляхом самостійних дій учнів з обов’язковою презентацією (викладенням) отриманих результатів. З іншого боку, ця технологія складається із сукупності дослідницьких, пошукових, проблемних методів, творчих за своєю суттю [106]. 

Навчально-пізнавальна діяльність школярів при виконанні проектів повинна мати відчутний результат. Перш за все, це формування в учнів системи знань та вмінь, а також компетенцій в області нанотехнологій. Крім того учні матимуть конкретний результат їх діяльності, який можна спостерігати та реалізувати в практичній діяльності.

Використання інтерактивних методів навчання при вивченні основ нанотехнологій сприяє включенню всіх учнів в процес засвоєння навчального матеріалу, вони вчаться співпрацювати, спілкуватися з іншими дітьми, критично мислити, приймати обґрунтовані рішення.

Залежно від мети заняття та форм організації навчальної діяльності учнів можна використовувати наступні інтерактивних методи: робота в парах, «Один-два-чотири – усі разом», «Змінні трійки», «Карусель», робота в малих групах, «Акваріум», «Мікрофон», «Мозковий штурм», «Навчаючи – вчуся», «Мозаїка», «Незакінчені речення», «Дерево рішень», метод «Прес», «Займи позицію», «Зміни позицію», «Безперервна шкала думок», дебати. 

Важливою умовою повноцінного оволодіння учнями знаннями, вміннями й навичками в області нанотехнологій є самостійна робота. Саме тому, слід значну увагу приділити організації самостійної роботи учнів з різними джерелами навчальної інформації. Одним з основних завдань вчителя є організація роботи учнів таким чином, щоб вони не тільки багато працювали самостійно, але і робили це з задоволенням.

Зокрема в процесі вивчення елективну з основ нанотехнологій доцільно включити наступні види самостійної роботи:

 складання кросвордів;  доповіді рефератів;

 складання розповіді за схемою або малюнком;  зображення фізичного явища;  написання опорного конспекту;  описання спостережень за навколишніми явищами;  аналіз фізичних ситуацій;

 формулювання гіпотези;  виділення однотипних явищ та їх порівняння;  виділення головного;  аналіз відповіді учня;  пояснення факту;

 висвітлення причинно-наслідкових зв’язків;  написання плану статті;  написання тезового плану і т.д.

В організації самостійної діяльності учнів у процесі  вивчення основ нанотехнологій провідне місце займає робота з методичною та науковою літературою. Варто зазначити,  що це переважно іншомовні видання. Тому важливим  етапом є організація роботи зі словником, що полегшить сприймання та розуміння учнями навчального тексту. Крім того, робота з навчальною літературою повинна обов’язково переслідувати певну мету, яка ставиться перед читанням підручника, параграфа, розділу тощо. Після читання параграфа чи розділу підручника учні повинні обов’язково висловити своє ставлення до прочитаного, дати свою характеристику, навести свої приклади тощо. Важливо, щоб учні змогли зіставити прочитане з тим, що вже знали.

При викладанні елективних курсів з основ нанотехнологій доцільно звернути увагу на використання інформаційнокомунікативних технологій.

Враховуючи методи навчання та види навчальної діяльності учнів на елективних курсах з нанотехнологій, пропонуємо такі основні напрями застосування інформаційно-комунікативних технологій: 

 підготовка дидактичних матеріалів; 

 мультимедійний супровід   заняття      (презентації, аудіозаписи,       відеоролики,     комп’ютерні      моделі       фізичних експериментів, онлайн-екскурсії); 

       

 використання програм-тренажерів (віртуальних фізичних лабораторій, віртуальних електронних мікроскопів), використання комп’ютерних        програм    для   моделювання    та      дослідження  реальних процесів;  проведення віртуальних лабораторних робіт; 

 аналіз та обробка школярами експериментальних даних

(побудова графіків та моделей, заповнення таблиць);   контроль рівня знань з використанням комп’ютерного

тестування.

Застосування ІКТ в процесі викладання основ нанотехнологій розширює можливості для творчості учнів, сприяє розвитку дослідницьких, інформаційних, комунікативних навичок учнів. 

Висновки. Основою розвитку нанотехнологій в Україні є навчання і підготовка високопрофесійних кадрів для цього нового напрямку науки і техніки. При чому, підготовка має починатися з шкільної освіти. Навчання основ нанотехнологій вже в шкільних програмах передбачається в перспективних документах  багатьох країн, що обумовлено необхідністю вибору професії учнем і подальшого навчання його у вузі, з базовою  підготовкою, яка відповідає сучасному рівню розвитку науки та промисловості. Аналіз перспектив та узагальнення досвіду розвитку наноосвіти в найбільш розвинених країнах призведе до скорочення відставання в цій сфері діяльності та створенню відповідних курсів, програм і центрів підготовки майбутніх фахівців у галузі наноіндустрії. Так, найбільш актуальним в умовах реформування шкільної фізичної освіти в Україні є досвід впровадження елективних курсів з вивчення нанотехнологій в школі. Це потребує створення програм елективних курсів з вивчення нанотехнологій призначених для учнів, методичних посібників, рекомендацій, додаткових матеріалів тощо.

       

1.6. МІСЦЕ НАНОТЕХНОЛОГІЙ У СТАНДАРТАХ

ЗАГАЛЬНОЇ СЕРЕДНЬОЇ ОСВІТИ ТА НАВЧАЛЬНИХ

ПРОГРАМАХ З ФІЗИКИ – ПЕРСПЕКТИВИ

ВПРОВАДЖЕННЯ

 

Пасько О.О. канд. пед. наук

 

Орієнтація процесу навчання на реалізацію тих пріоритетів в освіті, які визнані суспільством на даному етапі його розвитку, вимагає ознайомлення тих, хто навчається, з актуальними питаннями сучасної фізичної науки.

Термін «нанотехнології», справедливо вважають одним з ключових понять початку XXI століття, символом переходу до шостого технологічного укладу, що останнім часом невпинно впроваджується в економіки розвинених країн світу. Стрімкий розвиток нанотехнологій відкриває широкі перспективи розробки нових матеріалів, вдосконалення зв’язку, біотехнології, мікроелектроніки, енергетики, медицини та озброєння. Не дивно, що нині численні наукові установи в усьому світі займаються аналізом проблеми підготовки кадрів в області нанотехнологій. Лідерами у цій сфері на ринку освіти є США, Японія, Велика Британія, Німеччина, Франція та Данія [55]. Наприклад, в США, де роботи у сфері нанотехнологій оголошені найвищим пріоритетом, створені 11 навчальних наноцентрів, охоплених єдиною мережею обміну інформацією з підключенням до неї університетів. До системи наноосвіти залучено близько 500 університетів, приватних інститутів і лабораторій. У країнах ЄС створені понад 16 центрів, які, крім науково-дослідницьких робіт, займаються освітньою діяльність у галузі нанонауки та нанотехнологій. Більше того, функціонує безліч курсів підготовки магістрів, курсів аспірантського профілю та «молодших» курсів у вказаній області.

Входження України до шостого технологічного укладу, розвиток конкурентоздатних галузей може бути прискорений за рахунок адаптації світового досвіду підготовки кадрів для наноіндустрії, розробки та впровадження у заклади загальної середньої освіти та профільні ВНЗ новітніх методик вивчення питань, пов’язаних з розвитком нанонауки та нанотехнологій.

Як показує аналіз актуальних досліджень, в Україні практично відсутні методичні розробки з вирішення проблеми вивчення нанотехнологій в загальноосвітній школі, хоча це питання носить міжпредметний характер. Наприклад, у Росії доктором біологічних наук, кандидатом фізико-математичних наук К. Богдановим розроблена програма елективного курсу «Нанотехнології: коли розмір має значення» [12]. Цей курс розрахований на 34 години  (1 година на тиждень) та призначений для учнів 11 класу загальноосвітніх шкіл природничого та фізико-математичного профілів, федеральний компонент базового навчального  плану яких має 5 годин фізики на тиждень. Курс базується  на знаннях, отриманих учнями при вивченні фізики в основній  і середній школі.

Науково-методичне забезпечення навчального процесу передбачає передусім державні стандарти освіти, навчальні  плани, навчальні програми з навчальних дисциплін. Тому  розробка нормативних документів, які визначали б зміст освіти у галузі нанотехнологій, передусім Державних стандартів освіти, є вимогою часу. Впровадження таких стандартів дозволить задовольнити попит на відповідних фахівців та домогтися підвищення рівня їх підготовки. 

Доки державні вимоги не сформульовані, справедливо керуватися стандартизацією в області нанотехнологій.

Міжнародною організацією зі стандартизації (International Standards Organization) та Міжнародною електротехнічною комісією (International Electrotechnic Comission) створено два технічних комітети стандартизації – ISO/TC229 Нанотехнології (Nanotechnology) і IEC/TC113 Стандартизація нанотехнологій для електричних та електронних виробів і систем (Nanotechnology standardization for electrical and electronic products and systems) [191]. Названі міжнародні технічні комітети прийняли до використання  34 стандарти (3 з них стандарти затверджені остаточно, інші призначені для використання тимчасово). Ознайомитися з ними можна у Головному фонді Державного підприємства «Український науково-дослідний і навчальний центр проблем стандартизації, сертифікації та якості» або в ІПМ НАН України.

Аналіз навчальних програм з фізики [124] показує, що для формування цілісної картини світу і підготовки учнів до усвідомленого сприйняття принципово нового підходу до дослідження структури речовини, а також створення нових матеріалів, обсяг годин, що відводяться на знайомство школярів з об’єктами наносвіту під час викладання зазначених дисциплін, недостатній. Так, питання, пов’язані з нанотехнологіями у шкільному курсі фізики розглядаються лише у межах узагальнюючих занять в 11 класі. На їх проведення на профільному рівні відведено загалом – 4 години, на академічному – 2, на рівні стандарту – не передбачено взагалі. Під час цих занять, поряд з узагальненнями, пов’язаними з формуванням фізичної картини світу, заплановано ознайомлення учнів із сучасними уявленнями про будову речовини, сучасними методами її дослідження, а також з поняттями «нанокомпозити» і «нанотехнології». Поряд із цим, у програмних вимогах до рівня загальноосвітньої підготовки школярів відсутні конкретно сформульовані результати навчання щодо основних понять нанонауки, лише абстрактно вказано: «… в учнів формуються сучасні уявлення про будову речовини…» та «…усвідомлюють роль фізичного знання… у створенні нової техніки і наукомістких технологій». 

Одним із можливих варіантів часткового вирішення вказаної проблеми, може бути включення у процес навчання дисциплін освітньої галузі «Природознавство», зокрема й фізики, окремих питань з нанотехнологій, пов’язаних з тим навчальним матеріалом, який у даний момент вивчається. Наприклад, під час вивчення явища змочування у курсі фізики загальноосвітньої школи школярам повідомляють про існування явища самоочищення листків деяких рослин, названого «ефектом лотосу» на честь цієї рослини. Після цього учням пояснюють особливості будови поверхні листка, наявність на ній наноструктур, пояснюють деякі їх властивості. Зважаючи на позитивні особливості такого підходу, все ж необхідно зазначити, що основним недоліком вказаного способу ознайомлення учнів з нанотехнологіями є неминуча фрагментарність знань школярів, відсутність саме цілісних уявлень про наномасштаб та характерні для нього явища, а отже, несформованість повної сучасної наукової картини світу. 

Інший варіант вирішення зазначеної проблеми полягає у розробці та впровадженні у навчальний процес основ нанотехнологій у формі елективних курсів. Найефективнішим проведення цього курсу було б у ІІ семестрі 11 класу, коли школярі вже мають відповідні знання з фізики, біології та хімії.

Державним стандартом базової і повної середньої освіти [33] визначено, що формування змісту освіти має здійснюватися на основі компетентнісного підходу. Державні вимоги до результатів навчання подано у «Критеріях оцінювання навчальних досягнень учнів в системі загальної середньої освіти» [78], [124]. 

Основоположними категоріями компетентнісного підходу є поняття «компетенція» та «компетентність». Освітня компетенція є сукупністю взаємозв’язаних смислових орієнтацій, знань, умінь, навичок і досвіду діяльності учня відносно певного кола об’єктів реальної дійсності, необхідних для здійснення особистісно і соціально значущої продуктивної діяльності.

Предметні компетенції в області основ нанонауки та нанотехнологій мають складатися із систем істотних ознак понять про компоненти змісту цього навчального предмета і систем дій, з яких складається діяльність щодо застосування змісту понять до конкретних ситуацій. 

Предметні компетентності − визначають те, що учень знає (системи істотних ознак основних понять нанонауки), розуміє (здатний встановлювати відповідність між істотними ознаками понять та істотними властивостями предметів і явищ наносвіту, зв’язками між істотними ознаками понять й істотними властивостями зазначених нанооб’єктів), уміє користуватися поняттями нанонауки у конкретних ситуаціях, зокрема під час розв’язування задач, виконання проектів. 

Зазвичай у шкільних програмах для загальноосвітніх навчальних закладів поряд зі змістом «навчального матеріалу» визначають предметні компетентності для відповідного розділу навчального предмета. При цьому використовуються такі ключові слова: «За результатами вивчення розділу учні: знають…, розуміють…, здатні пояснити…, вміють утворювати…, вміють класифікувати…, вміють розрізняти…, вміють складати…, знають способи вимірювання…, володіють експериментальними способами визначення…, володіють експериментальними способами дослідження…, вміють зображувати…, здатні будувати…, здатні аналізувати…, можуть розв’язувати задачі» [124]. 

Таким чином, наявні у школярів предметні компетентності і є їх навчальними досягненнями.

Виходячи з вище викладеного, однією з найперших вимог до впровадження у навчальний процес основ нанотехнологій є структурування змісту цього навчального предмета. Тому,  перш за все, необхідно виокремити базові одиниці навчального змісту та встановити їх змістове наповнення. Виокремлені  одиниці навчального змісту будуть визначати предметні компетенції учня у галузі нанотехнологій як наперед задані норми в його освітній підготовці.

Генеральною лінією розвитку змісту курсу з основ нанотехнологій можна назвати таку послідовність: знайомство  з ключовими поняттями нанотехнологій (нанооб’єкт,  наноматеріал) – способами використання сучасних методів аналізу  структури речовини – з’ясування перспектив використання продуктів нанотехнологій.

Виходячи з вищезазначеного, в основі конструювання змісту навчальної дисципліни можна виокремити такі блоки. 

Блок 1. Основні поняття.

Нанооб’єкт: наночастинка, нанопластинка, нановолокно (нанодріт, нанотрубка, нанострижень). Вуглецеві нанооб’єкти: фулерени та вуглецеві нанотрубки. Наноструктурний матеріал наноструктурний порошок, нанокомпозит, тверда нанопіна, нанопористий матеріал, рідка нанодисперсія.

Учні повинні: знати означення нанооб’єктів та наноматеріалів; розуміти вплив структури наноматеріалів на формування їх унікальних властивостей – фізичних, хімічних, механічних; вміти класифікувати нанооб’єкти та наноструктурні матеріали.

Блок 2. Методи аналізу структури та властивостей наноматеріалів.

Електронна мікроскопія. Скануюча зондова мікроскопія. Атомно-силова мікроскопія. Скануюча оптична мікроскопія ближнього поля. Магнітно-силова мікроскопія.

Учні повинні: знати основні сучасні методи дослідження структури речовини; розуміти будову та принцип роботи наукових приладів (електронного мікроскопа, мас-спектрометрів тощо); здатні пояснити фізичні явища і закономірності, на яких ґрунтується кожен метод.

Блок 3. Перспективи практичного застосування нанотехнологій.

Нанотехнології у матеріалознавстві. Мікроелектроніка. Фотоніка. Нанобіотехнологія і медицина. Нанотехнології в машинобудуванні. Нанотехнології в енергетиці. Застосування нанотехнологій в будівництві. Нанотехнології в системах безпеки та у військовій галузі.

Учні повинні: знати напрямки застосування нанотехнологій; мати уявлення про сучасний стан застосування нанотехнологій у різних галузях; розуміти перспективи розвитку нанотехнологій; знати основні напрями діяльності українських науковців у сфері нанотехнологій; орієнтуватися у навчальних закладах, де можна здобути кваліфікацію фахівця з нанотехнологій.

Для забезпечення повноцінної експериментальної складової підготовки випускників загальноосвітніх навчальних закладів, враховуючи рівень їх матеріального забезпечення, при провідних вищих навчальних закладах мають бути створені центри колективного користування сучасним обладнанням для проведення навчального експерименту зі школярами та педагогами.

Водночас, вивчення основ нанотехнологій в загальноосвітніх навчальних закладах має грунтуватися на досягнутому рівні інформатизації та комп’ютеризації освіти. Предметом подальших досліджень може стати розробка варіантів застосування спеціалізованих комп’ютерних програм для моделювання та візуалізації нанооб’єктів.

Результатом впровадження елективних курсів з основ нанотехнологій, поряд з формуванням предметних компетентностей, має стати зацікавленість школярів даною проблематикою, сформовані уявлення про фундаментальну єдність природничих наук та незавершеність пізнання в області природознавства, усвідомлення ролі нанотехнологій у подальшому його розвитку.

Таким чином, запровадження у навчальний процес загальноосвітніх та вищих навчальних закладів нових міждисциплінарних курсів, пов’язаних з розвитком нанотехнологій сприятиме задоволенню суспільного попиту у кваліфікованих фахівцях в галузі нанотехнологій. 

 

 

1.7. ВИКОРИСТАННЯ ІНФОРМАЦІЙНО-

КОМУНІКАТИВНИХ ТЕХНОЛОГІЙ У ПРОЦЕСІ

ВИКЛАДАННЯ НАНОТЕХНОЛОГІЙ

 

Мороз І.О. докт. пед. наук, проф.,

Ткаченко Ю.А. аспірантка, вчитель фізики 

 

Оновлення змісту природничо-математичної освіти має відбуватися шляхом включення новітніх напрямків розвитку науки і техніки в навчальні програми загальноосвітніх навчальних закладів, зокрема нанотехнологій. Інтеграція основ нанротехнологій в курс шкільної фізики, в свою чергу, вимагає оновлення матеріально-технічної бази та впровадження нових інформаційних технологій. Запровадження освітніх інновацій сприятиме інформатизації освіти, задоволенню освітніх потреб учнів, підготовці молодого покоління до життєдіяльності в нанотехнологічному суспільстві.

Використання інформаційно-комунікативних технологій при вивченні фізики в даний час є актуальним і широко висвітлюється обговорюється на сторінках науково-методичних та педагогічних часописів. Зокрема, Кадченко В. М. та Біла К. О. зазначають, що ІКТ сприяють формуванню позитивної мотивації до вивчення предмета [50]. Іваницький О. І., Ковальова В. М. розглядають інформаційно-комунікативні технології як засіб управління навчальною діяльністю учнів [44]. Федоров А. В. та Шарко В. Д. розглядають комп’ютер, як засіб створення віртуальних фізичних лабораторій [121]. А. Н. Петриця та С. П. Величко вказують на ефективність застосування віртуального фізичного експерименту, що не тільки моделює об’єкт вивчення, а й допомагає учням досліджувати закономірності перебігу явищ і процесів [89]. Значущість ІКТ для формування інформаційної та предметної компетентностей учнів розглядають в своїх працях Баловсяк Н. В. та Пінчук О. П. [91]. Шарощенко В.С. вказує на необхідність формування в майбутніх вчителів навичок застосування ІКТ  при викладанні нанотехнологій [132]. Необхідність використання інформаційно-комунікативних технологій при вивченні  предметів природничо-математичного циклу зазначається і в державних документах, таких як Національна доктрина  розвитку освіти, Державна національну програма «Освіта» («Україна XXI століття») тощо.

Інформаційно-комунікативні технології навчання – це, перш за все, педагогічна технологія, що спрямована на підвищення результативності навчання за умов використання інформатичного продукту педагогічного призначення у навчально-виховному процесі [118, 102].

Під інформатичним продуктом розуміють штучний інформаційний об’єкт певного призначення, створений за допомогою комп’ютера та комп’ютерних комунікацій за певними вимогами (стандартами) та певними правилами (технологіями). Інформатичні продукти за їх використанням можна умовно поділити на: 

− інформатичні продукти, які використовуються без участі комп’ютера (тексти, розрахунки, зображення); 

− інформатичні продукти, для використання яких потрібен комп’ютер (комп’ютерні моделі, анімації, відеоролики, вебальбоми, веб-журнали, сайти, веб-енциклопедії тощо);

− професійні комп’ютерні продукти (системне та прикладне програмне забезпечення).

На думку О. Пінчук використання ІКТ у навчанні фізики забезпечує: 

 можливість використовувати широке коло інформаційних

джерел різного спрямування;   формування інформаційної грамотності та інформаційної

компетентності учнів;   оволодіння інформаційними технологіями як інструментом

майбутньої професійної діяльності та загальної культури  сучасної людини. 

Враховуючи міждисциплінарний характер нанотехнологій, методи дослідження нанооб’єктів, форми організації навчальної діяльності (традиційні уроки, віртуальні лабораторні роботи, творчі конкурси, захисти проектів, екскурсії на виробництво, науковотехнічні виставки тощо) та методи навчання (метод проектів, інтерактивні методи, методи проблемно-пошукового і дослідницького характеру) при вивченні основ нанотехнологій в основній школі, вважаємо, що організація занять повинна здійснюватися на основі особистісно-діяльнісного підходу до процесу навчання. Цей підхід передбачає, зокрема, врахування індивідуальних можливостей і потреб учнів, збільшення частки самостійної роботи з різними джерелами інформації. Реалізація цих вимог можлива із застосуванням інформаційно-комунікативних технологій (ІКТ).

Враховуючи методи навчання та види навчальної діяльності учнів, що практикуються під час викладання елективних курсів із фізики та зокрема нанотехнологій, пропонуємо такі основні напрями застосування інформаційно-комунікативних технологій: 

 підготовка друкованих роздаткових матеріалів;   візуалізація нанотехнологічних процесів з використанням технологій       мультимедіа      (презентації,      навчальні відео-        та аудіоматеріали, комп’ютерні моделі фізичних експериментів);   унаочнення змісту задачі (анімовані та статичні ілюстрації,

моделі);  інтерактивне навчання в індивідуальному режимі;   використання систем віртуальної реальності (віртуальних фізичних лабораторій), моделюючих програм для візуалізації та дослідження реальних нанотехнологічних процесів;  виконання комп’ютерних лабораторних робіт;   обробка, аналіз і узагальнення результатів досліджень чи спостережень (побудова таблиць, графіків, написання звітів, підготовка доповідей, рефератів);   організації       централізованого,      більш        об’єктивного

моніторингу якості знань учнів з використанням тестових завдань;   використання пошукових, інтерактивних та інформаційних

можливостей інтернет-ресурсів як вчителем, так і учнями.

При викладанні основ нанотехнологій найпоширенішою формою застосування ІКТ є мультимедіа презентація. Цей вид супроводу заняття дозволяє акцентувати увагу на найголовніших елементах досліджуваного матеріалу, включити анімації та відеофрагменти. Крім того мультимедіа-презентації застосовуються учнями, при виступі з доповідями та повідомленнями або при захисті дослідницьких робіт, проектів.

В процесі викладання нанотехнологій можна широко застосовувати комп’ютерні моделі – комп’ютерні програми,  що імітують фізичні досліди, явища, нанотехнологічне  обладнання. Комп’ютерна модель дозволяє управляти поведінкою нанооб’єктів на екрані комп’ютера, змінюючи величини числових параметрів, закладених в основу відповідної математичної моделі. Деякі моделюючі програми дають змогу паралельно з ходом експерименту будувати графіки залежностей фізичних величин,  що описують спостережуваний процес чи явище. Цінність  таких моделюючих програм полягає у можливості попередження помилок, які учні часто допускають при побудові та  читанні графіків. 

Можна виділити наступні види завдань для учнів, що працюють з комп’ютерними моделями: 

*   комп’ютерні експерименти та експериментальні завдання для вирішення яких необхідно спланувати і поставити відповідний віртуальний експеримент); 

*   розрахункові     задачі        з        подальшою        комп’ютерною перевіркою (учням пропонується завдання, які спочатку необхідно виконати в зошиті, а потім перевірити отриману відповідь, поставивши віртуальний експеримент);   завдання з відсутніми даними (при вирішенні таких завдань учень повинен з’ясувати, якого саме параметра не вистачає для вирішення     завдання, розв’язати          і        перевірити       розв’язок за допомогою комп’ютерної моделі );   творчі       завдання   (в      рамках      даного       завдання   учню пропонується самостійно скласти завдань, вирішити його, а потім перевірити правильність отриманих результатів за допомогою віртуального середовища);   дослідницькі завдання в ході яких необхідно спланувати і провести ряд віртуальних експериментів для підтвердження чи спростування певної гіпотези;   проблемні завдання (за допомогою віртуальних моделей демонструються проблемні ситуації,  ситуації, які приводять учнів до суперечності, а потім пропонується самостійно з’ясувати їх причину, використовуючи комп’ютерні моделі).

Інтернет використовується для пошуку необхідної інформації при підготовці вчителя до заняття і в навчально-дослідницькій діяльності учнів. Існує ряд освітніх сайтів, де зібрана, інформація про історію розвитку, сучасні досягнення та перспективи нанонауки. Використовуючи доступні інформаційні ресурси електронних енциклопедій учні можуть переглянути різні енциклопедичні та довідкові статті, інтерактивні додатки, ілюстрації, відеофрагменти, цікаві факти і т. ін..

Вивчення нанотехнологій важко уявити без лабораторних робіт. На жаль, в наш час матеріально-технічний стан більшості шкіл та оснащення фізичних кабінетів не дозволяє проводити лабораторні роботи по дослідженню нанообєктів та наноматеріалів. Одним із можливих шляхів вирішення даної проблеми є використання персонального комп’ютера. 

На сьогодні існують спеціально розроблені навчальнометодичні комплекси доступні в режимі онлайн, наприклад, «Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях»

(http://nanomodel.ru),                 «Исследование               наноматериалов»

(http://nanoscience-edu.sfedu.ru), NTSE Virtual Lab (http://vlab.ntsenanotech.eu), Virtual Science Lab (http://www.virlab.virginia.edu) тощо.

Навчально-методичний програмний комплекс «Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях» призначений для використання в навчальному процесі навчальних закладів для підтримки окремих освітніх програм, проведення дистанційного навчання, а також в якості віртуального лабораторного практикуму з нанотехнологій. Комплекс являє собою платформу з веб-інтерфейсом, в яку інтегровані програми і візуалізатори, призначені для моделювання та розрахунку фізикохімічних властивостей структур і процесів, що відбуваються на нанорівні. Комплекс включає навчально-дослідницьку програму «Наноконструктор», яка призначена для навчання користувачів основним принципам комп’ютерного моделювання наноструктур і наноматеріалів, закономірностям утворення наноструктур в залежності від фізичних параметрів. Використовуючи різні режими роботи програми, користувачі отримують навички конструювання різних типів наноструктур і наноматеріалів; моделювання процесів, що відбуваються на нанорівні; порівняльного аналізу змін будови наноструктур в залежності від параметрів зовнішнього середовища.

Інтерактивний комплекс «Исследование наноматериалов» по дослідженню наноматеріалів на базі багатофункціонального обладнання включає наступні основні компоненти:

*      інтерактивний навчально-науковий комплекс,          що

функціонує в режимі віддаленого доступу, на базі електронноіонного скануючого мікроскопа і рентгенівського фотоелектронного мікрозонда для дистанційного навчання та проведення наукових досліджень в режимі реального часу;  мережевий мультимедійний навчально-науковий комплекс, що містить інтерактивні програмні симулятори наукоємного обладнання та віртуальні лабораторні роботи з реалістичним графічним 3D-поданням, методичні матеріали та електронні навчальні посібники з блочно-модульною побудовою  і тестуванням;

*      інформаційну   систему,   що    включає    базу даних експериментальних          результатів,       що    дозволяє   здійснювати зберігання, пошук, систематизацію, редагування і поповнення експериментальних даних.

Інтерактивний комплекс ««Исследование наноматериалов» реалізований як багатофункціональний веб-ресурс портального типу. Пропоновані сервіси охоплюють потреби як процесу активного дистанційного навчання, так і дослідних робіт,  які виконуються за допомогою універсальної системи  віддаленого доступу до різного географічно розподіленого наукомісткого обладнання.

Нанотехнологічна наукова освітня віртуальна лабораторія (NTSE Virtual Lab) є платформою для викладання уроків, базою навчальних матеріалів та науково-освітнім центом проведення нанотехнологічних експериментів. До складу віртуальної лабораторії входить Nano-Science Center, який дає можливість вчителям та учням бути в курсі сучасних досягнень нанотехнологій.

Віртуальна наукова лабораторія університету Вірджинії (Virtual Science Lab) використовує програмне забезпечення для візуалізації передових досягнень науки і техніки, що впливають  на наше повсякденне життя. Це програмне забезпечення  дозволяє проникнути всередину об’єктів, щоб побачити поля і сили, або збільшити такі крихітні частинки предметів, як атоми чи електрони. Зокрема учні мають змогу ознайомитися з будовою та принципом дії сканую чого тунельного мікроскопа та атомносилового мікроскопа.

Проте, недоліком зазначених навчально-методичних комплексів є те, що вони не адаптовані на українську мову. Таким чином, учням, які не володіють російською та англійською мовами буде досить складно працювати з представленими веб-ресурсами.

На етапі визначення рівня навчальних досягнень учнів можливе використання контролюючих програм. Сучасні комп’ютерні технології дозволяють використовувати різноманітні навчальні програми з фізики, які дають можливість вирішувати задачі з інтерактивним вибором відповіді і розбором рішення, виконувати цікаві тести в картинках, перевіряти свої знання і т.п. Вчитель може самостійного створювати перевірочні роботи, які містять питання в тестовому вигляді.

Варто відзначити наступні аспекти реалізації освітнього потенціалу ІКТ в процесі викладання нанотехнологій:

 підвищення мотивації процесу навчання;  активізація роботи учнів на уроці.

 диференціація та індивідуалізація освітньої траєкторії;  додаткові можливості створення проблемних ситуацій;  систематизація процесу навчального пошуку;  швидка діагностика результативності процесу навчання;  підвищення наукового рівня представлення матеріалу;  можливість різного представлення інформації про одне й те

ж фізичне явище чи процес;  набуття навичок самостійного моделювання процесів 

і явищ;

                       моделювання     процесів,     які     неможливо     або     важко

відтворити в реальному експерименті;

 додаткові можливості наочності;  розширення діапазону досліджень;

 скорочення часу на виконання рутинних робіт (оформлення

та обробка результатів).

Застосування ІКТ в процесі викладання нанотехнологій розширює можливості для творчості учнів, сприяє розвитку дослідницьких, інформаційних, комунікативних навичок учнів, поглибленню знань про досягнення та перспективи розвитку нанотехнологій. Навчання стає більш індивідуалізованим. 

Отже, інформаційно-комунікаційні технології дають змогу детальніше ознайомити учнів з нанооб’єктами, наноматеріалами та їх властивостями, з сучасними експериментальними засобами дослідження об’єктів нанометрового діапазону, суттєво підвищити ефективність навчального процесу, орієнтованого на формування навичок самостійної роботи з навчальним матеріалом, уміння планувати виконання дослідницьких завдань, аналізувати отримані дані, робити висновки та оцінювати результати. Крім того, використання інформаційно-комунікативних технологій у процесі викладання нанотехнологій є засобом формування інформаційної компетентності учнів. 

Перспективи подальших наукових розвідок вбачаємо в створенні україномовного навчально-методичного комплексу для вивчення нанотехнологій доступного в режимі онлайн.

 

 

1.8. МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ ЕЛЕКТИВНОГО КУРСУ

«ОСНОВИ НАНОТЕХНОЛОГІЙ» У ЗАГАЛЬНООСВІТНІХ

НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДАХ

 

О.О. Пасько, канд. пед. наук

 

Входження України в загальноєвропейський освітній простір потребує пошуку та впровадження у навчальний процес сучасних наукових досягнень, зокрема з нанонауки та нанотехнологій.

Усвідомлення провідними країнами світу ролі цих напрямів у розвитку чи не кожної галузі економіки привело до визнання їх найвищими національними пріоритетами. У межах їх реалізації були затверджені спеціальні програми підготовки кадрів, на фінансування яких виділялися значні кошти. Так, у країнах ЄС, починаючи з 1998 року, створені 16 центрів, які займаються освітою в області нанотехнологій. У той же час, в США створено 11 наноцентрів, до яких залучено близько 500 університетів, приватних інститутів і лабораторій. 

Україна не може стояти осторонь процесів становлення й розвитку нанотехнологій. Однак, значний прорив у нову область науки і техніки неможливий без підготовки наукових та професійних кадрів у даній галузі. Отже, сьогодні є реальна потреба у розробці та впровадженні у навчальний процес, починаючи із загальноосвітніх навчальних закладів, адаптованих навчальних курсів з основ нанотехнологій. Відповідно, у процес підготовки майбутнього вчителя фізики доцільно включити питання, пов’язані з вивченням нанооб’єктів, наноматеріалів  та нанотехнологій загалом. Водночас, з метою вдосконалення методичної підготовки працюючих педагогів, набуває 

актуальності створення відповідних програм для курсів підвищення кваліфікації вчителів.

Вирішити зазначену проблему можливо шляхом розробки та впровадження у навчальний процес основ нанотехнологій у формі елективного курсу. Колективом викладачів кафедри фізики та методики навчання фізики СумДПУ імені А. С. Макаренка розроблений елективний курс «Основи нанотехнологій» для учнів старшої школи загальноосвітніх навчальних закладів. 

Міждисциплінарний курс «Основи нанотехнологій», спрямований на розв’язання протиріччя, яке існує нині між новими потребами суспільства у кваліфікованих фахівцях у галузі нанотехнологій та змістом традиційної системи освіти. Курс має на меті ознайомлення молодого покоління із сучасними досягненнями науки у галузі нанонауки та нанотехнологій. 

Серед основних завдань курсу можна виділити такі: 

          розширити уявлення школярів про фізичну картину світу на прикладі знайомства з властивостями нанооб’єктів; 

          познайомити учнів з історією виникнення нанотехнологій; 

          сформувати поняття «нанооб’єкт», «наноматеріал»; 

          сформувати       уявлення про   унікальні властивості

наноматеріалів та їх застосування; 

          познайомити учнів з методами створення нанооб’єктів; 

          ознайомити з основними інструментами дослідження

нанооб’єктів та наноматеріалів; 

          сформувати уявлення про практичне значення розвитку нанотехнологій для електроніки, космічної техніки, комп’ютерної техніки, військової справи тощо; 

          знайомство учнів з перспективами розвитку нанотехнологій і пробудження в них зацікавленості до реалізації власних зусиль в галузі нанотехнологій.

Головним результатом вивчення відповідної дисципліни, поряд із формуванням освітніх компетентностей, має стати посилення інтересу школярів до даної проблематики, розвиток їх прогресивного наукового мислення, сприяння формуванню уявлень про фундаментальну єдність природничих наук, перспективи їх подальшого розвитку у контексті розвитку нанотехнологій [185]. 

Однією з найперших вимог до впровадження у навчальний процес основ нанотехнологій є структурування змісту відповідної навчальної дисципліни. Складовою інформаційно-аналітичної підготовки старшокласників в області нанотехнологій мають  стати: 1) знання ключових понять нанотехнологій (нанооб’єкт, наноматеріал); 2) розвиток умінь і навичок використання  сучасних методів аналізу структури речовини; 3) розуміння перспектив використання нанопродуктів в різних галузях науки  і виробництва [88].

Зміст елективного курсу «Основи нанотехнологій» наведено схематично на рисунку 6.

       

Рис. 6. Зміст курсу «Основи нанотехнологій»

 

Відповідно, логіка побудови курсу буде розгортатися таким чином. Для формування у старшокласників цілісних уявлень про наномасштаб, нанооб’єкти і наноматеріали, вивчення основ нанотехнологій доцільно розпочати із запитання: «Що розуміють під популярним у даний час поняттям нанотехнології?» Аби отримати відповідь на це питання, необхідно, 1) визначити положення нанооб’єктів на шкалі розмірів, 2) виділити суттєві ознаки нанооб’єктів та наноматеріалів і 3) дати визначення нанотехнологіям. 

Після цього школярам пояснюють, що префікс «нано» позначає одну мільярдну частину. Тобто один нанометр (1 нм) – одна мільярдна доля метра. У міліметрах (тисячних долях метра) відлічуються поділки на шкільній лінійці. Найменші структури, які можна спостерігати в оптичний мікроскоп, – це клітини, їх органи та невеликі бактерії, лінійний розмір яких становлять мікрометри (мільйонні долі метра). Сотнями нанометрів обчислюються розміри вірусів, десятками – великі білкові молекули. Прості молекули вимірюються одиницями нанометрів, атоми – десятими частинами.

Таким чином, у наномасштабі прийнято вимірювати розміри тіл, що містяться у діапазоні від атомів до вірусів (0,1-100 нм).

Далі, говорячи про наномасштаб, необхідно з’ясувати, який фізичний зміст поняття «нанооб’єкт» і чому його варто виділяти окремою дефініцією.

При цьому важливо, щоб учні засвоїли, що особливістю наноматеріалів є притаманні їм властивості, що відрізняються від тих, які пов’язані з окремими атомами, молекулами або сипучими матеріалами. Тому перехід від «мікро-» до «нано-» – вже не кількісний, а якісний – стрибок від маніпуляції речовиною до маніпуляції окремими атомами. 

Виходячи з цього, перед учнями доцільно поставити запитання: що відбувається з властивостями об’єктів у наномасштабі? 

Аби знайти відповідь на поставлене запитання, школярам пропонують провести уявний експеримент [90]. Виберемо тривимірний, об’ємний, зразок якого-небудь матеріалу, наприклад, однорідний кристал. Нехай це буде куб з довжиною ребра 1 см. Цей зразок має певні фізичні властивості, що не залежать від його розмірів. Поблизу зовнішньої поверхні куба властивості можуть відрізнятися від відповідних властивостей в об’ємі, однак частка поверхневих атомів мала, і тому внеском поверхневої зміни властивостей можна знехтувати. Тепер розділимо куб навпіл –  дві його сторони залишаться незмінними, а одна, нехай це буде висота d, зменшиться у 2 рази. Чи зміняться властивості зразка?  Ні не зміняться. Повторимо цей експеримент ще раз.  Отримаємо аналогічний результат. Неодноразово повторюючи експеримент, ми нарешті отримаємо деякий критичний розмір d*, нижче якого спостережувана властивість почне залежати від розміру d. Чому так відбувається? 

Відбувається це тому, що при зменшенні розміру частинок частка атомів, розташованих на поверхні збільшується. Поверхневі явища добре відомі школярам – це поверхневий натяг, капілярні явища та змочування. Уся сукупність цих явищ обумовлена тим, що сили взаємодії між частинками, з яких утворене тіло, не скомпенсовані на його поверхні, а отже, властивості «поверхневих» атомів відрізняються від властивостей атомів в об’ємі. Оскільки у нанооб’єктів кількість поверхневих атомів різко збільшується,  то їх внесок у властивості цих об’єктів стає визначальним. Тобто, при dd* доля вкладу поверхневих атомів у властивості об’єкту стає істотною та продовжує зростати з подальшим зменшенням d. Саме це і є однією з причин прояви нових властивостей на нанорівні (іншою причиною зміни властивостей є те, що на цьому розмірному рівні починає вже виявлятися дія законів квантової механіки). Отже, найістотнішою і найважливішою властивістю наночастинок, основною відмінністю їх від мікро- і макрочастинок є поява у них принципово нових властивостей, які не виявляються при інших розмірах.

Природно, що критичний розмір d* для різних матеріалів, і навіть для одного матеріалу, може істотно відрізнятися в залежності від того, яку з властивостей досліджують в експерименті. Однак виявляється, що величина d* знаходиться приблизно в інтервалі 1-100 нм. 

Таким чином, можна ввести ключове поняття нанотехнології – нанооб’єкт – це об’єкт, у якого dd* щонайменше в одному вимірі. 

У стандарті [191] представлено два основних нанооб’єкти: наночастинка (нанооб’єкт з усіма трьома зовнішніми розмірами у наношкалі) і нанопластинка (нанооб’єкт з одним зовнішнім розміром у наношкалі і двома іншими значно більшими зовнішніми розмірами), а також нанооб’єкти – нанодріт, нанотрубка, нанострижень, які об’єднуються загальним терміном «нановолокно» – нанооб’єкт з двома найменшими зовнішніми розмірами у наношкалі і третім значно більшим розміром. 

Наступними важливими поняттями нанонауки є наноматеріал – матеріал принаймні з одним зовнішнім розміром, у наномасштабі та наноструктурний матеріал – матеріал, який має внутрішню або поверхневу наноструктуру. Варто підкреслити, що особливістю наноматеріалів є притаманні їм властивості, що відрізняються  від тих, які пов’язані з окремими атомами, молекулами або сипучими матеріалами. 

                   Школярам       необхідно       пояснити,       що        найпростішим

наноматеріалом можуть бути фрагменти речовини, подрібнені  до нанорозмірного стану або отримані іншим фізичним  чи хімічним способом.

Враховуючи той факт, на момент вивчення основ нанотехнологій в учнів часто вже сформовані побутові тлумачення даного поняття. На ґрунті цього, у школярів природно, створюється стійке переконання, що об’єкти наномасштабу – продукт науковотехнічного прогресу людства. Переконати вихованців у неточності цих уявлень можна, наводячи приклади об’єктів природного походження, які відповідають визначенням нанооб’єктів, наноматеріалів і нанотехнологій. Приміром, явище самоочищення листя деяких рослин (лотосу, кактуса, капусти, очерету, тюльпана), детально досліджене вченими на прикладі лотосу та назване на його честь «ефектом лотосу», пояснюється існуванням наноструктур на їх поверхні. Саме тому останнім часом проводяться інтенсивні дослідження щодо розробки та виробництва самоочищувальних або стійких до забруднення виробів та покриттів на основі «ефекту лотосу».

Далі важливо вказати, що нанотехнології є не лише предметом сьогодення – те, що сьогодні називають нанотехнологіями людина давно використовувала у своєму житті. Один з найбільш  яскравих прикладів – це різнокольорове скло – у середні віки металевий нанопил часто додавали у скло для виготовлення вітражів. Варіації забарвлення скла залежали від природи використовуваного металу та розміру його частинок. Яскравим прикладом виробу того часу є давньоримський Кубок Лікурга, що змінює колір у залежності від освітлення.

Відтак, закономірно виникає наступне запитання: хто ж першим використав термін «нано-» у його сучасному розумінні? При цьому учнів знайомлять з історією розвитку нанотехнологій, акцентуючи увагу на ключових фактах та постатях. Зокрема, школярам розповідають про лекцію Ричарда Фейнмана 

«Там внизу – незліченно багато місця»; про створення скануючого тунельного мікроскопа; про відкриття нового класу з’єднань – фулеренів; відкриття ефекту гігантського магнітоопору, відкриття вуглецевих нанотрубок та факт викладення назви компанії IBM атомами ксенону. Увагу учнів звертають на нобелівських лауреатах у галузі нанотехнологій.

Після цього з’ясовують, що роздільна здатність звичайного оптичного мікроскопа (а це близько декількох сотень нанометрів) недостатня для предметів наномасштабу. Об’єкти розміром кілька десятків, а тим більше, декілька одиниць нанометрів у такий мікроскоп побачити неможливо. Для того, щоб пізнати наносвіт, були розроблені інші методи. Першим пристроєм, за допомогою якого з’явилася можливість спостерігати за нанооб’єктами став електронний мікроскоп. Школярів знайомлять з інструментами дослідження нанооб’єктів.

На завершення знайомства з основами нанотехнологій, школярам доцільно запропонувати виконання навчального проекту «Нанотехнології: яке майбутнє нас чекає?» Дана тематика передбачає надання учням можливості виявити наукову інтуїцію, розкрити здатність до критичного мислення та вміння самостійно шукати інформацію, реалізувати творчі навички та навички роботи у колективі. 

Робота над проектом після постановки проблеми та її розкриття передбачає покрокове планування діяльності. На цьому етапі відбувається розподіл завдань-доручень для кожного учасника (чи групи учасників у випадку групової роботи). Орієнтовний перелік окремих завдань можна представити таким чином (рис 7.):  «Яким ви уявляєте майбутнє нанотехнологій: 1) в медицині; 

2) у          виробництві;      3) у      військово-промисловому     комплексі; 

4) в комп’ютерній техніці; 5) в побуті; 6) у спорті; 7) в косметології; 8) в будівництві; 9) в агропромисловому комплексі?». Таким чином, на підсумковому етапі виконання проекту з окремих складових школярами буде утворена цілісна картина перспективного майбутнього людства з розвитком нанотехнологій.

 

Рис. 7. Приклади завдань до проекту для окремих груп учнів

 

Отже, протиріччя між новими потребами суспільства у кваліфікованих фахівцях у галузі нанотехнологій та змістом традиційної системи освіти, може бути успішно розв’язане шляхом впровадження у навчальний процес загальноосвітніх та вищих педагогічних навчальних закладів нових міждисциплінарних курсів з основ нанотехнологій. 

Розділ 2. ОСНОВИ НАНОНАУК І НАНОТЕХНОЛОГІЙ У СИСТЕМІ ПІДГОТОВКИ ВЧИТЕЛЯ ФІЗИКИ

 

 

2.1. СТРАТЕГИЧЕСКИЕ ПРИОРИТЕТЫ ИЗУЧЕНИЯ

НАНОФИЗИКИ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ, КАК ФАКТОРА

ЭКОНОМИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ 

 

Стадник А.Д., канд. фіз.-мат. наук, доцент Ткаченко Ю.А., аспірантка, вчитель физики 

 

Современное состояние отечественной экономики Украины на первый план выдвигает необходимость ее вывода из кризиса, модернизации и перехода на инновационный путь развития. Учитывая опыт высокоразвитых стран (США, Япония, Германия, Китай), следует констатировать, что в наше время основой роста и развития экономики и перехода к новому технологическому укладу является использование новейших достижений науки, что получило общепринятое название – нанотехнологии. Одним из условий развития и внедрения нанотехнологий в нашей стране является подготовка соответствующих кадров нанообразования.

В последнее время многие зарубежные (Лакхтаки А., Монк Р., Речемим А., Роко М., Шенк П., Юнкер М., Хамерс Р., Мур Дж.,

Браян Л. А., Дали С., Хатчинсон К., Комкина Т.А., Данилов Д. Н.,

Семенов В. С., Шигарева Е. Н.) и отечественные ученые  (Корсак К. В., Касьянов Д. В., Косенко О. И., Пустовой О. М.) акцентируют внимание на необходимости изучения нанотехнологий в общеобразовательных и высших учебных заведениях. Следует также подчеркнуть, что зарубежные национальные программы в области нанотехнологий (Национальная нанотехнологическая инициатива в США, Стратегия развития нанотехнологий в Японии, межотраслевая программа «Наноинициатива 2010» в Германии, шестая и седьмая Рамочные программы ЕС, Европейская стратегия развития нанотехнологий) многих промышленно развитых стран ориентированы не только на научную или военную сферы их применения, а рассматривают нанообразование как фактор социально-экономического развития 55], [142], [188.

При этом, опора нанотехнологий на нанофизику позволит управлять комплексом физических свойств новых материалов:

*      механические: увеличение твердости и пластичности,

предела текучести;    электрические: размерная зависимость работы выхода

электронов и электросопротивления; 

*      магнитные:        суперпарамагнетизм,         максимальная коэрцитивная сила в        монодоменных частицах, гигантское магнетосопротивление;   термические: уменьшение температур Дебая, плавления,

фазовых переходов;    оптические:      изменение       электромагнитных    спектров

излучения и поглощения, увеличенное рассеяние.

Мы попытаемя проанализировать роль нанообразования в развитии отечественной экономики, определить основные компоненты формирования кадровой составляющей нанотехнололгической сферы региона и государства в целом.

Одной из предпосылок экономического роста любой страны является кадровая составляющая. На данном этапе развития отечественной нанотехнологической сферы в Украине остро ощущается дефицит кадрового потенциала. Одним из возможных вариантов преодоления дефицита кадров в сфере нанотехнологий является создание системы обучения и подготовки высокопрофессиональных кадров в каждом из регионов страны для их эффективного развития.

Анализируя опыт реализации политики развития нанотехнологий в экономически и технологически развитых странах, считаем, что формирование кадрового потенциала  в сфере нанотехнологий должно происходить путем создания системы междисциплинарного образования. Такая система  должна охватывать как высшую школу, аспирантуру и докторантуру, так и общее среднее образование. Необходимым ее аспектом может быть создание и изучение специальных междисциплинарных курсов, проведение конференций и летних школ в сфере нанотехнологий [19].

При формировании кадровой составляющей нанотехнологической сферы важным является сотрудничество между высшими учебными заведениями, общеобразовательными заведениями, научно-исследовательскими учреждениями, промышленными предприятиями, осуществляющими производство нанотехнологической продукции, как конкретного региона, так и Украины в целом. При этом основополагающую роль играет нормативно-правовая и финансовая поддержка государства. Связь этих трех компонентов (государства, промышленности и образования) представлена на рисунке 8.

 

 

Рис. 8. Схема формирования кадровой составляющей нанотехнололгической сферы

 

Государственные ведомства, ответственные за инвестиции в нанотехнологии, должны принимать стратегические решения на основе консультаций  с основными заинтересованными сторонами: представителями научно-образовательной среды и заинтересованными секторами нанопромышленности. Очевидно, что промышленные предприятия могут развиваться благодаря открытиям и инновациям научно-исследовательских учреждений, опираясь на реализацию государственно–частного партнерства. В свою очередь, образовательные заведения должны активно сотрудничать с промышленными предприятиями, а также целенаправленно финансироваться государством с целью подготовки высокопрофессиональных кадров, способных удовлетворить требования современной нанопромышленности и перспектив ее развития.

Рассмотрим возможность формирования нанотехнологической сети на примере Сумской области. Возможные участники региональной сети и их направленность в Сумской области:   государственные   учреждения       (Сумская областная государственная администрация, Сумской городской совет) – обеспечивают финансовую и нормативно-правовую поддержку развития нанотехнологий в регионе, а также координацию деятельности участников нанотехнологической сети;  образовательные и научно-исследовательские учреждения:

            СумГПУ имени А.С. Макаренка – создание методических рекомендаций, учебных пособий для школ и вузов; подготовка учителей к преподаванию нанотехнологий в школах региона; возможность использования наличной материально-технической базы для обучения, а также для инновационных разработок;

            СумГУ – инновационные разработки в области  прикладной наноинженерии и энергетики; подготовка высокопрофессиональных инженерных, технологических, менеджерских кадров для наноиндустрии; возможность использования материально-технической базы для обучения учащихся и учителей школ региона;

            СНАУ – инновационные разработки в области нанобиологии, информационное нанотехнологическое обеспечение аграрной отрасли; подготовка кадровой составляющей, которая отвечала бы современным запросам аграрной сферы; предоставление материально-технической базы для обучения учащихся и учителей школ региона;

            общеобразовательные заведения региона – формирование интереса к нанотехнологиям и нанонауке, ориентация содержания естественно-математического образования на подготовку кадров для современной наноиндустрии; ознакомление учащихся с научными методами исследования нанообъектов, достижениями и перспективами развития нанонауки с использованием материальнотехнической базы высших учебных заведений региона, а также опорных школ;  промышленные предприятия региона (ПАО «Сумской завод

«Насосэнергомаш», ПАО «Сумское НПО им. М.В.Фрунзе»,  АО «Сумсельмаш», ПАО «Сумыхимпром» и др.) – внедрение нанотехнологий в производство; предоставление материальнотехнической базы предприятий для подготовки кадров в области нанотехнологий, реализации пилотных проектов.

В СумГПУ имени А.С. Макаренка есть все предпосылки для нахождения своей ниши в нанонауке и активного пропагандирования внедрения нанотехнологий во все сферы экономической деятельности, а, следовательно, существует необходимость разработки методик и дидактических средств обучения в этой междисциплинарной отрасли. 

В университете составлена программа изучения нанотехнологий на среднесрочную перспективу, читается спецкурс по нанотехнологиям, подобраны методы и приборы для исследования. В рамках этой программы предусматривается: достичь фундаментального понимания студентами физикоматематического факультета достижений современной науки, что позволяет обеспечить контроль и манипулирование атомами и объектами в пределах нанометрической шкалы; предоставлять гранты отдельным студентам; обеспечить формирование региональной учебной нанотехнологической сети, развитие региональной ниши Сумщины в области нанотехнологий, повысить информированность и конкурентоспособность наукоемких производств, обеспечить эффективное обучение и подготовку исследовательских кадров.

Известно, что не все основные методы исследований нанообъектов  электронный микроскоп, атомно-силовой микроскоп, сканирующий туннельный микроскоп, нанотермометр, нановесы, наноиндентер и т.п., которые могут пригодиться для дальнейшего развития нанотехнологий, имеются в каждом вузе. Перспектива изучения и внедрения нанотехнологий, несмотря на это, есть, и в первую очередь она базируется на объединении вузовской, отраслевой и академической науки, международном научном сотрудничестве. Вузовская региональная нанолаборатория, на примере созданной в СумГПУ имени  А. С. Макаренка, может состоять из нескольких модулей.

1.        Модуль получения наноразмерных структур. Модуль позволяет получать наноразмернвые частицы и покрытия электрическим взрывом проводников, электронным и магнетронным напылением, а также определить наличие наночастиц металлов с помощью спектрофотометра. 

2.        Модуль получения нанокомпозитных материалов, в состав которого входят: 

*   высоковакуумные     установки,         предназначенные       для получения наночастиц путем отжига прекурсоров металлов в

вакууме; 

*   ультразвуковой          диспергатор,     предназначенный       для

равномерного распределения наночастиц в полимерной матрице;  гидравлический пресс, позволяющий получать образцы

нанокомпозитныхи гибридных материалов требуемой формы.

3.        Модуль для получения нанослоев и многослойных наноструктур, дающий возможность получать слои полимера или нанокомпозитного материала толщиной 20 – 100 нм.

4.        Аналитический модуль для выполнения структурных исследований нанообразцов и изучения их физических свойств. Модуль на базе электронного микроскопа, позволяющий исследовать рельеф поверхностей образцов с высоким разрешением. При помощи рентгеновских дифрактометров исследуется структура и фазовый состав. Установка для измерения электрических свойств, предназначена для измерения электропроводности, тангенса угла диэлектрических потерь, диэлектрической проницаемости нанокомпозитных материалов и нанопокрытий. Установка для измерения гальваномагнитных характеристик, включая исследование магнетосопротивления в магнитных полях до 2 Тл в широком температурном интервале. Приборы для исследования механических свойств (твердость, микротвердости и пр).

5.        Модуль компьютерного моделирования нанообъектов. Может быть представлен лабораторией компьютерного моделирования.

6.        Модуль разработки методик и пособий по изучению наноматериалов и нанотехнологий в школах и вузах, переподготовки преподавательских кадров, связи с учебными и наукоемкими промышленными предприятиями региона, позволяющий оценить чему учить, как учить, какие дидактические средства использовать, каково содержание человеческого капитала выпускников технических и физико-математических специальностей вузов должно быть в современном глобальном мире, включая, в первую очередь, каждую из областей Украины.

По нашему убеждению, качество преподавания физики, нанофизики, нанотехнологий являются основой научнотехнического прогресса каждого региона. Залогом реализации повышения качество преподавания является повышение уровня человеческого капитала каждого преподавателя, факультета, региона, государства. Индивидуальный человеческий капитал выпускников педуниверситета и преподавателей  это накопленный ими определенный запас здоровья, знаний, навыков, способностей, созидательных мотиваций и культурных традиций, созданные учебные и научные лаборатории, разработанные исследовательские проекты и учебные пособия, которые используются в процессе управления знаниями учащихся.

Мы считаем, что одним из приоритетных направлений работы образовательных учреждений должно стать приобщение учащихся и учителей к инновационным проектам в сфере нанотехнологий и широкая популяризация нанотехнологических знаний. В этом плане СумДПУ имени А.С. Макеренка, кроме уже упомянутых выше инициатив по созданию региональной нанотехнологической лаборатории, начал проводить региональные конференции «Теоретико-методичні засади вивчення питань сучасної фізики та нанотехнологій у загальноосвітніх та вищих навчальних закладах». Анализ тематики материалов, представленных на конференциях, показывает, что в них действительно анализируются важнейшие вопросы методики преподавания современной физики и, что особенно важно, почти треть сообщений относится к анализу возможностей рассмотрения в школьных и вузовских курсах физики вопросов, относящихся к нанотехнологиям, методам исследования нанообъектов и методики изложения этих вопросов. Это как раз те прорывные области, которые активно развивают и используют наиболее передовые в технологическом смысле страны мира, и в которых Украина, к сожалению, имеет значительное отставание. Возможно, благодаря именно таким работам нанообразование, которое за рубежом пропагандируется повсеместно, и там дети знакомятся с ним с самого раннего детства, придет и в наши школы и вузы. И благодаря таким работам произойдет переосмысление в сознании наших высоких чиновников и промышленников роли нанообразования в развитии нашей страны, и наши предприятия наконец будут использовать современные технологии. 

Мы убеждены, что залог развития Украины находится в школе, так как в ней учатся и воспитываются не только будущие рабочие, инженеры, медики, строители, ученые, но и будущие политики, чиновники и руководители промышленных предприятий и, наконец, будущие губернаторы, премьер-министры и президенты. И эти чиновники, политики и предприниматели будут определять техническую политику развития нашей экономики, и от них, от их информированности в значительной степени будет зависеть придут или, наоборот, не придут в нашу промышленность и сельское хозяйство новые современные технологии. Поэтому они, как и все выпускники школ, с детства должны быть знакомы с современными достижениями науки, с основами нанонауки и нанотехнологии, т.к. это та область знаний и их практических приложений, которая обеспечит переход Украины к новому  VI технологическому укладу, на пути к которому стоят все развитые страны мира. В общем перед школой и вузами стоят большие задачи. Преподаватели школ и вузов в своей воспитательной работе со студентами и школьниками на этом тезисе должны постоянно акцентировать свое внимание. Учитель школы и преподаватель ВУЗа – это главные звенья в процессе образования, сегодня мы работаем с учащейся молодежью, а завтра это наш народ, имеющий или, наоборот,  не имеющий представление о современных достижениях  науки и о возможности их внедрения в современное производство и быт, а, значит, думающий и действующий либо по критериям вчерашнего дня, либо – по запросам, требованиям и возможностям нового времени.

Следует отметить, что в обществе существует определенный скепсис в отношении активного внедрения нанообразования в Украине, мол не до того сейчас. Это не просто ошибка, это фатальная ошибка. Кризисное состояние экономики, в конце концов, сменится подъёмом и, если мы сейчас начнем активное внедрение в школы и вузы хотя бы элементов нанообразования, то ко времени подъёма экономики вырастит целое поколение молодых людей, имеющих в своих головах знания о возможностях современной науки и чувствующих необходимость их внедрения во все сферы деятельности человека.

Включение нанотехнологий в учебный план по физике, химии, биологии, информатике уже сегодня будет  способствовать развитию регионов и страны в целом и это будет реализовано в результате создания и активного функционирования нанотехнологической программы регионов, построения региональной нанотехнолгической сети.

Таким образом, необходимость создания современной системы подготовки профессиональных кадров для наноиндустрии является одним из основных условий, способствующих  развитию экономики и общества в целом. Повышение конкурентоспособности специалистов и, как результат, продукции наукоемких предприятий региона возможно на основе разработки и реализации Программы развития наноиндустрии общими усилиями предприятий, вузов, профильных отраслевых и академических институтов, а также при поддержке государства. Это обеспечит не только высокие показатели в наукометрических базах данных, но и перспективы для государства – переход к новому технологическому укладу, обеспечивающему рост ВВП, комплексную безопасность и более высокое качество жизни. Финансирование выполнения Программы могло бы реализоваться на принципах государственно-частного партнерства, а также за счет международных Грантов.

 

 

2.2. ПЕДАГОГІЧНІ ОСНОВИ ГУМАНІЗАЦІЇ ФІЗИЧНОЇ

ОСВІТИ В УМОВАХ НАНОТЕХНОЛОГІЧНОГО РОЗВИТКУ

СУСПІЛЬСТВА 

 

В.С. Іваній канд. техн. наук, проф. І.О. Мороз докт. пед. наук, проф. 

 

Сьогодні людство переходить до нового цивілізаційного простору, який визначається темпами нанотехнологічного розвитку. «Нанотехнології є тією галуззю науки і технологій, яка суттєво змінить всі сектори економіки, дасть можливість покращити якість життя та навколишнього середовища, значною мірою визначатиме конкурентноспроможність та геополітичні позиції країн та регіонів у ХХІ столітті» [21, 45]. Отже, нанотехнології гарантують людству вихід із багатьох кризових станів (ресурсних, економічних, екологічних тощо), але, водночас, необхідним стає рефлексія тих змін, які несуть людині як істоті екзистиційній і творчій, інтелектуально цілеспрямованій та емоційно передбачуваній.

Необхідність педагогічного аналізу гуманізації освітнього простору нанотехнологічного розвитку випливає з того, що сучасна людина, особливо учнівська молодь, у процесі активної особистісно-суспільної адаптації та соціалізації перебуває у центрі глобальних технологічних цивілізаційних змін та трансформацій. У такій ситуації надзвичайно важливо виробити механізм уникнення остаточного знелюднення цивілізаційного поля, що відбувалося в умовах індустріальної та постіндустріальної цивілізації [130, 100]. Найголовнішим з них, на нашу думку, є освіченість учнівської молоді, зокрема, фізична. Завданням фізичної освіти нанотехнологічної доби та підготовки майбутнього вчителя фізики до професійної діяльності є повернення гуманістичним цінностям та орієнтирам центральної значущості у процесі вибору цивілізаційних та соціокультурних шляхів розвитку кожного національного суспільства та людства в цілому.

Методологічні й педагогічні проблеми гуманізації освіти знаходяться у полі зору багатьох вітчизняних і зарубіжних філософів, педагогів та психологів. В контексті філософії освіти їх розглядають В. П. Андрущенко, В. М. Васянович, І. А. Зязюн,

В. Г. Кремінь та інші, у плані професійної освіти й педагогіки – О. Я. Дубасенюк, М. М. Євтух, Н. Г. Ничкало, В. І. Ягупов та інші, зокрема підготовки майбутнього вчителя фізики С. У. Гончаренко, О. І. Ляшенко та інші, певний внесок у формування та розвиток гуманістично орієнтованих напрямків професійної освіти внесли психологи І. Д. Бех, К. Роджерс, А. Маслоу, І. Шульц та інші.

Автори вказують, що гуманітарний підхід до проектування педагогічних технологій у вищих навчальних закладах в умовах інноваційного розвитку суспільства, полягає у тому, щоб бачити у них не тільки навчальні процедури, але й більш значуще – живих людей та відношення, які складаються між ними [25], [48], [72]  та ін. Ряд учених підкреслює особливу роль учителя фізики у вирішенні етичних аспектів впровадження нонатехнологій  в умовах інноваційного розвитку суспільства [25], [133] та ін., наводять приклади підготовки учнівської молоді до вирішення вказаних проблем [60]. У цьому зв’язку виникає необхідність обгрунтування педагогічних основ гуманізації фізичної освіти майбутніх учителів фізики, які б визначали стратегію і тактику освітньо-педагогічного процесу в умовах нанотехнологічного розвитку суспільства. Отже, існує необхідність теоретично обґрунтувати напрямки модернізації педагогічного змісту і форм у контексті гуманізації фізичної освіти майбутнього вчителя фізики в умовах нанотехнологічного розвитку суспільства.

Ключовою суспільною системою, яка здатна прищеплювати людині ефективні механізми адаптації до нового цивілізаційного середовища є освіта, яка крім системи природничо-наукових та соціально-гуманітарних знань формує особистісно-аксіологічне та світоглядне ставлення молоді до цивілізаційної та соціокультурної діяльності. «Цивілізаційні зміни ведуть до зростання значущості освіти в суспільному житті, поряд з наукою вона стає пріоритетною сферою всієї життєдіяльності» [81]. Саме в освітній структурі закладені аксіологічні й технологічні можливості подолання технократизму й утвердження справді гуманістичної природи людського існування.

Перехід до нанотехнологічних тенденцій розвитку є своєрідним цивілізаційним виходом за нові межі, який природньо зумовлює необхідність формування нового розуміння людини, гуманістичних основ її існування, а також ключових механізмів людиноствердження, основним з яких завжди була і залишається освіта. «Головні причини виходу за межі – це зростання, прискорення, швидка зміна. Понад сто років багато фізичних показників світової системи швидко зростали. Наприклад кількість населення, виробництво, продовольства, споживання ресурсів, забруднення навколишнього середовища – всі ці показники зростають, і часто все швидше і швидше. Таке зростання описується функцією, яку математики називають показовою чи експоненційною» [72, 4]. Такі експоненційні зміни в  сучасному світі приводять до того, що більшість молодих людей губиться у надшвидких трансформаціях та переформуваннях.  Саме природнича освіта учнівської молоді, і, в першу чергу вивчення фізики, на нашу думку, здатна створювати поле смислів та значень, завдяки яким молода людина в межах сучасної інформаційної цивілізації зможе знаходити світоглядноаксіологічні обгрунтування для власного існування, самоствердження та самотворчості.

Розглядаючи проблему гуманізації фізичної освіти у всій її багатоаспектності й багатогранності, у якості основних зазначимо її різні напрями [48], [116]:

          гуманізацію       цілей,        підходів,   змісту,       форм,       методів 

фізичної освіти;

          гуманізацію освіти через підготовку майбутнього фахівця, в першу чергу вчителя фізики, як носія гуманістичного світогляду;

          розробку та впровадження гуманістично орієнтованих технологій фізичної освіти;

          гуманізація міжособистісних відносин суб’єктів фізичної освіти [48].

Всі зазначені напрями взаємопов’язані й взаємозалежні, оскільки вони є не різними напрямами процесу гуманізації освіти, а конкретними виявами єдиної концептуальної основи в її опосередкованому впливі на освітній процес.

Для формування фундаментальних принципів гуманізації фізичної освіти сучасної молоді й підготовки майбутнього вчителя фізики до професійної діяльності в умовах нанотехнологічного розвитку необхідно, насамперед, вироблення світоглядно-ціннісних орієнтирів для особистісного самовизначення сучасної молодої людини у світі новітніх досягнень фізики та нанотехнологій, що розвиваються на її основі. З цією метою нами запропоновано та впроваджено авторський варіант нового інтегрованого курсу «Історія фізики та методологія природознавства», у якому представлено філософсько-гуманістичні основи педагогіки (нелінійна парадигма). Висвітлення в ньому засад фізичної науки певних історичних періодів, логічне поєднання попередніх і новітніх відкриттів, досягнень ряду інших наук про природу й людину, зіставлення традиційних і нових методологій пізнання та діяльності, надає можливість формування в осіб, які навчаються цілісної сучасної (синергетичної) картини світу [13]. Такий підхід надає можливість майбутньому вчителю впевнитися самому, а потім й реалізовувати у своїй практичній діяльності ідеї про те, що будь-які знання в цьому світі є цінними лише у своїй динамічності та компетентнісній адаптивності, тобто, гуманістичність фізичної освіти означає надання людині можливості, постійно змінюючи когнітивний складник власного буття, забезпечувати свою особистісно-творчу впевненість та стабільність.

Важлива роль фізичної освіти як соціального елементу новітньої цивілізації, який здатен не лише формувати ефективних суб’єктів нанотехнологічного розвитку суспільства, але й особистісно сформованих суб’єктів, здатних під когнітивним, етичним та естетичним кутами зору оцінювати трансформації,  що відбуваються у суспільстві, розвиток якого ґрунтується на нанотехнологічних дослідженнях. «Етична проблематика  наслідків упровадження нанотехнологій у реальне життя  ставить вже сьогодні перед людством питання невизначеності наслідків розвитку нанотехнологій; проблеми конфіденційності, розподілу технологічного розвитку між різними країнами світу; проблемами інтелектуальної власності; нерівномірності розвитку освіти у різних регіонах. 

Нанотехнології мають такий великий потенціал, що могли  б використовуватися у руйнівних цілях так же легко, як і у творчих» [130, 103]. У зв’язку з цим, важливим складником гуманітарної рефлексії має бути всебічний аналіз можливостей фізичної освіти молоді у подоланні – на основі нанотехнологічного розвитку – технократизму постіндустріальної та індустріальної цивілізації, а також створення конкретних освітньо-педагогічних технологій навчання фізики у школі та вищому навчальному закладі, які б надавали молодому поколінню усвідомлення значущості гуманістичних ідеалів та вмінь самореалізуватися особистісно, як активно-адаптивному суб’єкту новітньої нанотехнологічної цивілізації. 

Розглядаючи сучасні гуманізаційні можливості фізичної освіти, усвідомлюючи, що саме духовне, гуманістичне, людське і людяне є сутнісною основою в історії еволюції фізичної науки,  а відображення цих цінностей у системі фізичного знання  є засадою освітнього та педагогічного впливу на формування особистості, яка постає перед світом у безлічі викликів нанотехнологічного розвитку. 

Для створення інноваційно-гуманістичних освітніх та педагогічних механізмів і технологій навчання фізики необхідне застосування широких міждисциплінарних підходів, які б у визначенні духовного, гуманістичного, людяного та людського враховували відображення цих цінностей у сучасній системі фізико-математичного та соціально-гуманітарного знання. Це потребує створення конкретних педагогічних змістовних та формальних засобів прищеплення сучасній молоді свідомого ставлення до необхідності опанування певного рівня фізикоматематичного знання, а також вивчення соціально-гуманітарних дисциплін в умовах нових цивілізаційних викликів. Інтегративний та міждисциплінарний принципи вивчення фізико-математичних та соціально-гуманітарних дисциплін у сучасній підготовці майбутнього вчителя фізики мають, на нашу думку, застосовуватися, ґрунтуючись на інноваційно-гуманістичному розумінні фізичної освіти як середовища формування понять і почуття «людського», як «добра», «добробуту».

У рамках інформаційної цивілізації та в процесі входження у нову нанотехнологічну добу, фізична освіта студента стає тим формувальним чинником, завдяки якому вчитель фізики залишається не просто одним із суб’єктів інформаційного середовища, здатним передавати інформаційні блоки, а стає суб’єктом соціокультурного простору, тобто носієм можливостей смислового і морального впорядкування світу. У звязку з цим фізична освіта і професійна діяльність учителя фізики набуває особливого значення у сучасному світі як чинник формування культури, смислотворчого ствердження добра, людяності, адже саме вона формує активне ставлення людини до невпорядкованого мораллю зовнішнього середовища. 

Духовно-вольове прагнення студента до оволодіння оціночними характеристиками соціокультурного середовища – головний здобуток вдало побудованої системи фізичної освіти, в якому активно застосовуються інноваційно-гуманістичні, особистісно-орієнтовані, суб’єкт-суб’єктні принципи і методи роботи, спрямовані, водночас, на міждисциплінарну підготовку сучасної молодої людини до успішних відповідей на виклики нанотехнологічного розвитку.

Фізична освіта має бути не системою нав’язування та прищеплення певних догматичних знань, а соціокультурним середовищем, у якому людина навчається сама творити важливі для себе світоглядні й аксіологічні знання, переконання, ідеали. Це, одночасно, комунікативне середовище, кожен член якого є самодостатнім суб’єктом, активно спрямованим на самовдосконалення і пошук його найоптимальніших методів. Отже, стратегія фізичної освіти сучасної молоді покликана формувати такі педагогічні змісти, які б сприяли становленню гуманістичних світоглядно-ціннісних орієнтацій молодої людини.

Отже, в умовах нанотехнічного розвитку суспільства фізична освіта повинна бути спрямована на формування й розвиток духовних і моральних основ особистості майбутнього вчителя фізики, спрямованих на становлення його гуманістичних світоглядноціннісних орієнтацій. Це потребеє активного застосування інноваційно-гуманістичних, особистісно-орієнтованих, суб’єктсуб’єктних принципів і методів роботи, які сприяють інтеграції фізико-математичного та соціально-гуманітарного знання у підготовці майбутнього вчителя фізики до успішних відповідей на виклики нанотехнологічного розвитку суспільства.

Перспективи подальших досліджень проблем гуманізації фізичної освіти вбачаємо в інтегративному вивченні й цілісному прикладному втіленню педагогічних, психологічних і духовносвітоглядних аспектів її гуманізації в умовах нанотехнологічного розвитку суспільства.

 

 

2.3. ИМИДЖ ВЫПУСКНИКОВ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА В ЭПОХУ ПЕРЕХОДА К НОВОМУ «НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ» ОБРАЗОВАНИЮ

 

Іваній В.С. канд. техн. наук, профессор Петренко С.В., канд. физ.-мат. наук, доцент Стадник О.Д. канд. физ.-мат. наук, доцент

 

Мы живем в эпоху турбулентности и неопределенности – это начало нового цикла развития мировой экономики. Причем, в ближайшей перспективе будет наблюдаться еще большее количество зон турбулентности, что прямо или косвенно повлияет на образовательную среду и, естественно, на имидж учителя и престиж учительских профессий.

Актуальность формирования современного имиджа выпускников педагогических вузов связана с теми задачами и вызовами времени, которые стоят перед системой образования, а также с их востребованностью для реализации технологических преобразований, приобщения к духовным и культурным ценностям государства. Все это указывает на необходимость разработки и реализации новой стратегии формирования позитивного имиджа учительских профессий, в частности, имиджа выпускников физикоматематических факультетов педагогических университетов и разработки комплексных мер по повышению качества образовательного пространства. 

Кризис в экономике сопровождается кризисными явлениями в образовательной среде. Те страны, которые быстрее других перейдут к новому, шестому технологическому укладу, основу которого составляют нанотехнологии будут доминировать в конкуренции на глобальных рынках. А носителями и посредниками введения в образовательную культуру общества новых, в том числе, нанотехнологических знаний являются учителя физикоматематических и технологических специальностей – сегодняшние студенты и выпускники педагогических университетов.

Проблеме оценки имиджа учебного заведения посвящены работы Посоховой И.С., Казачинер О.С. [94]. Крутий К. исследует возможности PR-технологий в формировании положительного имиджа дошкольного учебного заведения [61]. Иваний И. В. рассматривает взаимосвязь категорий профессиональнопедагогической культуры и имиджа специалиста сферы физической культуры и спорта [47]. Симонова И.Ф., принимая во внимание необходимость решения педагогических задач в процессе формирования имиджа педагога, представляет его структуру в рамках ценностных координат, присущих конкретной культуре [107]. 

Как следует из анализа литературных источников, проблема формирования имиджа будущих учителей физико-математических дисциплин изучена недостаточно. Поэтому необходимо предложить возможную схему действий по формированию и совершенствованию имиджа выпускника педагогического университета в условиях перехода общества на новый технологический уклад.

Известно, что понятие «имидж» можно определить, как целенаправленно формируемый образ (какого-либо лица, явления, предмета), призванный оказать эмоционально-психологическое воздействие на кого-либо в целях популяризации, рекламы  и т. п. [86]. При этом имидж учителя – эмоционально окрашенный стереотип восприятия образа учителя в сознании воспитанников, коллег, социального окружения, в массовом сознании [86, 278]. 

Под имиджем учителя понимается его образ, создаваемый в процессе субъект-субъектного взаимодействия педагога с участниками педагогического процесса.

На формирование привлекательного имиджа общеобразовательного учреждения оказывают влияние внешние (глобальные, внутригосударственные, внутриотраслевые) и внутришкольные факторы. Школа, сознательно формирующая имидж, должна всесторонне изучить «свои» социальные группы. Репутационный капитал педвуза, который влияет на имидж выпускника, может быть оценен тем, сколько в денежном выражении составляет нематериальный актив – репутация администрации, преподавателей и сотрудников [10].

Имидж специалиста, в частности выпускника педагогического университета, очевидно, следует определять, как относительно устойчивое представление: функциональное, многоуровневое, интегральное, динамичное и регулируемое образование, объективное и субъективное отражение его образа в глазах потенциального (или реального) потребителя его услуг, или некоторой целевой группы. Он включает существенные компоненты имиджа цивилизации, страны, в которой учился специалист и ее вклада в мировое культурное, научное и технологическое развитие. Необходимо учитывать также популярность производимых в стране продуктов и образовательных услуг, рейтинг региона, вуза, факультета, кафедр и их руководителей, ведущих преподавателей, лично выполненных специалистом стандартных и творческих исследований, практического общественно-полезного опыта, культуры, уровня и качества знаний, умений, навыков, профессиональной компетентности, что составляет стоимость нематериальных активов [10, 27].

В зависимости от того, какие группы потребителей образовательных услуг определяют или оценивают образ выпускника, восприятие значимых компонент имиджа может быть существенно индивидуальным. Компоненты имиджа выпускника физико-математического факультета педагогического университета для различных групп и сфер деятельности представлены схематически на рисунке 9. Используя данную схему представления возможных сфер деятельности выпускника педагогического университета, можно формировать его имидж с учетом вариантов будущей работы. 

При планировании работ по формированию имиджа можно воспользоваться моделями проектно-целевого управления, предварительно определив ресурсы и кадры университета,  а также потребности целевых потребителей выпускников педуниверситетов и время для преобразований. Это удобно делать, например, с нового инструментария – дорожной карты формирования имиджа выпускника. 

 

 

Рис. 9. Схема компонент имиджа выпускника физико-математического факультета педагогического университета для различных групп и сфер деятельности

 

Работу по формированию имиджа можно представить в виде разнообразных требований во всевозможных сферах деятельности. При этом каждая задача по формированию соответствующих компонент имиджа требует опоры на определенный сегмент аудитории и конструирование имиджа под требования такой аудитории. Одна из возможных структур имиджа выпускника и иерархия его значимых компонент показаны на рисунке 10. 

 

 

Рис. 10. Иерархия уровней и компонент имиджа выпускника педуниверситета

 

При этом внутренняя составляющая имиджа – это менталитет, интеллект, профессионализм, интересы, уровень духовности, а процессуальная сторона имиджа включает эмоциональную выразительность, скорость реакций, темперамент, чувство юмора, артистичность, педагогическое мастерство [61]. Имидж выпускника влияет на его репутацию. На рисунке 11 приведена структура репутации выпускника, включающая его имидж.

 

 

Рис. 11. Структура репутации (включает имидж)

 

Для успешного реагирования на вызовы и проблемы необходимо периодически проводить организационную диагностику, которая представлена в работе [159]. 

Организационная диагностика (аудит системы управления) – это систематический сбор и анализ информации о состоянии организации или отдельных её подсистем с целью выявления проблем функционирования и определения путей их  преодоления [124, 8].

Прежде всего нужно выяснить:

          Что представляет собой данный факультет?

          В каких вопроса он достиг успеха и в каких нет?

          Какие существуют противоречия и трудности?

          Почему их не было возможности преодолеть?

          Что нужно изменить для эффективного преодоления проблем? 

Естественно, выяснение этих вопросов – это только начало дела. Необходимы ресурсы и время для их позитивного решения. 

 

Рис. 12. Схема организационной диагностики проблем в учебном заведении

Если, например, проблема возникла в момент t0, то она может быть обнаружена по прошествии некоторого времени, т.е. в момент t1. После этого ситуацию нужно осмыслить и принять решение. Это, очевидно, произойдет в момент t2. На реализацию решения тоже нужно время. Например, в момент t3 проведены необходимые изменения, направленные на преодоление неблагоприятной ситуации. Только в момент t4 ситуация начнет меняться к лучшему. Хорошо, если в этот момент подразделение еще находится «на плаву», не прошло так называемую «точку невозврата».

Проведение свот-анализа факультета (рис. 13) предшествует процессу формирования имиджа. Первоначально определим сильные и слабые стороны, угрозы и возможности совершенствования имиджа выпускников воспользовавшись методом экспертных оценок. Можно (и нужно) обратить внимание не только на сильные стороны, но и не менее важно знание негатива, слабых сторон и угроз, поскольку именно туда может быть направлен основной удар разрушения. 

Рис. 13. Свот-анализ факультета

 

Уточнив и утвердив результаты свот-анализа можно приступать к разработке стратегии развития факультета на среднесрочную перспективу и построению его дорожной карты развития (рис. 14). Мероприятия по реализации такой дорожной карты будут влиять не только на имидж факультета, но и на имидж каждого выпускника. 

 

 

Рис.14. Макет возможной структуры дорожной карты  развития факультета

Разработанная дорожная карта позволяет сконцентрировать ресурсы на ключевых проблемах и своевременно ответить на вызовы времени. Чтобы, приводя в будущем своих детей на факультет, бывшие выпускники не говорили: «Да у вас ничего не поменялось в лабораториях за 20 лет!», современный преподаватель вуза обязан в процессе работы создать свою учебную и научную лаборатории для использования студентами, лично проводить научно-методические исследования, которые, в первую очередь, актуальны для региона и Украины в целом.

Вторичным результатом такой деятельности могут быть различные рейтинги в наукометрических базах и непосредственно результаты ВНО учеников школ региона. В связи с ВНО в последнее время проявилась ещё одна из ключевых проблем образования – в ряде областей Украины значительное количество участников ВНО не преодолели пороговый балл «сдал / не сдал». Анализ показывает, что среди областей с низкими показателями результатов ВНО преобладают дотационные области, характеризующиеся и низким уровнем зарплат, а значит с недостаточными возможностями родителей помогать детям при подготовке к ВНО. Очевидно, решение находится в нескольких блоках: в первую очередь – в экономическом, социальном и, наконец, профессиональном. Плохая организация планирования подготовки учительских кадров со стороны государственных администраций районов и областей приводит к тому, что многие студенты старших курсов вынуждены работают в школах, т. к. систематически не хватает учительских кадров, причем нехватка существует даже в когда-то высоко имиджевых городских школах. Система вакансий учительских кадров иногда умышленно держится в тайне до сентября. Стабильно работающая система подготовки учителей для школ большинства районов и области в целом – не налажена. Все это порождает порочный круг: работающий студент, как правило, имеет свободное посещение занятий, т.е. – это недоученный учитель, который, в силу своей недостаточной компетенции, не может обеспечить высокие знания учеников.

Слабо подготовленные ученики – это будущие студенты, которые опять же на старших курсах уже работают. Таким образом, порочный круг в системе образования замкнулся. 

Известно, что рейтинг самых востребованных специальностей со временем изменяется, но учительские профессии не выходят в лидеры. Практически во всех постсоветских странах престиж профессий в порядке убывания выглядит примерно одинаково: 1) менеджеры по продажам и закупкам; 2) программисты, вебдизайнеры, специалисты по телекоммуникациям; 3) банковские служащие, бухгалтеры; 4) руководители отделов, управляющие; 5) рекламисты, маркетологи, бренд-менеджеры; 6) дизайнеры интерьера, архитекторы; 7) специалисты по PR, полиграфисты, журналисты; 8) инженеры, ведущие специалисты; 9) юристы, адвокаты; 10) учителя, преподаватели вузов. 

Таким образом, сеятели разумного, доброго вечного находятся в конце списка из 10 наиболее распространенных профессий. Низкая зарплата учительских кадров, особенно молодых выпускников, видимо, одна из главных причин низкого рейтинга педагогических профессий. Для сравнения, приведем показатели зарплаты учителей в некоторых странах: Мексика – 5 695 $/мес., Германия– 5 110 $/мес., США – 3 558 $/мес. [159, 801].

Ответы на затронутые проблемы должны дать как государственные чиновники, так и местные руководители системы образования совместно с педагогическими вузами регионов. Необходимо на государственном уровне менять престиж учительской профессии и имидж учителя, в первую очередь, физико-математического и технологических направлений, поскольку именно они предопределяют степень научнотехнических знаний населения, что в конечном итоге определяет технологический и технический прогресс страны.

Дополнительный резерв повышения качества образовательных услуг и повышения имиджа выпускников – это использование потенциала «мягкой силы». Под «мягкой силой»  в науке и дипломатии понимают способность государства добиваться своих целей не давлением, а обаянием, не угрозами и страхом, а убеждением и притяжением, в первую очередь – культурным и ценностным. 

Своеобразным проявлением «мягкой силы» для повышения престижа учительской профессии и имиджа выпускника могут быть информационные материалы на радио и телевидении о достижениях лучших выпускников факультета, о школах региона, их кадровом обеспечении, учителях-новаторах, отмеченных государственными и иными наградами, а также о проблемах научно-методического характера, об условиях проживания для молодых выпускников и т.п. Такие материалы могли бы быть полезными, если их размещать также на сайтах факультетов, совмещая их с информацией о решении совместных с управлением образования целевых проектов и выполнением дорожной карты развития факультета и педагогического университета в целом.

Таким образом, имидж выпускника педагогического университета, как определенное отражение в глазах потребителя его возможных услуг, лично выполненных стандартных и творческих исследований, уровень и качество знаний, умений и навыков практического общественно-полезного опыта и т. д. имеет составляющие, которые поддаются комплексному целенаправленному регулированию.

Цепочка: не подготовленный учитель – слабые знания ученика ведет к дальнейшему спаду экономики, падению уровня научнотехнических знаний населения и наукоемких производств каждого региона, снижению обороноспособности страны. 

Целесообразно на государственном уровне радикально менять положение учителя, в первую очередь, физико-математического и технологического направлений, которые являются носителями знаний, составляющих основу научно-технического развития страны. На уровне вузов – развивать и шире применять новый ресурс – «мягкую силу», которая наряду с улучшением социальноэкономического положения учителей и преподавателей, будет способствовать минимизации последствий разрушительного действия экономического кризиса на сферу образования.

В перспективе эта тематика может быть расширена через накопление практического материала, который может  служить основой для дальнейших учебно-методических  разработок как методологической, так и эмпирической направленности подготовки будущих учителей, зокрема, навчання основ нанонаук та нанотехнологій.

 

 

2.4. ТЕХНОЛОГІЯ ФОРМУВАННЯ ФАХОВОЇ

КОМПЕТЕНТНОСТІ МАЙБУТНЬОГО ВЧИТЕЛЯ ФІЗИКИ У

ГАЛУЗІ НАВЧАННЯ ОСНОВ НАНОНАУК

 І НАНОТЕХНОЛОГІЙ

 

В. С. Іваній, канд. техн. наук, проф., І. О. Мороз, докт. пед. наук., проф.

 

В умовах глобальної перебудови української освітньої системи на західноєвропейські зразки, актуальними питаннями у теорії та методиці навчання фізики є формування фахової компетентності майбутнього вчителя фізики. 

У розв’язанні нових завдань, які постають перед системою підготовки майбутніх учителів фізики, компетентнісний підхід розглядається як підґрунтя підвищення якості вищої освіти, забезпечення системності професійної підготовки випускників, формування їхньої особистісної готовності до успішного вирішення основних завдань професійної та соціальної діяльності. Це потребує розробки технології формування фахової компетентності майбутнього вчителя фізики як результату його особистісної готовності до навчальної діяльності.

Готовність випускника до професійно-педагогічної діяльності визначається сформованістю сукупності компетенцій, до яких відносять: методологічну, фахову, методичну, технологічну, психолого-педагогічну, соціокультурну, комунікативну та ін. [66], [178]. В останні роки в Україні проведено ряд досліджень, присвячених удосконаленню змісту підготовки майбутнього вчителя фізики. Зокрема проблеми удосконалення змісту і процесу підготовки розглядаються у дослідженні О.М. Іваницького (підготовка вчителя фізики до впровадження інноваційних технологій навчання), В. І. Сергієнка (удосконалення рівня фаховопрофесійної підготовки вчителя фізики), В. Д. Шарко (формування технологічної складової підготовки вчителя фізики) та ін. Однак, в цих та інших дослідженнях не розглядається проблема особистої готовності майбутнього вчителя фізики як обов’язкової умови його фахової компетентності.

Аналіз робіт [1], [2], [80], [131] та ін., надає можливість уточнити поняття фахової компетентності майбутнього вчителя фізики – це здатність випускника відповідати набутим під час навчання у вищому навчальному закладі особистісно-професійним (мотиви та цінності, особистісно-професійні здібності), предметним (сукупність спеціальних фізичних знань і вмінь) і методичним (володіння методами навчання фізики) компетенціям для успішного викладання фізики в загальноосвітній школі на основі постійного самовдосконалення і власного особистіснопрофесійного досвіду. Відносно практичного компоненту підготовки майбутнього вчителя фізики ми виокремлюємо основні складові процесу формування фахової компетентності через розвиток особистої готовності студента до навчальної діяльності, що потребує розробки відповідної технології. Отже, стоїть задача теоретично обґрунтувати етапи і технологію формування фахової компетентності майбутнього вчителя фізики як результату його особистої готовності до професійної діяльності.

У науково-педагогічній літературі останніх років багато уваги надається розробці інноваційних технологій навчання і виховання студентів у вищих навчальних закладах [2], [38], [10] та ін. Засновуючись на аналізі різних підходів до проблеми, що розглядається, розкритті особистісних функцій педагога у процесі суб’єкт-суб’єктної взаємодії [2, 11], опанування ним необхідним обсягом знань, умінь і навичок для наступної практичної  діяльності [131, 93], на науковій оптимізації процесу підготовки вчителя [66, 121], формуванні фахової компетентності вчителя [1, 27], учені наступним чином визначають освітні технології: технологія навчання є послідовністю операцій і процедур, які складають у сукупності цілісну дидактичну систему, реалізація якої на практиці дозволяє досягнути конкретних цілей навчання і виховання за оптимально короткі терміни. З позиції такого підходу педагогічна технологія навчання є культурним поняттям, пов’язаним з новим педагогічним мисленням й професійною діяльністю педагога, з однієї сторони, та інтелектуальною переробкою загальноосвітніх, культурних і соціально значущих якостей і здібностей підростаючого  покоління – з іншої [1, 32].

Таким чином, під педагогічною технологією ми розуміємо взаємне проектування педагогічної діяльності викладача і студента, зведене в систему форм і методів навчання і виховання згідно актуальних наукових теоретико-методологічних підходів й послідовністю реалізації їх на практиці, що сприяє розвитку мислення педагога, актуалізації його творчої діяльності й формуванню його професійної компетентності.

Дослідники підкреслюють, що будь-яка педагогічна технологія повинна відповідати основним методичним вимогам: мати наукову базу; науково обґрунтовувати освітні цілі; володіти ознаками системи; проектувати логіку процесу, взаємозв’язок усіх частин. Таким чином, будь-яку педагогічну технологію можливо розділити за принципом спрямованості на: навчальний процес; особистість педагога; особистість студента [38, 11]. Спрямованість технології, яку ми розглядаємо, передбачає вивчення й стимулювання особистої готовності студента як обов’язкової умови його професійної компетентності [37, 27], [138, 45].

Відповідно до покладених в основу методологічних підходів (синергетичному, компетентнісному, особистісно-орієнтованому  [2, 11], діяльнісному [2, 11], [20, 34], концепції гуманізації вищої педагогічної освіти [48, 72]), основоположних ідей гуманізму, інтегративності, основним підходам до формування фізичного знання в учнів школи і студентів [69, 102], методичних та технологічних аспектів формування фахової компетентності майбутніх учителів фізики [80, 273], [104, 129], [131, 192], нами було підібрано методи, форми і зміст технології формування фахової компетентності майбутній учителів фізики як результату їхньої особистої готовності до навчальної діяльності (рис.15).

На основі проведеного аналізу сучасного стану підготовки майбутніх учителів фізики нами було теоретично розроблено й готовності студентів до навчальної діяльності.

Ці умови визначено як комплекс методичних заходів, який забезпечує досягнення студентами високого (достатнього) рівня розвитку особистої готовності до навчальної діяльності, зокрема, навчання основ нанонаук та нанотехнологій:

*       побудова змісту        і        структури          навчального         процесу відповідно   до     завдань     формування      фахової         компетентності майбутнього вчителя фізики;  інтеграція теоретичної і практичної складових даної

підготовки;  опора      на     особисті    якості,       активність,       творчість, самостійність студентів.

Оскільки особиста готовність і фахова компетентність знаходяться у взаємозв’язку, нами було проведено аналіз описаних у психолого-педагогічній літературі умов формування фахової компетентності майбутнього вчителя. Ми виділяємо наступні допоміжні групи умов:

*       нормативні – змістова й інноваційна готовність до

професійної діяльності; установка на розвиток індивідуальнопсихологічних фахових важливих якостей у нових соціальних умовах; індивідуальний підхід до формування фахової компетентності [1, 32];

 професійно-педагогічні      –       наявність компетентних педагогічних дій у фаховій підготовці майбутніх учителів фізики; емоційно-оцінні відношення між студентами й викладачами [178, 5];

Складники технологій

Забезпечує зворотній зв

регулюючий дослідно-

 

 

експериментальної роботи з

Рис. 15. Модель технології формування фахової компетентності майбутнього вчителя фізики як результату його особистої готовності до

навчальної діяльності

 загальнопедагогічні – забезпечення інтегративної цінності процесу формування фахової компетентності викладача вищого навчального   закладу;    актуалізація       можливостей       навчальнометодичного й наукового забезпечення системи формування фахової       компетентності          педагогів;       стимулювання процесу

саморозвитку студентів і викладачів [1, 35];  загальносоціальні –       потреба     у       фахово-компетентних педагогах,       здатних       забезпечити       реалізацію         освітніх    цілей; престижність наявності високої професійної майстерності у студентів [138, 19].

При інтерактивному навчанні студенти опановують професійні і особистісні знання завдяки реальним взаємовідносинам з іншими учасниками освітнього процесу. Методи на основі інтерактивних взаємовідносин є засобами управління процесом засвоєння професійно значущих знань і особистісних переконань. Формування всіх складових фахової компетентності має колективний характер, використовуються активні методи навчання, нестандартні форми праці. 

Ефективність формування фахової компетентності майбутніх учителів фізики шляхом розвитку особистої готовності до навчальної діяльності забезпечується його інтеграцією у цілісний, загальний процес навчання і виховання у вищому навчальному закладі. Модель формування фахової компетентності студента через розвиток особистої готовності до навчальної діяльності включає такі складники: цільовий, змістовий, процесуальний, результативний, контрольно-регулюючий. Поняття «формування» ми розглядаємо як процес, що уявляє собою динамічну систему і складається із частин (етапів), які поєднані єдиною ціллю набуття фахової компетентності через розвиток особистої готовності. Спираючись на положення А. М. Леонтьєва про те, що розвиток усіх психічних якостей людини проходить низку поступових етапів [66, 251], а також на принцип поступовості фаз професійної адаптації особистості [66, 272], нами було виявлено етапи формування фахової компетентності майбутніх учителів фізики у вищому навчальному закладі: інформаційно-теоретичний, науковометодичний, процесуально-діяльнісний, аналітико-корективний та самостійно-творчий.

Мета першого, інформаційно-теоретичного, етапу є формування професійної орієнтації й мотивації, формування професійного образу фахівця, основи особистої готовності учителя фізики в складі фахової компетентності. Відповідно кожне  заняття повинно бути для студента творчою лабораторією, нести достатній об’єм когнітивної інформації, сприяти зростанню його фахової компетентності.

На науково-методичному етапі формування фахової компетентності відбувається розвиток когнітивної сфери у питаннях опанування психолого-педагогічними знаннями і методологією наукової діяльності, а також методикою викладання фізики й уміннями передавати, пояснювати фізичні знання, набуття базового рівня фахової компетентності, яка забезпечує розвиток початкового рівня особистісної готовності до викладання фізичних знань і вмінь. На цьому етапі відбувається формування фахової компетентності студентів (професійні знання, вміння, навички, способи самоосвіти у процесі вивчення як психолого-педагогічних, так і спеціальних дисциплін) на практичних заняттях, семінарах, конференціях і т.п.

Третій етап – процесуально-діяльнісний – передбачає набуття фахової компетентності студентами у процесі безпосередньої практичної діяльності. На цьому етапі студенти відпрацьовують свою фахову компетентність у процесі практичної діяльності, творчо застосовують різні технології навчання, виявляють нестандартність у вирішенні навчально-виховних завдань.

Четвертий етап – аналітико-корективний – включає аналіз і корекцію реалізації фахової компетентності студентів у навчальнопізнавальній і практичній діяльності, корекцію індивідуального стилю фахової діяльності через співвідношення об’єктивних  вимог до професійної діяльності вчителя фізики з особистісним розвитком фахівця.

П’ятий етап – самостійно-творчий – спрямований на виявлення й демонстрацію рівня фахової компетентності й особистої готовності майбутнього вчителя фізики до практичної діяльності, а також на самоосвіту й самовиховання особистості.

Зауважимо, що реалізація технології формування фахової компетентності майбутнього вчителя фізики можлива на основі нових навчально-методичних комплексів з усіх дисциплін,  що опановуються студентами. Ці комплекси включають:  освітньо-професійні програми та освітньо-кваліфікаційну характеристику вчителя фізики; перелік необхідних для майбутньої професійної діяльності фахових компетенцій; систему освітніх модулів, де у структурі кожного освітнього модуля передбачено:

а) ціль (цілі) навчання з сукупністю критеріїв, показників й індикаторів їх досягнення; б) зміст навчання, що забезпечує формування однієї, декількох компетенцій або частини певної складної компетенції; в) методичні рекомендації щодо засвоєння освітнього модуля; г) засоби, методи і процедури контролю засвоєння освітнього модуля.

На основі синергетичного, компетентністного, особистіснодіяльнісного підходів та основополагаючих ідей формування фахової компетентності студентів, теоретично обґрунтовано технологію формування фахової компетентності майбутнього вчителя фізики у навчально-виховному процесі вищого навчального закладу. Визначено, обґрунтовано і розроблено педагогічні умови, етапи та складники технології, які забезпечують формування фахової компетентності майбутнього вчителя  фізики завдяки розвитку його особистої готовності до  професійної діяльності.

Перспективи подальших наукових досліджень убачаємо в пошуку шляхів посилення практико-орієнтованої спрямованості компетентнісного підходу у професійній підготовці майбутнього вчителя фізики.

       

2.5. ІНТЕГРУВАННЯ ЗНАНЬ З ФІЗИЧНИХ ОСНОВ

НАНОТЕХНОЛОГІЙ В ПРОФЕСІЙНУ ДІЯЛЬНІСТЬ

МАЙБУТНЬОГО ВЧИТЕЛЯ

 

А. І. Салтикова, канд. фіз.-мат. наук, доцент

О.М. Завражна, канд. фіз.-мат. наук, доцент

 

Сучасний світ швидко змінюється. Особливо це стосується сьогодення. Люди, які народилися у ХХ і продовжують жити  у ХХІ столітті спостерігають ці зміни протягом свого життя. Горизонт наукового пізнання розширився до фантастичних розмірів. На мікроскопічній межі шкали масштабів фізика елементарних частинок вийшла на рівень вивчення процесів, які

-23   -15 см. На іншій відбуваються за час близько 10     с і на відстанях 10

межі шкали космологія і астрофізика вивчають процеси, що

18 відбуваються за час порядку віку Всесвіту 10 с і радіуса Всесвіту 1028 см. Нещодавно виявлені астрономічні об’єкти, світло від яких йде до нас 12 млрд. років. Світло від цих об’єктів «вийшло» тоді, коли до виникнення Землі залишалося ще 7 млрд. років. Людина нарощує свою науково-технологічну могутність та розширює сферу своєї діяльності. Це надає можливість зазирнути не тільки в самий початок «творіння» Всесвіту, а й вивчати макросвіт і наносвіт, тобто світ атомарно-молекулярних структур живої і неживої матерії, що міцно увійшли у наше життя і кардинально змінили його. У вжитку з’явилися нові слова: нанонаука, нанотехнологія, наноструктурні матеріали та об’єкти. Ними позначають пріоритетні напрями науково-технічної революції, які охоплюють цілі розділи сучасної    науки:       нові матеріали,          напівпровідники,       пристрої зберігання інформації, біотехнології, полімери, хімію, оптику та інші. Досягнення науки і високих технологій останньої чверті минулого століття переконливо продемонстрували, які величезні можливості обіцяє використання специфічних явищ і властивостей речовини        в        нанометровому          діапазоні розмірів.   Ключовими особливостями яких є сильна залежність будь-яких характеристик матеріалу від розмірів структури в наномасштабній області, здатність радикально змінити властивості речовини, а також явища самозбірки і самовпорядкування атомів і молекул на нанометрових відстанях, як це робить жива природа в біологічних об’єктах. 

Розвиток нанотехнологій відбувається на стику різних наук і вимагає міждисциплінарних підходів до організації праці дослідників і розробників, а також, звісно, відповідних фінансів. Слід зазначити, що глобальні обсяги такого фінансування вже обчислюються мільярдами і здійснюється воно, як правило, державою і приватними компаніями.

На сьогоднішній день вже близько в 60 країнах прийняті і виконуються добре фінансовані комплексні національні програми розвитку наноіндустрії, в яку входять: фундаментальна наука, розробка і виробництво нанопродукції, освіта, охорона здоров’я, оборона і безпека, екологія. За всіма ознаками світ вступив в епоху тотальної нанореволюції [18], [49], [114], здатної затьмарити своїми результатами наслідки комп’ютерної революції кінця XX ст. Однак будь-яка революція – це перш за все переворот у свідомості людей. Без цього неможливий успішний розвиток усіх галузей знань, економіки, соціальних відносин. У зв’язку з цим, в першу чергу, необхідні програми ознайомлення і навчання основам нанонауки і нанотехнологій не тільки інженерів і технологів, а й широких кіл населення. Подібні програми прийняті і отримують державне фінансування в ряді країн [14; 152]. 

Наприклад, в США, де роботи у сфері нанотехнологій оголошені найвищим пріоритетом, створені 11 навчальних наноцентрів, охоплених єдиною мережею обміну інформацією з підключенням до неї університетів; до системи наноосвіти там залучено близько 500 університетів, приватних інститутів і урядових лабораторій у всіх 50 штатах. Освіта і пропаганда в області нанотехнологій в США зачіпає всі верстви суспільства – від молодших ступенів освіти до перепідготовки кадрів, включає університети, коледжі та ін. Така ж ситуація склалася і в Японії, де освіта і наука складають єдине ціле.

У країнах ЄС існує безліч програм підготовки магістрів та «молодших» курсів, а також аспірантського профілю у галузі наноматеріалів і нанотехнологій. Так, у Польщі дисципліни пов’язані з нанотехнологіями викладаються у більшості університетів, у Румунії – у чотирьох. Освітні процеси в галузі нанотехнологій розвиваються в Німеччині, Франції, Китаї, Італії,

Індії, Малайзії, Південній Кореї, Бразилії, Чилі, В’єтнамі. У країнах ЄС створені 16 центрів, які крім науково-дослідних робіт, займаються освітою з нанотехнологій.

В Україні теж зроблені певні кроки в цьому напрямку.

Протягом останніх 20 років в межах тем відомчого замовлення НАН України, грантів Міністерства освіти і науки,  грантів міжнародних наукових фондів, прямих контрактів  з промисловістю проводяться фундаментальні і прикладні дослідження, направленні на отримання, вивчення властивостей  і застосування наноструктурних матеріалів [112; 171]. 

Сукупний досвід українських академічних лабораторій є вагомим, у світі більшість їх розробок визнані передовими. Разом з тим, більшість зусиль мають несистемний характер і на тлі нанотехнологій зарубіжних країн, витрати України на їх дослідження є досить «скромними».

Нанотехнології розглядають як міждисциплінарну науку, але основний внесок у її розвиток вносить фізика. Саме на вчителя фізики покладається функція формування у суспільстві наукового світогляду через ознайомлення з досягненнями нанотехнологій та їх впливом на життя людства. Немає сумніву, що кожна сучасна людина повинна розуміти як в цілому побудований світ, який її оточує [40; 64]. 

Світоглядну функцію фізика як навчальний предмет у середній школі повинна реалізувати незалежно від профілю навчання. Саме формування світогляду при вивченні фізики дає можливість учню у майбутньому краще розуміти процеси, які відбуваються у природі та адекватно реагувати і критично оцінювати інформацію про екологічні проблеми тощо. Від учителя залежить чи матимуть учні не тільки знання, а й цілісне уявлення про навколишній світ. [102].

Під час своєї роботи учитель фізики проявляє суб’єктивне розуміння навколишньої дійсності, що впливає на формування світогляду школярів.

Аналіз наукової, методичної та навчальної літератури свідчить, що є певні проблеми у формуванні світогляду майбутнього учителя фізики. Суспільство висуває до вчителя вимогу мати на озброєнні спеціальні методики, що дозволяють сформувати в учнів науковий світогляд засобами предмету фізики. Показниками сформованості світогляду є наявність системи знань, поглядів і переконань (структури світогляду), які проявляються в різних видах діяльності, здатність удосконалювати свої знання і діяльність. Але навчальний процес у педагогічному ВНЗ не забезпечує реалізацію цих вимог. Це пов’язане з недостатнім науково-методичним потенціалом змісту навчання фізики для вирішення цього питання. Підсилити його можливо при вивченні основ нанотехнологій. 

Особливу увагу слід приділити відбору матеріалу з нанотехнологій при навчанні студентів – майбутніх учителів. На відміну від інженерних спеціальностей, де вивчається вузьке коло питань з наногалузі, які є необхідними для майбутньої професії, у педагогічній діяльності важливим є широта отриманих знань з різних галузей науки і техніки, у тому числі і з нанотехнологій. Учитель фізики в школі повинен бути однаково добре обізнаним в різних областях нанотехнологій і в можливостях їх застосування.

При відборі матеріалу з нанотехнологій для підготовки майбутнього вчителя фізики слід користуватися такими критеріями:

          значення у сучасній науці, техніці та технологіях;

          значення для шкільного курсу фізики;

          доступність у розумінні фізичних процесів, на яких ці технології базуються. 

Особливо важливою є професійна спрямованість. Знання основних понять нанотехнологій в подальшому дозволить молодому вчителю зрозуміти основні зв’язки і закономірності, що відбуваються в наносвіті, і в доступній формі ознайомити з ними учнів. Інформацію з галузі нанотехнологій студенти отримують різними шляхами. Насамперед, джерелами такої інформації є матеріали, які викладені в мережі Інтернет, та подані в періодичних

виданнях. Але основним джерелом все ж є курс фізики  у ВНЗ. Поняття і формулювання законів наносвіту можуть бути однаково добре використані при вивченні різних розділів курсу загальної фізики. У якості ілюстрацій ряду фізичних явищ і процесів можна обговорювати відповідні явища і процеси, що є важливими для розвитку нанотехнологій. Терміни та принципи нанотехнологій необхідні при розгляді перспектив розвитку різних галузей сучасної науки: молекулярної технології, переходу мікроелектроніки в наноелектроніку, при вивченні квантових явищ і процесів тощо. 

При плануванні курсів загальної і теоретичної фізики слід включити елементи нанотехнологій у різні розділи [41]. Так, наприклад, при вивченні молекулярної фізики, під час обґрунтування основних положень молекулярно-кінетичної теорії, слід указати на те, що сучасна дослідницька база дає можливіcть не тільки бачити атоми, а й переставляти їх та компонувати. 

Слід підкреслити, що поєднання однакових атомів у різні форми призводить до появи нових матеріалів. Тут можна привести приклад з карбоном. До недавнього часу було відомо, що вуглець утворює три алотропні форми: алмаз, графіт і карбін. На сьогодні відома вже четверта алотропна форма вуглецю, так званий фулерен. Це відкриття (1985 р.) дозволило розширити коло нових синтезованих матеріалів з надзвичайними фізико-хімічними властивостями. У кінці 80-х – початку 90-х років, після того, як була розроблена методика отримання фулеренів у макроскопічних кількостях, було виявлено множину інших, як більших за легші, так і важчих фулеренів: починаючи від C20 і до C70, C82, C96, і вище. Фулерени всередині порожні. Така порожнина може вмістити будьякий сторонній атом. Коли в молекулу фулерену вводяться атоми металу, то такі комплекси називають металфулеренами. Вони є перспективними для застосування у нанотехнології і нанохімії [27]. 

При розгляді поверхневого натягу, капілярних явищ, змочування тощо особливу увагу треба звернути на те, що вся сукупність цих явищ обумовлена специфікою поверхневих взаємодій. Збільшення вкладу поверхневої енергії приводить до зміни властивостей. Відбувається це тому, що при зменшенні розміру частинок частка атомів, розташованих на поверхні збільшується. А отже, властивості «поверхневих» атомів відрізняються від властивостей атомів в об’ємі.

Оскільки у нанооб’єктів кількість поверхневих атомів різко збільшується, то їх внесок у властивості таких об’єктів стає визначальним і зростає з подальшим зменшенням розмірів. Саме це і є однією з причин прояву нових властивостей на нанорівні.

При вивченні курсу електрики та магнетизму можна розглянути питання електричних та магнітних властивостей наноматеріалів. 

Останнім часом особливий інтерес викликає дослідження магнітних наночастинок. Магнітні наночастинки широко поширені у природі й зустрічаються у багатьох біологічних структурах. У зв’язку з унікальними магнітними властивостями, що проявляються у наночастинках, з’явилося багато шляхів їх наукового та технічного застосування. Магнітні наночастинки використовують у системах збереження інформації, магнітних нанопристроях, медичній діагностиці та для створення нанороботів [134].

Магнітні властивості наночастинок визначаються багатьма чинниками, серед яких слід виділити хімічний склад, тип кристалічної гратки і ступінь її дефектності, розмір і форму частинок, морфологію (для частинок з комплексною структурою), взаємодію між сусідніми частинками. При зміні розмірів, форми, складу і будови наночастинок можна керувати магнітними характеристиками матеріалів на їх основі [28]. 

Особливі властивості мають частинки, впроваджені у різні матриці: полімерні, цеолітні та інші. Вперше магнітні характеристики матеріалу, що складається з немагнітної твердої діелектричної матриці і розподілених в ній магнітних наночастинок (3-10 нм), були описані в 1980 році [51]. За останні роки в області розробки магнітних наноматеріалів відбулися зміни, які без перебільшення, можна назвати революційними. Це пов’язано як з розробкою ефективних методів отримання та стабілізації магнітних частинок нанометрових розмірів, так і з розвитком фізичних методів дослідження таких частинок.

У програму заключного курсу загальної фізики – фізики атома і атомного ядра включені такі теми з атомної фізики: експериментальні засади квантових уявлень, корпускулярнохвильовий дуалізм, квантово-механічний опис атомних систем, атом водню, багатоелектронні атоми та молекули, квантові властивості твердих тіл. Протягом всього курсу є можливість демонструвати студентам зв’язок між атомною фізикою і сучасними досягненнями нанотехнологій. 

У 1924 році французький фізик Луї де Бройль висунув гіпотезу про хвильову природу мікрооб’єктів, яка була експериментально підтверджена у 1927 році К. Девісоном і Л. Джермером у США та Дж. Томсоном у Англії. Тим самим була показана аналогія, яка дозволила побудувати електронний мікроскоп за законами оптики. У 1931 році Р. Руденберг подав патентну заявку на просвічуючий електронний мікроскоп, а у 1932 році М. Кнолль і Е. Руска побудували перший такий мікроскоп, у якому використали магнітні лінзи для фокусування електронів. Тому, лауреатом Нобелівської премії з фізики 1986 р. став Е. Руска за створення першого електронного мікроскопа. Паралельно у 1934 році Л. Мартон у США також побудував електронний мікроскоп і одержав перші електронно-мікроскопічні зображення. Ці прилади були попередниками сучасних електронних мікроскопів, які є одним з основних засобів дослідження структури речовини.

При вивченні тунельного ефекту слід указати, що на його основі були пояснені раніше незрозумілі процеси, що спостерігалися експериментально. Це стало основою атомної науки і техніки, в тому числі нанотехнологій. В 1981 році Герд Бінніг і Хайнріх Рорер, вчені зі швейцарського відділу фірми ІВМ, створили скануючий тунельний мікроскоп, – прилад, що дозволяє діяти на речовину на атомному рівні. За допомогою  тунельного мікроскопу стало можливим переміщувати атоми з одного місця на інше, маніпулювати ними і, теоретично, збирати з них будь-який предмет. В 1986 році вченим було присуджено Нобелевську премію.

Цікавим використанням лазерів є лазерний пінцет – оптичний прилад, що дозволяє утримувати і переміщати в просторі мікро-  і нанорозмірні об’єкти, захоплені в перетяжку (фокус)  лазерного променя. 

Феномен утримання мікроскопічних часток в промені лазера був вперше описаний в 1970 р. Артуром Ешкіним, співробітником компанії Bell Telephone Laboratories в США, який займався вивченням тиску світла на мікрооб’єкти. Надалі Ешкін і його колеги продемонстрували можливості оптичної пастки на основі інфрачервоного лазера захоплювати, утримувати і переміщати в просторі різні біологічні структури, такі, як вірусні частинки, поодинокі бактеріальні та дріжджові клітини і органели в живих клітинах водоростей. Захоплені в оптичну пастку клітини продовжували ділитися, що свідчило про відсутність шкідливого впливу інфрачервоного лазерного випромінювання на біологічні об’єкти. Згодом один із співавторів А. Ешкіна Стівен Чу був удостоєний Нобелівської премії з фізики в 1997 р. за роботи по захопленню і охолодженню атомів за допомогою оптичної пастки.

Студенти повинні не тільки прийняти до уваги нову інформацію, а й у кожному випадку добре розуміти фізичну сутність досліджуваного явища або роботи того чи іншого приладу.

 Основи сучасної електроніки, є однією з дисциплін, при вивченні яких, студенти можуть отримати знання з наноелектроніки. Ця галузь науки є синтезом ідей вакуумної и твердотільної електроніки і займається розробкою фізичних і технологічних основ створення інтегральних електронних схем  із характерними топологічними розмірами елементів менших  за 100 нм. Вона базується на використанні квантових ефектів, що проявляються в наноструктурах. Саме в галузі наноелектроніки слід чекати найбільш революційні досягнення. 

Подальший розвиток електроніки багато в чому буде пов’язаний з використанням магнітних наночастинок. Про це свідчать численні роботи з спінтроніки [123]. Взагалі кажучі, другу половину XX і початок ХХІ ст. вважають ерою мікро- та наноелектроніки. У цей період у світі відбулася технологічна революція, що зумовила розвиток цифрових та інформаційних технологій і появу спінтроніки. Завданням спінтроніки (спінової електроніки, або магнетоелектроніки) є створення приладів, в основу роботи яких покладені властивості електронних спінів. Це нове поле науки й технологій, на якому для розроблення нових функціональних пристроїв застосовуються властивості як заряду, так і спіну електрона [9]. Початок нової електроніки, яка заснована на фізичних ефектах, зумовлених спіном, відносять до 1988 р., коли було відкрито явище гігантського магнітоопору (ГМО). А. Ферт і П. Грюнберг (вчені, які його відкрили) сформулювали визначення гігантського магнітоопору як квантово-механічного ефекту, що спостерігається в металевих плівках з послідовних феромагнітних і провідних немагнітних шарів і полягає у значній зміні електричного опору таких структур при зміні взаємного напрямку намагніченості сусідніх магнітних шарів під дією зовнішнього магнітного поля. В основі ефекту, як виявилося, лежить розсіяння електронів, яке залежить від напрямку спіну [163]. У 2007 р. за це відкриття А. Ферт і П. Грюнберг одержали Нобелівську премію з фізики. Нобелівський комітет особливо підкреслив значущість їхньої роботи: «Відкриття гігантського магнітоопору відчинило двері до безлічі нових наукових та технологічних можливостей. Історія ефекту ГМО наочно демонструє, як абсолютно несподіване наукове відкриття може дати поштовх до розвитку зовсім нових технологій та створення нових комерційних продуктів» [195]. Нині дослідження зі створення та застосування ГМО-елементів інтенсивно проводяться у багатьох країнах світу, зокрема й в Україні. Розроблено кілька конфігурацій систем з ГМО: багатошарові структури, гранульовані сплави, спінові клапани.

Магнітні властивості наночастинок можуть виявитися дуже корисними і при створенні квантових комп’ютерів.

Можна виділити кілька груп фізичних явищ, які можуть знайти застосування в спінтроніці:

          залежність електричного опору однорідних матеріалів від зовнішнього магнітного поля: анізотропний магнітоопір у тонких феромагнітних плівках (наприклад, в пермалої), колосальний магнітоопір у манганітах;

          гігантський магнітоопір в шаруватих структурах з послідовними шарами з феромагнітних і парамагнітних (або антиферомагнітних) металів, а також в гранульованих структурах;

          тунельний магнітоопір в шаруватих структурах, що містять парамагнітний (або антиферомагнітний) діелектрик між шарами феромагнітного металу;

          інжекція   поляризованих по     спіну         носіїв        струму      з

феромагнітного матеріалу в немагнітний;

          взаємний вплив магнетизму і щільності різних носіїв заряду в феромагнітних напівпровідниках [28].

Під час розгляду питань методики навчання фізики треба приділити увагу сучасним педагогічним технологіям, які використовуються у практиці вчителя фізики. У більшості вони орієнтовані на особистий розвиток учня. Зараз у шкільні програми з фізики включені проекти. Саме проектна діяльність сприяє розвитку пізнавальних навичок учнів, умінь самостійно конструювати свої знання, орієнтуватися в інформаційному просторі, спонукає до критичного і творчого мислення. Пізнавальна активність школярів є складовою мотиваційного компоненту навчання та однією з головних умов, як вважають вчені, розумового розвитку дітей, тому що інтелектуальна сфера дитини успішно розвивається лише за умови наявності і розвитку пізнавальних потреб [39]. Робота над проектами сприяє також формуванню сучасного наукового світогляду. Основним результатом виконаних проектів є вирішення поставленої проблеми, якщо це теоретична задача – то її конкретне розв`язання, якщо це практичне завдання – то конкретний результат, готовий до впровадження у школі, на уроці, в реальному житті, фізиці. Щоб діти могли добитися такого результату, необхідно навчити їх самостійно мислити, знаходити і вирішувати проблеми, використовувати для поставленої мети знання з різних областей, уміти прогнозувати результати і можливі наслідки різних варіантів вирішення, вміти встановлювати причинно-наслідкові зв’язки. 

Серед таких проектів можуть бути і проекти по нанотехнологіям. Тематика з нанотехнологій повністю відповідає вимогам. Але для створення таких проектів сам учитель фізики повинен бути добре підготовленим. 

Адже, основне завдання вищої освіти полягає у формуванні творчої особистості фахівця, здатного до саморозвитку, самоосвіти, інноваційної діяльності. Вирішення цього завдання навряд чи можливо тільки шляхом передачі знань в готовому вигляді від викладача до студента. Необхідно перевести студента з пасивного споживача знань в активного їх творця, що вміє сформулювати проблему, проаналізувати шляхи її вирішення, знайти оптимальний результат і довести його правильність. Тому особливу увагу зараз приділяють самостійній роботі студентів. На неї відводиться  до 2/3 навчального часу. У зв’язку з цим, слід визнати,  що самостійна робота студентів є не просто важливою  формою освітнього процесу, а повинна стати його основою.  Це передбачає орієнтацію на активні методи оволодіння  знаннями, розвиток творчих здібностей студентів, перехід від поточного до індивідуалізованого навчання з урахуванням  потреб і можливостей особистості. Посилення ролі самостійної роботи студентів означає принциповий перегляд організації навчального процесу у ВНЗ, який повинен будуватися так, щоб розвивати вміння вчитися, формувати у студента здатність до саморозвитку, творчого застосування отриманих знань, адаптації до професійної діяльності в сучасному світі.

Ефективним засобом формування предметної й ключових компетентностей студентів є навчальні проекти. В основу проектних технологій покладена ідея, що становить суть поняття «проект», його прагматична спрямованість на результат, який можна отримати при вирішенні тієї чи іншої практично або теоретично важливої проблеми. Цей результат можна побачити, осмислити, застосувати в реальній практичній діяльності. 

Основними вимогами до використання проектів є:

1.        Наявність значущої в дослідницькому, творчому плані, проблеми або завдання, що вимагає інтегрованого знання, дослідницького пошуку для її вирішення.

2.        Практична, теоретична, пізнавальна значущість передбачуваних результатів.

3.        Самостійна (індивідуальна, парна, групова) діяльність студентів.

4.        Структуризація змістової частини проекту (з вказівкою поетапних результатів).

5.        Використання дослідницьких методів, що передбачають певну послідовність дій: визначення проблеми і завдань дослідження; висунення гіпотез їх вирішення; обговорення методів дослідження ; обговорення способів оформлення кінцевих результатів захисту).

6.        Збір, систематизація і аналіз отриманих даних.

7.        Підбиття підсумків, оформлення результатів, їх презентація.

8.        Висновки, висунення нових проблем дослідження.

Мета використання проектів полягає у формуванні навичок ефективного використання інформаційно-комунікаційних технологій при навчанні студентів за допомогою інноваційних педагогічних технологій, якими передбачається самостійна (індивідуальна чи групова) дослідницько-пошукова діяльність [101].

Тематика проектів може бути дуже різною . Це можуть бути проекти як з певних предметів, так і міждисциплінарні. Розробка та створення проектів з галузі нанотехнологій сприяє підвищенню професійної компетентності майбутніх учителів фізики, а також формуванню наукового світогляду, а отже й формуванню загальної картини світу, світовідчуття, світосприйняття та світорозуміння. Основним результатом виконаних проектів є вирішення поставленої проблеми, якщо це теоретична задача – то її конкретне розв`язання, якщо це практична – то конкретний результат готовий до впровадження у лабораторії, на практичному занятті, в реальному житті. 

Проектна діяльність сприяє розвитку пізнавальних навиків студентів, умінь самостійно конструювати свої знання, орієнтуватися в інформаційному просторі,спонукає до критичного і творчого мислення. 

Широкі можливості для детального вивчення студентами окремих питань сучасної фізики, нанотехнологій та наноматеріалів відкриваються під час виконання курсових, дипломних і магістерських робіт . Вибір теми дослідження студента пов’язаний з колом інтересів самого наукового керівника. На кафедрі фізики та методики навчання фізики СумДПУ імені А.С. Макаренка вже впродовж більше трьох десятиліть склалися традиції щодо досліджень у галузі тонких металевих плівок. На сьогодні їх відносять до 2D нанооб’єктів – таких, що мають один нанорозмір – товщину, а два інших є макроскопічними.

 Зацікавленість до експериментальних і теоретичних досліджень фізичних процесів у таких приладових плівкових структурах пояснюється широким спектром можливостей їх застосування і, водночас, відносною простотою виготовлення структур зі спін-залежним розсіюванням електронів. 

У лабораторії фізики тонких плівок кафедри фізики та МНФ є всі можливості для проведення дослідження з цього напрямку. На сьогодні проводяться експериментальні дослідженні магнітних властивостей структур спін-вентильного типу на основі феромагнітних металів та їх сплавів і немагнітних прошарків з міді чи срібла та визначення робочих характеристик отриманих функціональних структур. 

При виконанні кваліфікаційної роботи студент ознайомлюється з методикою створення наноплівкових зразків, дослідженням їх кристалічної структури, фазового складу і дифузійних процесів у них, формує навички дослідження та інтерпретації одержаних результатів щодо електропровідності  й магніторезистивних властивостей. Для майбутнього вчителя фізики – це корисний досвід роботи з сучасною технікою проведення експериментів, формування наукового світогляду і розвиток творчих здібностей. Для майбутнього молодого вченого – це перший досвід наукової роботи. І ніякі лекційні чи практичні заняття не дають і частини тих знань, умінь і навичок, які були отримані під час створення сучасної фізики власними руками.

Питання нанотехнологій можна розглядати як на окремих спецкурсах з основ нанотехнологій, так і включити в спецкурси з вибраних питань сучасної фізики. Так за програмою спецкурсу з вибраних питань сучасної фізики пропонується така тематика розділу – Сучасна фізика: досягнення та проблеми.

Тема 1. Досягнення фізики ХХ століття, які вплинули на розвиток суспільства. 

Тема 2. Досягнення фізики початку ХХІ століття. 

Тема 3. Досягнення фізиків України за роки незалежності.

Тема 4. Невирішені проблеми сучасної фізики та астрофізики.

Кожна з цих тем має багато точок дотику з розвитком нанотехнологій, створенням нових матеріалів, з наперед заданими властивостями. Найвищі досягнення в фізиці, які вплинули на розвиток суспільства традиційно відзначають Нобелевськими преміями. Ця премія є однією з найпрестижніших міжнародних премій, яку щорічно присуджують за видатні наукові дослідження, революційні винаходи або значний внесок у культуру чи розвиток суспільства. Серед премій останніх років можна згадати такі:

 нобелівські лауреати (2010 р.) Андрій Гейм і Костянтин Новосьолов, були удостоєні найвищої нагороди за відкриття та виділення вільного одноатомного шару вуглецю і пояснення його видатних електронних властивостей. Лауреати – співробітники Манчестерського університету (Великобританія) – є випускниками

Московського фізико-технічного інституту;  лауреатами Нобелівської премії з хімії (2014 р.) стали німець Штефан Х’єлл і американці Ерік Бетциг і Вільям Мернер.

Почесну нагороду вони отримали за створення суперфлуоресцентної мікроскопії, яка дозволила спостерігати дуже малі об’єкти з високою роздільною здатністю. Мікроскопи нового покоління назвали наноскопами, оскільки вони дозволяють бачити об’єкти на нанорівні.

Ми пропонуємо у програму окремого спецкурсу з основ нанотехнологій включити таку тематику:

Тема 1. Теоретичні аспекти нанотехнологій. Історія виникнення і розвитку нанотехнологій. Машини творіння Декслера. Принцип невизначеності Гейзенберга і нанопристрої. Теплові коливання молекул і нанопристрої.

Тема 2. Наноструктури та їх характеристики. Властивості наночастинок. Одно-, дво- та тривимірні наноматеріали. Самоорганізація частинок. Залежність фізичних властивостей наночастинок від їх розмірів.

Тема 3. Інструменти нанотехнологій. Скануючий зондовий мікроскоп. Тунельний мікроскоп. Оптичний пінцет.

Тема 4. Аспекти нанотехнологій у сучасному суспільстві. Розвиток нанотехнологій у різних країнах світу. Нанотехнології в Україні. Перспективи розвитку нанотехнологій.

Спецкурс можна розширити лабораторними роботами з комп’ютерного моделювання наноматеріалів, які спрямовані на дослідження різних явищ і властивостей атомно-молекулярних систем, процесів, матеріалів і пристроїв на їх основі. Лабораторні роботи призначені для практичного закріплення знань і навичок, отриманих в ході освоєння матеріалів навчальних модулів. 

Ознайомлення з методами дослідження в галузі нанотехнологій продовжуються на спеціальному фізичному практикумі. Спеціальний фізичний практикум – це своєрідна навчальна дисципліна, яка входить до навчального плану і викладається на старших курсах. Вона розрахована на спеціалістів чи магістрів, тому стандартних планів для неї не існує і кожен ВНЗ організовує і проводить спецфізпрактикум на свій розсуд. Власний підхід до організації і проведення спецфізпрактикуму у різних педагогічних ВНЗ пов’язаний з різноманітністю матеріальної бази лабораторій, різними напрямками науково-дослідної роботи кафедр фізики і відсутністю єдиного підручника.

Сучасні методи дослідження структури речовини, яким і присвячений спеціальний фізичний практикум, надзвичайно різноманітні – від нескладних досліджень поверхні з допомогою оптичних мікроскопів до дослідження нанокристалічних об’єктів за допомогою сучасних електронних мікроскопів.

На відміну від лабораторних практикумів з механіки, молекулярної фізики, оптики та інших, де тематика робіт жорстко прив’язана до відповідних розділів загальної фізики, і метою яких є експериментальне вивчення тих фізичних явищ, про які йшла мова у відповідному розділі загальної фізики, та набуття студентами навичок використання основних фізичних вимірювальних приладів та найважливіших методів фізичних вимірювань, метою спеціального фізичного практикуму є знайомство студентів з сучасною науково-дослідницькою фізичною лабораторією на прикладі лабораторії дослідження структури речовини [68].

Майбутній вчитель фізики повинен своїми очима побачити як проводяться дослідження в сучасній фізиці і, зокрема, в галузі нанотехнологій та спробувати себе в ролі дослідника. Важливим є якраз практичне ознайомлення з фізичними методами експериментального дослідження, тоді легше засвоювати результати нових відкриттів і в майбутньому донести ці знання до своїх учнів та показати, що фізика як наука не закінчується на законах Ньютона, а тільки з них починається, що вона є наукою майбутнього і має потужний потенціал. 

У спеціальному фізичному практикумі крім методів дослідження, таких як мас-спектрометрія, електронна мікроскопія, електронографія та рентгеноструктурний аналіз, ми пропонуємо такі цікаві і сучасні роботи як дослідження за допомогою ядерного магнітного резонансу, спостереження доменної структури та дослідження гігантського магнітоопору. 

Проявити творче мислення, показати уміння самостійно знаходити інформацію, аналізувати її та робити висновки студенти можуть при виконанні курсових та кваліфікаційних робіт . При цьому вони набувають практичних навичок організації та виконання науково-дослідницької роботи. 

Особливо важливим є підбір тематики цих робіт. Частина цієї тематики може бути пов’язана з нанотехнологіями. Ми пропонуємо студентам, наприклад, такі теми курсових робіт з фізики, як сучасний стан розвитку нанотехнологій, наноматеріали та їх використання, нанотехнології – технології сьогодення і майбутнього. Тематика дипломних та магістерських робіт стає логічним продовженням розпочатої роботи, але, в той же час, направлена на реалізацію та формування професійних компетентностей майбутнього учителя фізики. 

Таким чином, дослідження стану викладання фізичних дисциплін у загальноосвітніх та вищих педагогічних навчальних закладах, аналіз освітніх стандартів та програм у контексті світового розвитку наноіндустрії дає підстави стверджувати, що є необхідним включення понять нанотехнологій у загальний перелік фундаментальних фізичних термінів і уявлень. Основним джерелом отримання інформації з галузі нанотехнологій повинні бути курси фізики, де уявлення і поняття наносвіту можна поступово системно вводити спочатку як окремі питання загального курсу фізики, а потім більш поглиблено – на спеціальних курсах. Завдяки комплексному підходу та системності під час навчання основам нанотехнологій студент не тільки набуває знання, уміння та навички, а й розвиває здібності проектування їх у свою майбутню професійну діяльність. Такий підхід сприяє формуванню професійних компетентностей та розширює світогляд майбутнього учителя фізики. Крім цього, це надасть реальної можливості подолати суттєве відставання в наноосвіті від провідних країн і незабаром увійти до міжнародної освітньої наномережі.

2.6. МЕТОДИЧНІ АСПЕКТИ НАВЧАННЯ НАНОТЕХНОЛОГІЙ У ВНЗ

 

Стадник А. Д. канд. фіз.-мат. наук, доцент

 

На початок ХХІ ст. нанотехнології стали стратегічним напрямком розвитку провідних країн світу. Поряд з інформаційними технологіями та біотехнологіями вони, спираючись на ряд напрямків фізики, хімії, біології, електроніки та інших наук, будуть значною мірою визначати технологічний вигляд поточного століття.

Історично наукові дослідження нанооб’єктів беруть свій початок у XIX столітті, коли в 1856-1857-ті роки М. Фарадей вперше отримав і вивчав властивості колоїдних розчинів нанодисперсного золота і тонких плівок на його основі. Р. Фейнман для своєї лекції, прочитаної напередодні 1960 року в Каліфорнійському технологічному інституті, про проблеми мініатюризації, вибрав парадоксальне назву «Внизу повнісінько місця» [122] і показав перспективи створення нового напрямку в матеріалознавстві – нанотехнологія.

Термін «нанотехнологія» був введений Норіо Танігучі в  1974 році [192]. Він дав визначення нанотехнології, як «обробка, поділ, з’єднання і деформація матеріалів по одній молекулі  або атому.»

У 2000 році адміністрація президента США прийняла «Національну американську наноініціатіву» [196]. Основні цілі цієї програми полягають у забезпеченні гарантованого лідерства США в сфері розробки та впровадження нанотехнологій, а також створення системи підготовки кваліфікованих кадрів та інфраструктури для нової галузі.

У 2007 році в РФ прийнята «Стратегія розвитку наноіндустрії» [96] і створена державна корпорація «Роснано».

Нова європейська ініціатива в області нанотехнологій «NANOfutures» відкриває широкі перспективи для досліджень і впровадження розробок.

У практичному плані актуальність дослідження наноматеріалів і нанотехнологій обумовлена тим, що світ стоїть на порозі VI технологічного укладу, в основі якого лежить застосування нанотехнологій. Технологічний уклад означає сукупність сполучених виробництв, що мають єдиний технічний рівень і розвиваються синхронно. Зміна домінуючих в економіці технологічних укладів зумовлює нерівномірний хід науковотехнічного прогресу.

Провідні позиції з багатьох напрямків формування нового технологічного укладу належать США. У США, наприклад, частка V технологічного укладу становить 60%, IV – 20% і близько  5% вже припадають на VI технологічний уклад [49].

Одним із найважливіших умов швидкого і успішного  розвитку нанотехнології є розробка навчальних курсів і програм, для роботи в цій мультидисциплінарної області науки і техніки. Стоїть завдання формування умов сталого функціонування і розвитку системи підготовки, перепідготовки та закріплення  кадрів і забезпечення ефективності досліджень і розробок  в області наноіндустрії.

У даній роботі ставилося завдання вивчення можливостей застосування деяких програм моделювання та візуалізації (RasMol, QuteMol, Jmol, Jsmol, Gromacs, XMD) в освітніх цілях.

В останні десятиліття повсюдно стали використовуватися нові інформаційні технології для навчання нанотехнологій. Основним методом вивчення визнаний метод моделювання. Комп’ютерне моделювання виявляється незамінним при вивченні процесів, безпосереднє спостереження за якими нереально або утруднене. Комп’ютерні технології також надають можливість демонструвати школярам і студентам результати моделювання у вигляді анімації або фільму, що покращує якість сприйняття інформації і підвищує інтерес до досліджуваного предмета.

Розглянемо і проілюструємо можливості деяких комп’ютерних програм для вивчення нанооб’єктів.

       

Програма RasMol – це вільно поширювана програма візуалізації просторових структур макромолекул. Це програма для початківців і школярів, її можна вважати базовою, так як вона може працювати на комп’ютерах з мінімальними апаратними вимогами. Система команд, що застосовується в RasMol, використовується в нових більш потужних ресурсномістких програмах – QuteMol,  Jmol та ін. RasMol працює на всіх основних платформах 

Apple Macintosh, UNIX системах, Windows 8, включаючи  Microsoft Windows старих версій. При установці програми дистрибутив можна отримати з сайту RasMol і OpenRasMol  [210], [211]. Після установки програми робота йде в двох вікнах: графічному і командному.

При роботі з програмою виділяється деяка безліч атомів. Всі дії проводяться з цією системою атомів. Кожній дії відповідає команда, яка набирається в командному вікні. Команда набирається з клавіатури при активному командному вікні і завершується натисканням клавіші «Enter».

Вихідні дані для візуалізації – це перелік атомів з координатами їх центрів (у деякій системі координат) [49, 11]. При візуалізації макромолекул у вікні програми зображуються різні моделі. Найбільш вживаними є наступні моделі:

          дротова модель – ковалентні зв’язки між атомами зображуються лініями, що з’єднують їх центри. RasMol, як правило, визначає наявність ковалентних зв’язків по відстані між  центрами атомів;

          кулькова модель – атоми зображуються кульками;

          остовна модель – зображено умовні лінії, що з’єднують атоми.

Зазначимо, що об’єднання кулькової і дротяної моделей іноді називають шарнірною моделлю. При цьому, найбільш часто використовувані команди наведені в таблиці 2.

 

       

Таблиця 2

Деякі команди в програмі RasMol

Команда

Дія

select <множина>

виделяет множество

restrict <множина >

виділяє <множина>і стирає з графічного вікна все інше

wireframe 50

додає до зображення в графічному вікні дротяну модель виділеної множини з товщиною ліній 50

wireframe off

стирає з графічного вікна дротяну модель виділеної множини атомів

backbone 70

додає до зображення в графічному вікні остовну модель виділеної системи атомів з товщиною ліній 70

cpk 200

додає до зображення в графічному вікні кулькову модель виділеної множини з

діаметром кульок 200

color <цвет>

забарвлює виділене в зазначений колір (але якщо ці атоми не були зображені ні в якій моделі, то кольори не буде видно, поки ви їх не зобразите!)

 

Ілюстрація загального вигляду основного і командного вікна програми RasMol представлена на рисунку 16. 

Пункт меню Export дозволяє зберегти отримане зображення в окремому файлі (частіше використовують BMP і GIF). Із серії збережених малюнків можна створити фільм (анімацію). З іншими можливостями програми можна ознайомитися, прочитавши User Manual [203] в пункті меню Help. Розглянемо використання програми моделювання Jmol, JSmol. Програма Jmol написана на мові Java і може працювати всередині веб-сторінки у вигляді аплету, а також використовуватися, як і настільний додаток. Це дозволяє переглядати веб-сторінки з молекулярними моделями. Ця програма знаходиться у вільному доступі з відкритим вихідним кодом. Він сумісний з набором команд програми молекулярної візуалізації (RasMol).

 

 

Рис. 16. Вид основного і командного вікна у програмі RasMol

 

JSmol версія програми, яка не вимагає мови Java, заснована на JavaScript, що дозволяє веб-розробникам створювати сторінки, які використовують або Java або HTML5 (без Java). Це дозволяє Jmol відображати інтерактивні 3D молекулярні структури на пристроях, при невстановленому Java, або для яких Java не доступний. Легкість в освоєнні Jmol і JSmol дозволяє використовувати їх під час навчання школярів на уроках фізики, хімії і біології,  а також студентів. Документація і програма розміщені на сайті розробників [206]. На малюнку 16. показана ілюстрація моделі наномашини, створеної з використанням програми Jmol.

Програма QuteMol, що працює у режимі реального часу, має високоякісний молекулярний вызуалызатор, який пропонує безліч інноваційних візуальних ефектів. QuteMol спрямована на підвищення прозорості модельованих зображень і на надання кращого розуміння молекулярного 3D формата та просторової структури. Безліч режимів перегляду дозволяє програмі отримувати високоякісні зображення моделей структур (рис. 17), а також зберігати анімовані зображення (рис. 18), використовуючи режим Realistic [211] Зазначимо, що отримати програму безкоштовно можна на сайті sourceforge.

 

                      

Рис. 17. Модель наномашини,         Рис. 18. Модель структури, отриманої створеної за допомогою програми      в «QuteMol»

                                                «Jmol»                                       

 

Розглянемо програму моделювання молекулярної динаміки – «GROMACS». Програма молекулярної динаміки ґрунтується на класичній ньютонівської механіці. У цьому, на наш погляд, і слабкість методу. З одного боку, це дає можливості моделювати системи з безліччю атомів. З іншого боку, розрахунки йдуть тільки на рівні міжмолекулярної взаємодії, а розрахунок хімічних реакцій утруднений, на відміну від квантової хімії, де враховуються  всі взаємодії. Для квантово-механічних розрахунків потрібні особливо потужні суперкомп’ютери. Мабуть, програми,  побудовані на таких розрахунках, малодоступні в навчальних закладах для навчання нанотехнологій і визначають вибір на користь програм молекулярної динаміки. Для ілюстрації  на (рис. 19) представлена модель взаємодії молекул поліетилену  на різних етапах їх організації. Подальший аналіз  можна робити методами, вбудованими в «GROMACS»: функції радіального розподілу по енергії, температурі і ін. Які докладно можна знайти в документації.

 

Рис. 19. Структура поліетилену на різних етапах взаємодії молекул, отримана в «Gromacs» [207]

 

Розглянемо програму хімічної динаміки (пакет XMD [207]), яка може з успіхом застосовуватися для цілей навчання. Особливість програми в тому, що вона призначена для моделювання металів і кераміки. Для роботи з програмою використовується інтерфейс командного рядка (Command Line Interface, CLI). У програму завантажується текстовий файл, в якому за допомогою спеціальних команд описують: задана кристалічна решітка речовини, фізичні умови проведення експерименту і контрольовані показники на виході. Відзначимо, що для роботи, крім XMD, потрібен лише звичайний текстовий редактор. Відсутність графічного інтерфейсу користувача має навіть свої переваги – дає можливість розробникам зосередитися на налагодженні чисельних методів і логіці роботи програми. Розглянутий пакет має безліч можливостей, наприклад, створення і редагування атомної структури (команди BOX, FILL, PARTICLE); виконання дій з вибраними атомами, такими як їх переміщення (MOVE); впровадження дефектів (SCREW, WAVE); розміщення заданого типу атома (TYPE); визначення маси атома (MASS); обертання обраних атомів (ROTATE); додаток зовнішньої сили до окремих атомів (команда EXTFORCE); збереження, перегляд графіки, анімації та багато іншого. Відзначимо, що повна документація розміщена на сайті http://xmd.sourceforge.net.

Таким чином, перспективним є розробка і застосування програм для моделювання нанооб’єктів, а також створення нанотехнологічних центрів колективного користування, як одного з механізмів концентрації кадрів і ресурсів провідних профільних вузів. Становлення кадрової та інформаційно-аналітичної складової інфраструктури наноіндустрії – одне із завдань університетських центрів і, створюваних на їх основі, регіональних технологічних платформ в підготовці кадрів для реального перехода до VI технологічного укладу.

 

 

2.7. МЕТОДИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ЗАКОНОВ

ТЕРМОДИНАМИКИ К ПРОИЗВОЛЬНЫМ МАКРО- И НАНО-

СИСТЕМАМ 

 

А.Д. Стадник, канд. физ.-мат. наук, доцент О.В. Яременко, канд. физ.-мат. наук, доцент 

 

При изучении статистической термодинамики в педагогических университетах, в качестве иллюстрации ее применения, обычно, ограничиваются рассмотрением изопроцессов в идеальном газе [75], [76]. В этом случае, благодаря подробным сведениям о его термическом и калорическом уравнениях состояния, действительно можно получить исчерпывающие аналитические соотношения. Однако использование законов термодинамики для изучения только идеального газа создает у студентов представление об ограниченности сферы применения этих законов. Поэтому нужно убедить студентов, что законы термодинамики имеют чрезвычайно широкий спектр применения и на их основе можно решать любые задачи, в которых рассматриваются количественные соотношения взаимного преобразования работы, теплоты и внутренней энергии. В связи с этим, мы считаем, что при изложении применения законов термодинамики в лекционном курсе следует рассматривать, в первую очередь, произвольные системы, а на семинарских занятиях демонстрировать, что соотношения, полученные для произвольных систем, содержат в себе все свойства идеальных и реальных газов. 

Из практически неограниченного спектра задач, связанных с описанием свойств и процессов в термодинамических системах, рассмотрим лишь те, которые имеют достаточно важное как теоретическое, так и практическое значение, и к тому же позволяют подтвердить некоторые, известные студентам, результаты.

Для идеального газа связь между теплоемкостями при постоянном давлении сp и постоянном объёме сV выражается, известным из общего курса физики, уравнением Майера. Покажем, как целесообразно, на наш взгляд, выводить в лекционном курсе связь между сp и сV для произвольных систем.

Внутренняя энергия в данной системе включает в себя кинетическую энергию движения и потенциальную энергию взаимодействия всех частиц системы. Кинетическая энергия частиц зависит только от температуры, а потенциальная – определяется их взаимным расположением. Поэтому внутренняя энергия простой (ее состояние описывается единственным внешним параметром – объемом) произвольной системы будет зависеть от температуры и объема E EV,T . 

Бесконечно малое изменение внутренней энергии (это полный дифференциал, так как внутренняя энергия является функцией состояния) будет равно:

dE

                                                                                                                                                                                           (1)

Поэтому первый закон термодинамики запишется в виде: 

                                                                                                                                                           (2) 

       

Применим это выражение для одного моля произвольного

dQ c dTp       и  вещества при p=сonst. В таком случае: Подставляя эти выражения в (2), получим: 

cp.

                                                                                                                                                                                    (3) 

Как следует из (2), при изобарическом процессе тепло, сообщенное системе (dQ>0), идет на ее нагревание (dT>0) и на

выполнение работы (dV>0), поэтому величина является положительной. Выражение в квадратных скобках в (3) тоже однозначно положительная величина, поскольку числитель и

E

знаменатель в производной  имеют всегда одинаковый знак. Поэтому приходим к важному выводу: для всех веществ разница теплоемкостей cpcV является величиной положительной.

Заметим, что все величины в (3), по которым вычисляется c cp V произвольной системы, кроме частной производной разница

, легко находятся экспериментально, и это открывает путь к определению зависимости внутренней энергии системы от объема:  p.

                                                                                                                                                                                (4) 

Покажем, что зависимость величины внутренней энергии от объема можно определить не только по измерению теплоемкости и зависимости объема от температуры (4), но и иным способом. Для этого запишем основное уравнение термодинамики с учетом (2): 

dSdT.

 

Это уравнение является полным дифференциалом энтропии, выраженным в переменных (V, T). С другой стороны, дифференциал энтропии можно записать в виде: 

dSdT.

 

Приравнивая коэффициенты при dV и dT в последних выражениях, получим:

.

 

Продифференцируем первое из этих выражений по Т при постоянном объеме, а второе – по V при неизменной температуре: 

Воспользуемся тем, что изменение порядка дифференцирования не меняет результат. Поэтому, приравнивая правые части последних выражений, получаем еще одну очень важную формулу, которая определяет зависимость внутренней энергии от объема:

p.

                                                                                                                                                                                      (5)

Это соотношение, по сути, связывает калорическое и термическое уравнения состояния и позволяет, как и выражение (4), определить зависимость внутренней энергии произвольной системы от объема. 

Приравнивая правые части выражений (4) и (5), находим c cp V в следующем виде:  разницу

                                                                                                                                   (6 )

Поскольку в правой части этого выражения фигурируют величины, которые легко определяются экспериментально, то его обычно используют для подсчета теплоемкости ср через сv (или наоборот). Здесь уместно рекомендовать студентам самостоятельно убедиться, что выражение (6), в применении к идеальному газу, дает известное уравнение Майера, а в случае вандерваальсовского

c cp                     V является достаточно сложной функцией газа разность поправок на силы взаимодействия молекул [76]:

cp

.

Найдем теперь уравнение адиабатического процесса для произвольной простой системы. Используем для этого первое начало термодинамики (2), которое в случае адиабатического процесса в произвольной системе будет иметь вид:

0dT.

 

Выразим величину, стоящую в квадратных скобках, через разницу теплоемкостей

 

Тогда предыдущее уравнение примет следующий вид:

cV dT0.

 

cV и обозначив Наконец, разделив последнее уравнение на

отношение теплоемкостей             через γ, получим окончательно: 

                                                                                                                                                                                  (7) 

Это уравнение и является искомым уравнением адиабаты для произвольной системы в переменных (T, V). 

Чтобы получить уравнения адиабатического процесса в переменных (p, V), или (p, Т), преобразуем уравнение (7) к этим переменным. С этой целью продифференцируем уравнение состояния произвольной термодинамической системы в форме T T p,V или V V p,T

                                                                                                                                                                                     (8) 

                                                                                                                                                                                    (9)

Подстановка (8) и (9) в (7), после очевидных сокращений, дает: 

                                                                                                                                                                                      (10) 

                                                                                                                                                                                    (11) 

Это и есть искомые уравнения адиабаты в переменных (p, V) и

(p, Т). 

Обращаем внимание на то, что уравнения (7, 10, 11) являются дифференциальными. Очевидно, что они могут быть проинтегрированы, только если заданы конкретные свойства данной системы, то есть известно термическое уравнение состояния, из которого можно выразить соответствующие частные производные. Так, если обратиться к частному случаю – идеальному газу, то для одного моля имеем:

 .

Поэтому выражение (7) превращается в элементарное уравнение с разделёнными переменными:  которое сразу интегрируется и дает уравнение адиабатического процесса в идеальном газе: TVconst.

       

Применим общее уравнение адиабаты (7) для реального газа, который описывается эмпирическим уравнением состояния, полученным Ван-дер-Ваальсом. Для одного моля газа его можно записать следующим образом: 

p,

 

где а и b – поправки Ван-дер-Ваальса на силы взаимодействия молекул. 

Выполним дифференцирование уравнения Ван-дер-Ваальса: 

dp

 

Рассмотрим случай: p=сonst. В таком случае, из последнего уравнения выражаем производную 

 

и подставляем ее в (7): 

dT0.

 

Учитывая уравнение Ван-дер-Ваальса, и пренебрегая малыми величинами, например, произведением констант (ab), последнее

выражение можно привести к виду: . После интегрирования получаем уравнение адиабатического процесса реального газа в переменных (V, T): T V b 1 const.

Аналогично можно найти уравнение адиабаты реального газа в переменных (р, Т).

Пренебрегая поправками Ван-дер-Ваальса, в результате ряда преобразований, получим выражение: 

dV    dp dV

                                                                                                     V b                p .

После интегрирования имеем уравнение адиабатического процесса в координатах (p, V):

                                                                                                p V      b          const .

Однако и       общая        дифференциальная   форма        уравнения адиабаты для произвольной системы (7) дает возможность получить некоторые важные выводы для систем, термическое уравнение состояния которых не известно. В частности, исходя из него, докажем, что отношение изотермического коэффициента сжимаемости к адиабатическому коэффициенту сжимаемости (при c

всестороннем сжатии) равно отношению теплоемкостей .

Действительно, из уравнения (10) находим: 

                                                                                                                       (12)

Используя это соотношение, на основе определения адиабатического коэффициента сжимаемости , получаем: 

.

                                                                                                                                                             (13) 

Далее, положив в (8) T = const и dT = 0, находим: 

.

                                                                                                                                                             (14) 

       

Используя это соотношение и определение изотермического

коэффициента сжимаемости  для произвольной системы запишем его в следующем виде: 

.

                                                                                                                                                             (15) 

Теперь, сравнивая (13) и (15), имеем: 

                                                                                           ,                                                (16)

что и требовалось доказать. 

Отметим также еще один важный вывод, который можно сделать из сопоставления изотермического и адиабатического коэффициентов сжимаемости произвольной системы. Согласно их определения, и принимая во внимание (16), можно записать: 

                                                                                                                                                                                      (17)

                       Но в координатах (p, V) производная            определяет тангенс

угла наклона касательной к линии  в произвольной ее точке. Поскольку для произвольной системы справедливо выражение (16), то приходим к выводу, что адиабата для любого вещества идет более круто, нежели изотерма, следовательно, адиабата и изотерма могут пересекаться только один раз. 

Полученный результат дает преподавателю прекрасную возможность проиллюстрировать справедливость постулата Томсона о невозможности полного превращения теплоты в работу при круговом процессе. Действительно, если бы адиабата и изотерма имели несколько точек пересечения (например, две), то можно было бы осуществить круговой процесс (рис. 20), в котором на участке изотермического процесса (1-2) такого цикла от термостата берется некоторое количество теплоты Q1 и за счет этой теплоты выполняется положительная работа, численно равная площади, ограниченной циклом. 

Таким образом, получили бы вечный двигатель второго рода, существование которого запрещается вторым началом термодинамики. 

 

 

Рис. 20. «Мнимый» цикл из адиабаты и изотермы

 

Демонстрируя в учебном процессе широту применимости законов термодинамики, целесообразно, на наш взгляд, показать, что они применимы не только для вещественных макросистем, но и для полевых систем, например, равновесного теплового излучения, экспериментальные законы которого известны студентам из курса оптики [76]. В связи с полевыми системами студенты должны понимать, что, исходя из современных представлений, равновесное тепловое излучение можно рассматривать и как хаотичное движение

h P

особых частиц – фотонов, обладающих импульсом c ,  где с – скорость света, h – постоянная Планка, ν – частота электромагнитной волны. Поэтому величину давления равновесного излучения, как совокупности хаотично движущихся фотонов, можно рассчитать статистическим методом, подобно тому, как рассчитывается в молекулярной физике давление идеального газа. Действительно, на элемент площади dS за время dt попадет 1/6 всех фотонов, находящихся в цилиндре с основанием dS и образующей cdt, т.е. количество таких фотонов будет равно dN 1 6ncdtdS, где n – концентрация фотонов. Коэффициент 1/6 учитывает то, что движение фотонов в равновесном тепловом излучении хаотично, поэтому на каждую из осей координат приходится 1/3 часть всех фотонов и лишь 1/2 из них летит в положительном направления каждой из осей координат. 

При тепловом равновесии количество падающих фотонов и фотонов, излучаемых элементом dS стенки сосуда, одинаково. Поэтому процесс поглощения фотона и излучения такого же фотона можно рассматривать как упругий удар, при котором фотон

h

2

передает стенке импульс          c . Следовательно, элемент площади dS

dP

за время dt от теплового излучения получит импульс . dP

pF

Поэтому давление теплового излучения             dtdS (тут               – сила,

u

p

действующая перпендикулярно на площадь dS, будет равно 3 , E u

где            V – объемная плотность энергии теплового излучения.

Полученный результат и выражение (5) используем для доказательства закона Стефана-Больцмана, который определяет зависимость суммарной энергии равновесного излучения от температуры. Для этого в выражение (5) достаточно подставить E

объемную плотность энергии  и величину давления теплового излучения. Получим уравнение с разделенными

                                                           dT    du

4

переменными:             T   u , интегрирование которого и дает закон u     T4,E   VT4

Стефана-Больцмана:

Учебные курсы и программы ВУЗов должны отображать не только общепризнанные научные теории, но и быть ориентированными на перспективные направления исследований. В последние десятилетия одной из основных задач, стоящих перед физической наукой во всех промышленно развитых странах, является развитие нанотехнологий, исследование и использование свойств нанообъектов [96], [122], [192], [196]. Развитие нанотехнологий определит технологический облик XXI столетия. Это область исследований, включающая в себя целый ряд направлений физики, химии, биологии, электроники, и других наук.

Среди направлений нанонауки можно отметить и нанотермодинамику, хотя проблема применимости методов термодинамики к нанообъектам еще далека от своего 

разрешения [5]. Павлов В.А. [85] и ряд других авторов [16], [22], [100], [154] рассмотрели различие нанотермодинамики и классической термодинамики и отмечают, что термодинамические уравнения, применимые к наносистемам, имеют более сложную структуру, но с увеличением числа молекул в системе до макроскопических значений превращаются в известные уравнения термодинамики макросистем. Другими словами, нанотермодинамика не только совместима с макроскопической термодинамикой, но одновременно является её логическим продолжением. Очевидно, пришло время и необходимость создания системы нанотехнологического образования  школьников [83] и студентов, возрождения высокого уровня инженерного образования. Каким быть инженерно-физическому образованию и с чего начинать в школе и ВУЗе – это вопросы  для неотложного решения. Поэтому основы нанонауки  необходимо обязательно рассматривать в системе подготовки учительских кадров, поскольку сформированное научное мировоззрение учителя в последующем многократно  тиражируется и позволяет (или не позволяет, если оно не сформировано) профессионально подготовить новое поколение рабочих, исследователей и инженеров, способных работать в этой новой, достаточно сложной и мультидисциплинарной области науки и техники. 

Отметим, что при рассмотрении вопросов термодинамики, нужно акцентировать внимание студентов также на необходимость при термодинамических исследованиях нижним индексом указывать, при каком фиксированном параметре берется частная производная. Как видно из (18) одна и та же частная производная

 имеет разное значение, в зависимости от фиксированного параметра. В связи с этим очень показателен следующий пример из истории физики. 

В теории упругости доказывается, что при деформации упругой среды в ней возникают упругие (звуковые) волны, и скорость этих волн определяется производной: 

                                                                                                                                                (19) 

где р – давление, ρ – плотность. 

Поскольку в газах (например, атмосферные газы) могут возникать звуковые волны, то газы можно рассматривать как упругую среду, и к ним можно применять выражение (19). Но, как известно, давление в газах зависит не только от плотности, поэтому последняя формула дает неопределенный результат до тех пор, пока не будет указано, при каких условиях следует рассматривать производную в этой формуле. Ньютон, например, считал, что поскольку при распространении упругой (т.е. звуковой) волны в газах температура не меняется, то данный процесс протекает изотермически. Из уравнения изотермического процесса pV const для воздуха (его при обычных условиях можно рассматривать как идеальный газ) после дифференцирования pdV Vdp 0 можно определить производную: 

                                                                                                                                        (20)

       

от которой зависит скорость звука в воздухе. Плотность воздуха

можно найти из уравнения Менделеева-Клапейрона RT , тогда скорость звука в воздухе (µ=29·10-3 кг/моль) при температуре  Т = 273К будет равна: 

                                                                                                                            (21) 

Но опытное значение скорости звуковых волн в воздухе существенно выше и составляет ~330м/с. Такое значительное расхождение экспериментальных данных и результатов теории Ньютона, без сомнения, говорит о том, что Ньютон не учел, что воздух имеет очень низкую теплопроводность и процессы  смены разрежения-сжатия воздуха, которые являются  носителями звуковой волны, происходят очень быстро. Поэтому эти процессы нужно рассматривать не как изотермические, а как адиабатические. На ошибки расчетов Ньютона в 1800 году указал Лаплас, и, на самом деле, производную в (20) нужно определять следующим образом. 

Для данной массы идеального газа уравнение адиабаты pV constможно записать в виде: . Дифференцируя это

уравнение, получим:      . Поэтому, с учетом последнего выражения, скорость звука по теории Лапласа должна p

быть равна: RT , т.е. в  раз больше, чем по теории Ньютона (21). Для воздуха 1,4, поэтому скорость звука должна равняться: 280 1,4 332м с, что хорошо согласуется с опытными данными. 

Изложенный в статье методический анализ применения законов термодинамики к произвольным системам  убеждает студентов в том, что эти законы являются очень действенным инструментом анализа процессов в любых термодинамических системах, имеют большой потенциал в формировании научного стиля мышления, и поэтому рассмотренные примеры могут быть рекомендованы для использования преподавателями в лекционной практике.

 

 

2.8. РОЗВИТОК НАНОТЕХНОЛОГІЙ. НАНОТЕРМОДІНАМІКА  

А.Д. Стадник, канд. физ.-мат. наук, доцент

О.В. Яременко, канд. физ.-мат. наук, доцент 

 

Останнім часом в Україні виконувалась державна цільова програма «Нанотехнології та наноматеріали» на 2010-2014 роки, розроблена Міністерством освіти і науки та Національною академією наук України [95]. У ній, зокрема, передбачалося створення у вузах науково-навчальних центрів, написання підручників і навчальних посібників з проблеми розробки і виготовлення наноматеріалів.

У практичному плані актуальність дослідження наноматеріалів і нанотехнологій обумовлена тим, що світ стоїть на порозі VI технологічного укладу в основі якого лежить застосування нанотехнологій. 

Технологічний уклад означає сукупність взаємозв’язаних виробництв, що мають єдиний технічний рівень і розвиваються синхронно. Зміна домінуючих в економіці технологічних укладів зумовлює нерівномірний хід науково-технічного прогресу.

Одним із критеріїв успішного освоєння нових технологій є частка продуктів технологічних укладів в економіці. Провідні позиції з багатьох напрямків формування нового технологічного укладу належать США. В економіці США, наприклад, частка  V технологічного укладу становить 60%, IV  20% і близько 5% вже припадають на VI технологічний уклад [49]. В економіці України домінують ІІІ і IV технологічні уклади (таблиця 3) [126].

Експерти вважають, що економіка України в області нанотехнологій відстала від ЄС на ціле покоління. 

Таблиця 3 

Показники за технологічними укладами в Україні, 2010 р. [152]

Показники

Технологічні уклади

3-й

4-й

5-й

6-й

Обсяг виробництва продукції

57,9%

38%

4%

0,1%

Фінансування наукових розробок

6%

69,7%

23%

0,3%

Витрати на інновації

30%

60%

8,6%

0,4%

Інвестиції

75%

20%

4,5%

0,5%

Вкладення капіталу на технічне переозброєння і модернізацію

83%

10%

6,1%

0.9%

 

Первинна класифікація нанооб’єктів і наноматеріалів подана на рисунку 22.

Основні типи структури наноматеріалів за Глейтером представлені на рисунку 21.

 

Рис. 21. Основні типи структури наноматеріалів за Глейтером [152].

Таким чином наноматеріали можна класифікувани за хімічним складом, формою кристалітів і розташуванням меж розділу. 

 

Рис. 22. Первинна класифікація нанооб’єктів [126]

За вказаними вище параметрами наноматеріали поділяються на шаруваті, волокнисті і рівноосні, для яких відповідно товщина шару, діаметр волокна чи зерна менші за деяке граничне значення, наприклад 100 нм.

Деякі властивості композиційних матеріалів і параметри нанооб’єктів. Нами для вивчення наноструктури полімерних композиційних матеріалів були використані методи рентгенографії, інфрачервоної спектроскопії, електронної і світлової мікроскопії.

У композиційних матеріалах фізико-механічні властивості матриць багато в чому визначаються складом і властивостями міжфазних шарів. Шляхом впливу силових полів на процеси формування структури полімерної матриці, наповнювачів і міжфазних шарів можливе регулювання властивостей композиційних матеріалів [112]. Розміри міжфазних шарів співставні з розмірами молекул контактуючих фаз і знаходяться в межах декількох ангстрем.

Розподіл наповнювачів у композиційних матеріалах, особливі умови формування структури, включаючи структуру міжфазних шарів, які мають властивості наносистеми, впливають на теплофізичні властивості (рис. 23).

 

Рис. 23. Залежність температури плавлення ПВДФ від концентрації Ti, мас.% 

 

Особливо це добре спостерігається в структурно чутливих композитах на основі полівініліденфториду (ПВДФ), підданого термомагнітній обробці (ТМО). Частина макромолекул, або їх надмолекулярних утворень, переходять в полярну фазу. Полімерну матрицю при цьому можна розглядати, як наногетерогенную систему.

Така наногетерогенна система може мати різні за розмірами, а значить: за температурою плавлення, наноструктурні утворення. Це, як буде показано нижче, якісно співпадає з висновками нанотермодинаміки Хілла, зокрема можливість існування температури плавлення кожного з наноутворень, з яких складається наноструктурована полімерна матриця яка характеризується не нульовим значенням поверхневої енергії.

Іншим напрямком синтезу вуглецевих наноструктур ПВДФ  є карбонізація радіаційним або хімічними методами. Відзначимо,  що формально виділена група з молекул полімеру всередині однорідного середовища незалежності не має. Отже, з точки зору термодинаміки, її не можна вважати наносистемою. Проте, умовно виділена комірка системи наповнювач полімер, оточена сукупністю невзаємодіючих з наповнювачем макромолекул, має набір самостійних термодинамічних характеристик і є наносистемою. Крім того, у разі утворення макромолекулами ПВДФ областей з сегнетоелектричними властивостями, останні також можна розглядати як наноструктурні елементи.

У таблиці 4 наведені для порівняння деякі параметри макро- і нанооб’єктів, які визначають їх фізико-хімічні властивості.

До особливостей переносу теплоти в наноструктурах, як зазначено в роботі [125], відносять: наявність балістичної теплопровідності, істотного внеску контактного теплового опору. Воно в наноструктурах зазвичай відіграє першочергове значення. Суттєво впливає також розсіювання частинок на границях наноутворень і наявність квантово-розмірних ефектів.

Таким чином, теплофізичні властивості наноматеріалів а також композиційних матеріалів, що мають структурні нанокомпоненти, напевно не можуть бути описані у рамках класичних уявлень термодинаміки і потребують подальшого уточнення.

           

Таблиця 4 Деякі параметри макро- і нанооб’єктів

Параметри макрооб’єктів

Параметри нанооб’єктів

1

Однорідність 

Неоднорідність

2

Рівноважність

Нерівноважність

3

Необмежена кількість частинок в системі.

Незалежність від розмірів.

Обмежена кількість частинок в системі. 

Квантово- розмірні ефекти: (Температура Дебая, плавлення, кристалізації, фазових переходів; коефіцієнти теплопровідності, дифузії, теплоємність, зміна ентальпії; електропровідність, магнітні, оптичні властивості та ін.).

4

Незалежність від питомої поверхні 

Залежність від питомої поверхні 

5

Незалежність від часу

Метастабільність

6

Статистично середні величини параметрів 

Різниця величин параметрів

7

Малість вкладу флуктуацій 

Значущість флуктуацій 

8

Малість спінових ефектів 

Прояв спінових ефектів, тунельних явищ між частинками 

9

Неперервність значень енергії

Дискретність значень енергії

 

Нанотермодінаміка. Відомо, що закони класичної термодинаміки визначають властивості систем, що ведуть себе подібно до ідеальних газів. Вони були використані для описування процесів, пов’язаних зі змінами тиску і об’єму системи і роботою, яка при цьому виконується системою, або над нею.

δQ = dE + pdV. Тут E – внутрішня енергія, p – тиск, V – об’єм.

Предметом термодинаміки є вивчення взаємних перетворень різних видів енергії, пов’язаних, наприклад, з переходами енергії між тілами у формі теплоти і роботи.

Процеси, що відбуваються в таких системах, описуються макроскопічними величинами, такими як тиск або температура, які не застосовні до окремих молекул і атомів. Закони термодинаміки носять загальний характер і не залежать від особливості будови речовини на атомарному рівні.

Основи нанотермодинаміки були закладені ще Дж. В. Гіббсом [23]. В основному саме метод поверхневих фаз Гіббса знайшов подальший розвиток в термодинаміці малих об’єктів.

Альтернативний, що в набагато меншому ступені використовується, підхід термодинаміки малих систем був запропонований Т. Хіллом [154]. У 1962 Террелл Л. Хілл (1917-2014) написав роботу, яка може вважатися внеском хімії в маршрут до «нанореволюції», і запропонував перейменувати термодинаміку малих систем, як нанотермодінаміка.

Точні рівняння термодинаміки малих систем мають вигляд [23, 10]:

dE = TdS-pdV + µN

E = TS-pV + μN + W Тут використовуються, в основному, стандартні позначення.

Нанотермодінаміка – це врахування наслідків ненульової величини W.

 На відміну від звичайної термодинаміки макроскопічних систем у нанотермодинаміці, виникають два хімічних потенціали: «інтегральний»  і «диференціальний» μ, для яких

 

G = Nμ

Тут G- вільна енергія Гіббса, N – число структурних одиниць в наночастинці. Різниця між потенціалами  і μ пов’язана з ненульовим значенням W, як величини яка припадає на одну наноструктурну частинку. 

 

Якщо число молекул N → ∞, хімічні потенціали  і μ прямують до одного і того ж значення μ0.

Як зазначає Павлов В.А. [85], для наночастинок, які здатні затвердіти або, навпаки, розплавитися, є чотири хімічних потенціали:

два «диференціальних» хімічних потенціали  і два «інтегральних» μ.

Т. Хілл показав, що фазовий перехід відбувається при співпаданні «інтегральних» хімічних потенціалів

 

Згідно Хіллу температура плавлення наночастинки:

 

де  – температура плавлення наночастинки,  – температура плавлення макроскопічного кристала,  зміна питомої ентропії при плавленні кристала (на одну молекулу), N – число структурних одиниць в наночастинках,

 

  – поверхневий натяг рідкої і твердої частинок однакової маси, – відповідно площа поверхні наночастинки в рідкому і твердому стані. При цьому величина Δa <0.

Для температури плавлення наночастинки справедливим буде співвідношення:

 

де r – еквімолекулярний радіус твердої частинки, q – питома теплота плавлення. Величина Δσ> 0,

,

              и  – густини макроскопічних фаз, кристала і рідини.

Розглядаючи ансамбль з однакових наносистем Т. Хілл припустив, що енергія взаємодії між наносистемами в такому ансамблі досить мала в порівнянні з внутрішньою енергією окремої наносистеми.

У наносистемі хімічний потенціал, а також питома вільна енергія та інші питомі екстенсивні величини залежать не тільки від Р і T, а й від третього параметра N. При N → ∞, зазначені величини прагнуть до своїх макроскопічних значень.

Основне джерело відмінностей між нанотермодинамікою та макроскопічною термодинамікою – додатковий доданок W.

У макроскопічному випадку величиною W можна знехтувати. У нанотермодинаміці таке спрощення неприпустиме, оскільки тут має враховуватися будь-яке мале порушення однорідності.

Павлов В.А. [85] розглядав відмінність нанотермодинаміки і класичної термодинамки. Він зазначає, що термодинамічні рівняння, що застосовуються до наносистем, мають більш складну структуру, але перетворюються на звичайні зі збільшенням числа молекул в системі до макроскопічних значень.

А.І. Русанов [100] для опису термодинаміки стану наночасток рекомендує використовувати метод Гіббса, оскільки він дозволяє отримувати зручні для аналізу математичні залежності та коректну їх фізичну інтерпретацію.

Новий підхід для термодинамічного дослідження малих об’єктів запропонував Л.М. Щербаков [135]. Він навів термодинамічний опис деяких явищ, що відбуваються в нанодисперсних системах, зокрема, зниження температури плавлення дисперсних частинок, особливості змочування малих об’єктів. Мабуть, нанотермодинаміка ще покаже і опише нові явища в наноматеріалах (у тонких плівках, нанокомпозитах та ін.).

Висновки

1.                 Нанотермодинаміка, яка описує процеси, що відбуваються в нанооб’єктах, є уточненням макроскопічної термодинаміки. 

2.                 Її твердження можуть бути застосовані до систем незалежно від розміру системи.

3.                 У наносистемах їх розмір є незалежним параметром стану.

4.                 Цілком очевидно що, існуючі методи дослідження наночастинок потребують подальшого розвитку та удосконалення. Метод Т. Хілла можна використовувати для термодинамічного опису процесів, що відбуваються в системах, які складаються з ансамблю наночасток.

           

2.9. СТВОРЕННЯ ОСВІТНІХ НАНОКЛАСТЕРІВ ДЛЯ

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ВИВЧЕННЯ НАНОТЕХНОЛОГІЙ В

ШКОЛАХ ТА ВНЗ

 

О.Д. Стадник, канд. фіз.-мат. наук, доцент

О.М. Завражна, канд. фіз.-мат. наук, доцент 

 

Розвиток наукоємних галузей виробництва займає особливе місце в пріоритетах індустріальної держави. Загально визнаним лідером розвитку світової економіки на сучасному етапі вважається наноіндустрія. Її розвиток є одним з індикаторів перспектив конкурентоздатності країн в області високих технологій, оскільки суттєво впливає на ВВП та динаміку його росту. За оцінками фахівців, ринок нанотехнологічної продукції та послуг до 2015 року буде становити близько 1,5 трильйона доларів.

Вивчення наукових прогнозів показує, що на базі нанотехнологій, наприклад, близько 2025 року може вже відбутися перша пересадка людині печінки, «надрукованої» на 3D-принтері. Завдяки впровадженню нанотехнологій 5% споживчих товарів будуть надруковані на 3D-принтері; 10% автомобілів будуть керуватися роботами; 50% робочих місць сучасного світу будуть повністю автоматизовані, тому зникне безліч звичних зараз професій. Ці прогнози здаються неймовірними, але вони засновані на аналізі темпів впровадження нанотехнологій. Тому вивчення нанотехнологій у школах та ВНЗ є актуальною проблемою.

Недостатня увага до розвитку наноосвіти в Україні, запізнення з впровадженням сучасних досягнень нанонауки в промисловість може привести до технологічної деградації економіки України, скорочення частки продукції сучасного п’ятого технологічного укладу. Отже, аналіз сучасного стану наноосвіти в Україні, можливостей та проблем її розвитку є однією із найбільш актуальних проблем сучасної вищої освіти в нашій державі.

Як показує аналіз літературних джерел, освітні професійні програми з нанонауки та нанотехнології запроваджено у навчальний процес багатьох країн світу і вони розраховані на різні рівні освіти – від молодших школярів до студентів університетів [14], [161]. 

Позитивний досвід демонструє, наприклад, Центр нанотехнологій в коледжах Пенсильванії [151]. Для знайомства з азами нанотехнології там використовуються веб-трансляції,  відео окремих навчальних модулів, проводяться літні нанотабори  для старшокласників по всій Пенсільванії, які дають їм знання  про основні нанопроцеси, а також надається можливість безпосередньо спостерігати нанотехнологічні процеси, і,  що дуже важливо, демонструються ресурси, пов’язані з кар’єрою  в області нанотехнологій.

Більшість університетів Японії займаються нанотехнологіями  у рамках наотехнологічного кластера та нанотехнологічної платформи [201]. Вони активно залучаються не лише до наукових досліджень, але і до комерціалізації розробок.

У деяких Українських вишах теж готують фахівців за спеціальністю мікро- та наноелектроніка, а також за іншими, пов’язаними з нанотехнологіями. На наш погляд, навіть виконання Державної цільової науково-технічної програми «Нанотехнології та наноматеріали», дія якої завершена в 2014 році [32], не внесло суттєвих змін як у освітню галузь, так і у впровадження сучасних досягнень нанотехнологій у промисловість. 

Мета дослідження полягає в приверненні уваги МОН України, керівників регіонів та промислових підприємств, освітніх закладів, зокрема викладачів кафедр фізики, хімії, біології, інформатики до необхідності вивчення нанотехнологій в школах та ВНЗ, до питання розвитку методичного забезпечення нанонауки і наноосвіти, а також створення її інфраструктури і пошуку можливостей впровадження і комерціалізації її результатів.

Властивості наноматеріалів істотно відрізняються від властивостей класичних макроматеріалів, які добре вивчені і значною мірою вичерпали свій ресурс розвитку. Найважливішими особливостями наноматеріалів є відносно велике число атомів на поверхні (межі розділу) і квантово-розмірні ефекти.

На міжнародному рівні можна виділити кілька визначень нанотехнології, які є найбільш вживаними (табл. 5).

Таблиця 5 Основні визначення поняття нанотехнології

Організація

Запропоноване визначення

1

VII Рамкова програма ЄС (2007-2013)

Отримання нових знань про явища, властивості яких залежать від інтерфейсу і розміру; управління властивостями матеріалів на нанорівні для отримання нових можливостей їх практичного застосування; інтеграція технологій на нанорівні; здатність до зборки; нанодвигуни; машини і системи; методи і інструменти для опису і маніпулювання на нанорівні; хімічні технології нанометрової точності для виробництва базових матеріалів і компонентів; ефект щодо безпеки людини, охорони здоров’я та охорони навколишнього середовища; метрологія, моніторинг і зчитування, номенклатура і стандарти; дослідження нових концепцій і підходів для практичного застосування в різних галузях, включаючи інтеграцію і конвергенцію з новими технологіями

2

США:

Національна нанотехнологічна ініціатива

(2001)

Нанотехнологія – це розуміння і управління матерією на рівні приблизно від 1 до 100 нм, коли унікальні явища створюють можливості для незвичайного застосування.

Нанотехнологія охоплює природні, технічні науки і є технологію нанометрової шкали, включаючи одержання зображень, вимірювання, моделювання та маніпулювання матерією на цьому рівні.

 

           

Нанотехнології у найбільш розвинутих країнах вже пройшли етап зародження і зараз знаходяться на етапах росту та вдосконалення. На перспективу намічено план дій для всебічного вивчення нанотехнологій від шкільного рівня до рівня ВНЗ і протягом всього життя. При цьому кожен елемент інфраструктури може виконувати свої задачі, з урахуванням напрямків розвитку нанотехнологій (рис. 24). 

 

Рис. 24. Загальна структура класифікації напрямків нанотехнологій

 

Успішне вивчення та впровадження нанотехнологій в Україні, на наш погляд, пов’язане з вирішенням цілого ряду проблем різного рівня, серед яких найбільш важливими є наступні.

1)                Критичне відставання технологічного рівнянаших підприємств та продукції, яку вони випускають, від рівня підприємств країн – лідерів.

Провідні позиції з багатьох напрямків формування нового технологічного укладу належать США. В економіці США, 

наприклад, частка IV технологічного укладу складає 20%, V – 60%, близько 5% вже припадає на VI технологічний уклад [49].  У економіці України домінують ІІІ та IV технологічні уклади

(таблиця 3 на сторінці 163) [18]. Одна з причин нашого відставання полягає в тому, що якість підготовки фахівців не відповідає реальним потребам глобального ринку.

2)                Гострий брак висококласних фахівців наноіндустрії, як для розвитку нанонауки, вивчення її в школах та ВИШах, так і для комерціалізації результатів. Очевидно, що наноіндустрії потрібні нові кадри. Для цього важливо починати роботу з майбутніми кадрами не з ВНЗ, а зі школи. Але при існуючій зараз системі освіти це виявляється складним, тому що досі у нас в педуніверситетах вчителів- фізиків учать як фізиків, хіміків – як хіміків і т.п. Але ж нанотехнології мають міждисциплінарний характер. Тому велика, а може навіть основна, роль у розвитку нанотехнологій в Україні повинна покладатись на університети, зокрема – педагогічні.

Значний вклад в розвиток нанонауки та технологій вносять

Европейські університети (рис. 25)

 

 

Рис. 25. Європейські університети і інститути, які займаються нанотехнологіями [127]

 

За спеціальною програмою фінансують нанонауку та нанотехнології освітні програми за участю ВНЗ у ряді європейських країн. Велику роль в практичному розвитку та застосуванні нанотехнологій відіграють також відповідні міністерства. Так, наприклад, повчальним є досвід міністерств в США у розробці та використанні нанотехнологій [14]. Міністерство оборони (DoD) зацікавлене в нанорозробках для систем захисту від хімічної і біологічної зброї; в нових якісних матеріалах для різних озброєнь; нових комп’ютерних і телекомунікаційних технологіях; надмініатюрних засобах пересування і мініатюрних супутниках. Міністерство енергетики (DoE) зацікавлене в просуванні водневої енергетики, зокрема, у виробництві наноматеріалів для систем зберігання водню. Міністерство транспорту (DoТ) зацікавлене в просуванні технології міцних конструкційних наноматеріалів, в технологіях виробництва бітумів і цементів з використанням наночасток. Національне аерокосмічне агентство (NASA) фінансує розробки нових міцних і легких матеріалів, а також приладів і сенсорів, які споживають малі потужності і працюють з високою надійністю в умовах космосу при високому рівні радіації.

На наш погляд, голови регіонів України спільно з наукомісткими підприємствами-лідерами регіону могли б визначити перспективні потреби в сучасних кадрах і ініціювати пілотний проект у сфері підготовки фахівців для наноіндустрії. При цьому в педагогічних університетах могли б бути започатковані та розвиватись регіональні центри наноосвіти для потреб навчальних закладів різного рівня, а також для просвітницької та науковометодичної роботи. 

3)                Недостатньо розвинена інфраструктура для практичного вивчення нанотехнологій. Зокрема обмежене використання наявного обладнання та устаткування на відповідних кафедрах ВНЗ та практично відсутні спільні кафедр ВНЗ та підприємств для ефективного використання унікального обладнання. 

Сучасне навчальне обладнання з нанотехнологій відносно дороге та наукоємне. Наприклад комплекс з нанотехнології NanoEducator-6 [190] містить шість скануючих зондових мікроскопів та призначений для викладання основ нанотехнології. Вивчення нанотехнологій можна розпочати з використання наявного обладнання на відповідних кафедрах ВНЗ. Наприклад, кафедра фізики та методики навчання фізики Сумського державного педагогічного університету (СумДПУ) імені А.С. Макаренка має наукові лабораторії: електронної мікроскопії, рентгеноструктурного аналізу, масспектрометрії, композиційних матеріалів, вакуумної техніки, інноваційних методів навчання з обладнанням, достатнім для початку робіт з наноосвіти. 

4)                Не створені освітні нанокластери. Кластер «Наноосвіта» можна також назвати кластером запозичення і гармонізації передового педагогічного досвіду, що є обов’язковою умовою конкурентоспроможності освіти взагалі. Без взаємодії з промисловим співтовариством ВНЗ не в змозі адекватно оцінити і спрогнозувати зміни кон’юнктури ринків праці та освітніх послуг. 

Зарубіжний досвід показує, що корпоративна взаємодія університетів і підприємств є економічно вигідною для всіх його суб’єктів. Зауважимо також, що деякі університети пішли  шляхом об’єднання своїх матеріально-технічних, інформаційних та кадрових ресурсів.

Зрозуміло, що в епоху переходу до більш високого технологічного укладу, в якому домінуючим є розвиток нанонауки і впровадження її результатів, фахівці, яких випускають ВНЗ, повинні бути підготовлені в області нанотехнологій. На жаль, у наш час більшість викладачів ВИШів прагнуть спочатку навчати студентів своїй дисципліні на рівні бакалавра (фізика, хімія, біологія і т.п.). На наш погляд, більш перспективною є широка міждисциплінарна базова підготовка у різних напрямках, включаючи нанонауки, та подальша спеціалізація у певній області застосування. 

5)                Відсутні моделі наноосвіти, тобто реально існує велике відставання вивчення сучасних проривних технологій, зокрема – нанотехнологій, у школах та ВНЗ. Модель наноосвіти, спираючись на нові освітні технології, повинна складатися з гнучких і міждисциплінарних модулів, спрямованих для навчання кваліфікованих робітників. 

Учитель нового покоління повинен бути фахівцем у різних предметних галузях. У педуніверситетах доцільно відкрити відділення магістратури для вчителів-методистів, управлінців в освіті і для перепідготовки вчителів з глибоким вивченням основ нанонаук і нанотехнологій, оскільки це питання не може бути вирішене в рамках компетенцій інститутів післядипломної освіти.  Висновки та перспективи подальших наукових досліджень.

1.                 Для зменшення ступеню відставання технологічного рівня наших підприємств та продукції, яку вони випускають доцільно створювати спільні кафедри з провідними підприємствами регіону для використання наявного та придбання нового унікального обладнання, виконання досліджень на їх замовлення. 

2.                 Вирішенню проблеми браку висококласних фахівців наноіндустрії сприяло б створення в регіоні освітньо-виробничого кластера «Наноіндустрія» та розробки в кожному регіоні країни Програми (плану дій, дорожньої карти) розвитку нанотехнологій. 

3.                 Враховуючи міждисциплінарний характер нанотехнологій доцільно внести відповідні зміни в програми підготовки учителів фізики, хімії, біології та ін.

4.                 Потрібен аналіз потреб і можливостей підприємств регіону з подальшим виходом їх на перспективні міжнародні ринки нанотехнологій. Доцільно в педвузах, спільно з Інститутам НАНУ та Управлінням освіти, відкрити нові, або додаткові спеціальності магістратури: «Нанотехнології» для перепідготовки вчителів фізики, хімії, біології, а також інженерно-технологічних фахівців профільних промислових підприємств. Необхідне створення навчально-наукового центру з наноматеріалів і нанотехнологій для потреб шкіл міста, області, регіону, а також для ведення просвітницької та науковометодичної роботи. 

5.                 В сфері наноіндустрії покласти на педагогічні університети місію по створенню освітніх нанокластерів і центрів колективного користування науковим обладнанням, по інтеграції наукової та освітньої діяльності на всіх рівнях вищої і післядипломної освіти з метою виконання досліджень високого рівня для потреб регіону і країни, забезпечення взаємодії з академічними та галузевими секторами науки, міжвузівськими комунікаціями, формування єдиної технологічної культури нового покоління.

           

2.10. ВПРОВАДЖЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ

ДЕРЖЖБЮДЖЕТНОЇ ТЕМИ «МЕТОДИКА НАВЧАННЯ

НАНОТЕХНОЛОГІЙ У ЦИКЛІ ПРИРОДНИЧОМАТЕМАТИЧНИХ ДИСЦИПЛІН ЗАГАЛЬНООСВІТНІХ ТА

ВИЩИХ ПЕДАГОГІЧНИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ» У НАВЧАЛЬНИЙ ПРОЦЕС НА ФІЗИКО-ИАТЕМАТИЧНОМУ

ФАКУЛЬТЕТІ СУМДПУ ІМЕНІ А.С. МАКАРЕНКА 

 

О.М. Завражна, канд. фіз.-мат. наук, доцент

 

Сучасна наука швидко розвивається, безперервно доповнюється та оновлюється новими знаннями, новими теоріями, що є досить абстрактними та складними. На основі аналізу останніх досягнень фізики можна стверджувати, що людство знаходиться на порозі чергової зміни наукової парадигми. 

Фізика як наука і та, яку вивчають у ВНЗ – це зовсім різні речі.  І як наслідок, існує істотний розрив між сучасним рівнем  наукових фізичних знань і змістом освітніх програм вищих навчальних закладів. 

Враховуючи те, що в світі спостерігається широкомасштабне застосування нанотехнологій та підвищення наукоємності виробництва, потрібна негайна підготовка кваліфікованих кадрів, які матимуть високий рівень розвитку професійних здібностей, умінь передбачити нові відкриття, нові технології. Для того, щоб отримати таких фахівців, потрібне введення нанотехнології в навчальний процес в загальноосвітніх навчальних закладах. А отже, саме від випускника педагогічного ВНЗ залежатиме професійне самовизначення учнів у сфері нанотехнологій. 

Щоб привчити учнів – майбутніх фахівців цікавитися новинами в області фізики, а саме нанотехнологій, та стимулювати дітей до самостійного пошуку інформації вчитель і сам повинен вміти доносити інформацію до учнів, він сам повинен брати активну участь, як в раціоналізаторській, так і в дослідницькій роботах. Готовність і бажання до дослідницької діяльності і наукової культури, формуються в системі професійної вищої освіти одночасно з професійними компетенціями.

Розглянемо досвід впровадження результатів дослідження держжбюджетної теми «Методика навчання нанотехнологій у циклі природничо-математичних дисциплін загальноосвітніх та вищих педагогічних навчальних закладів» у навчальний процес на фізикоматематичному факультеті СумДПУ імені А. С. Макаренка.

Традиційно залучення студентів до дослідницької роботи відбувається на старших курсах. В рамках дисциплін природничоматематичного циклу була організована інтеграція дослідницької та навчальної діяльностей студентів молодших курсів.

Наукова робота викладачів і студентів була організована  нами відповідно до тем курсів дисциплін природничо-математичного циклу та держжбюджетної теми. Були використані наступні  форми організації спільної навчально-наукової діяльності  викладачів, студентів:

1. Організація інтегрованих студентських проблемних груп. Робота у групі забезпечує необхідне поєднання масових форм роботи (бесіди, диспути, тематичні вечори, обговорення доповідей) з обов’язковим дослідженням кожним студентом індивідуальної теми.

Проблемна група має творчий характер і виховує у майбутнього педагога якості дослідника, збагачує і закріплює знання й уміння студентів, готує їх до розв’язання завдань, які мають практичне значення для народної освіти і господарства країни, основними завданнями студентської наукової групи є:

                   закріплення теоретичних знань, отриманих під час вивчення навчальних дисциплін;

                   оволодіння початковими навичками планування, організації та проведення наукового дослідження, створення методик і обробка отриманих результатів.

Розв’язання цих завдань здійснюється шляхом підготовки рефератів і доповідей за науково-технічною літературою, створення картотек і анотацій, проектування і виготовлення лабораторних установок, демонстраційних стендів, наочного матеріалу, ТНЗ, підготовки лекцій з питань науково-технічної проблематики, перекладу іноземної літератури і т.д.

В умовах групи студенти вивчають актуальні проблеми науки протягом усього періоду навчання. 

Робота студентської групи організовується у формі студентського дискусійного клубу або в іншій формі як прояв студентського самоврядування із залученням викладачів ВНЗ в ролі консультантів з метою стимулювання ініціативи і творчості студентів.

У такі групи об’єднуються студенти різних курсів та навчальних груп, з різною успішністю, але всі вони мають бажання виконувати дослідну роботу. Члени групи самі встановлюють регламент спілкування, самостійно спрямовують свою діяльність і представляють результати роботи викладачам.

При використанні групової роботи ми переслідуємо декілька цілей. Перша – покращення інформованості членів групи. Друга мета полягає в отриманні нових ідей: робота в групі підвищує активність її окремих членів і стимулює їх до знаходження нових варіантів.

У групі студенти обмінюються ідеями і їх об’єднує те, що може дати хороший ефект. Але для отримання такого ефекту потрібно, як мінімум, щоб члени групи взаємно доповнювали один одного.

Наведемо студентські проблемні групи, які працювали  на кафедрі фізики та методики навчання фізики (МНФ)  у 2015-2016 навчальному році:

ü    Сучасні тенденції у навчанні фізиці.

ü    Сучасні проблеми методики навчання фізики.

ü    Фізика тонких плівок.

ü    Нанооб’єкти та вивчення їх властивостей.

ü    Нанотехнології у шкільному курсі фізики.

2. Участь в науково-практичних та науково-методичних конференціях різного рівня. Кафедра фізики та МНФ СумДПУ імені А. С. Макаренка щорічно проводить дві конференції. Всеукраїнську науково-практичну конференцію молодих учених «Сучасні проблеми експериментальної, теоретичної фізики та методики навчання фізики», за результатами якої видаються матеріали. У матеріалах конференції подаються статті та тези, в яких наведено результати теоретичних і експериментальних досліджень студентів, аспірантів наукових співробітників, викладачів навчальних закладів освіти. 

Серед головних завдань конференції – підтримка молодих учених у підвищенні їх професійної кваліфікації та наукового  рівня; обмін новими ідеями та досвідом; апробація нових  наукових результатів; набуття досвіду публічного захисту основних результатів досліджень

Тематичними напрямами роботи конференції є:

1.Сучасні проблеми експериментальної фізики.

1.       Сучасні проблеми теоретичної фізики.

2.       Питання теорії та методики навчання фізики та нанотехнологій.

Друга конференція – Всеукраїнська науково-методична конференція «Теоретико-методичні засади вивчення сучасної  фізики та нанотехнологій у загальноосвітніх та вищих навчальних закладах» консолідує зусилля та обмін досвідом викладання питань сучасної фізики та нанотехнологій у вищому навчальному закладі та школі у сучасному освітньому, психологічному та культурному просторі, обмін новими ідеями та досвідом; апробацію нових наукових результатів; набуття досвіду публічного захисту основних результатів досліджень.

У роботі конференції беруть участь студенти – майбутні вчителі фізики, математики та фізики, інформатики, магістри, майбутні викладачі фізичних дисциплін у ВНЗ; вчителі фізики та математики, аспіранти, працівники наукових установ тощо.

Тематичними напрямами роботи конференції є:

1.                 Психолого-педагогічні аспекти вивчення сучасної фізики та нанотехнологій у загальноосвітніх та вищих навчальних закладах.

2.                 Теоретико-методичні засади вивчення сучасної фізики та нанотехнологій у загальноосвітніх навчальних закладах.

3.                 Теоретико-методичні засади вивчення сучасної фізики та нанотехнологій у вищих навчальних закладах.

Згідно з програмами конференцій проводяться пленарні засідання, робота секцій за напрямами, круглий стіл. Також в рамках конференції проводяться мастер-класси для студентів ІІІ-ІV курсів та магістрантів з методики викладання проблемних питань сучасної фізики (лектор – Сусь Б. А., професор кафедри фізики Військового інституту телекомунікацій та інформатизації (м.Київ), доктор педагогічних наук, професор).

Кількість учасників конференцій – понад 100, одна третя з них це вчителі загальноосвітніх навчальних закладів м. Суми, які виявили зацікавленість до роботи конференцій та взяли участь у роботі секцій та обговоренні доповідей.

Географія іногородніх учасників теж досить обширна:

               Військовий інститут телекомунікацій та інформатизації

(м.Київ),

               Південноукраїнський         Національний   Педагогічний

Університет імені К. Д. Ушинського (м. Одеса),

               Кіровоградський державний педагогічний університет імені

В.Винниченка,  

               Луцький національний технічний університет,

               Кіровоградська льотна академія Національного авіаційного університету,

               Дніпропетровський   державний         аграрно-економічний

університет,

               Національна металургійна академія України (НМетАУ)

(м. Дніпропетровськ),

               Державний університет телекомунікацій (м. Київ),

               Інститут Інформаційних технологій і засобів навчання НАПН

України, (м. Київ),

               Науково-технічний металургійний ліцей № 16 (м. Кривий Ріг),

               Інститут прикладної фізики Національної академії наук

України (м. Суми),

               Рівненський державний гуманітарний університет,

               ДЗ «Луганський національний університет імені Тараса

Шевченка» (м. Старобільськ),

               Сумський національний аграрний університет,

           

3.                 Наступна форма організації спільної навчально-наукової діяльності викладачів, студентів – це організація і проведення студентами старших курсів бесід з основ нанотехнологій для школярів і студентів молодших курсів;

4.                 Організація відвідувань студентами молодших курсів в ролі слухачів науково-практичних конференцій випускників;

5.                 Організація зустрічей учених і студентів з тематики нанотехнологій.

Останні роки досить активно практикується спільна робота студентів і школярів. Як показує наш досвід, ця співпраця  є дуже ефективною. Робота студентів полягає в розробці шкільних проектів з нанотехнологій разом з учнями загальноосвітніх шкіл (наприклад, проект «Нанотехнології: яке майбутнє нас чекає?»). Звісно, така форма самостійної роботи студентів проводитися під керівництвом викладачів.

Організація впровадження результатів дослідження держжбюджетної теми «Методика навчання нанотехнологій у циклі природничо-математичних дисциплін загальноосвітніх та вищих педагогічних навчальних закладів» у навчальний процес на фізикоматематичному факультеті СумДПУ імені А. С. Макаренка відбувається наступним чином. 

На першому курсі навчання для студентів організовується знайомство з роботою кафедри фізики та методики навчання фізики та науковими лабораторіямі, які працюють на базі кафедри фізики та МНФ (навчально-наукова лабораторія інноваційних технологій викладання фізики, навчально-наукова лабораторія композиційних матеріалів, наукова лабораторія вакуумної техніки, масспектрометрії, та рентгенограії). 

Це дає змогу студентам отримати загальне уявлення про напрямки, в яких ведеться дослідницька і наукова робота, зорієнтуватися в своїх перевагах для подальшого вибору об’єкта свого дослідження.

Визначити напрям, який його цікавить, студент може, виділивши найбільш важливі для себе компетенції. І саме на  них більшою мірою орієнтована самостійна робота студента  в галузі нанотехнологій.

Далі при написанні курсових робіт з загально курсу фізики  та основ нанотехнологій, з методики викладання фізики та  основ нанотехнологій відбувається знайомство з літературою  в галузі дослідження, з основними процесами, а також засвоєння основних методик.

Після 4 курсу – підготовка випускної кваліфікаційної роботи під керівництвом наукового керівника. Вона полягає в підготовці літературного огляду, зборі експериментальних даних, освоєнні і застосуванні відповідних методів обробки набраного матеріалу. Необхідно, щоб складність і обсяг придбаних студентами знань, умінь і навичок в процесі виконуваної ними наукової роботи зростали поступово. Наприклад, на 1-му і 2-му курсах метою і основним змістом всієї роботи є формування у студентів в ході загальнонаукової підготовки перспективних навичок, умінь і придбання найпростіших знань, необхідних для виконання наукової роботи, навчання основам самостійної роботи, розвиток нестандартного мислення. Тут корисна реферативна робота і наукові дослідження в рамках лабораторних робіт. На 3-му курсі підготовки є корисним виконання невеликих самостійних досліджень, таким чином відбувається формування профільних дослідницьких навичок, поглиблення знань методів, методик, технічних засобів проведення досліджень і обробки результатів. На цьому етапі є обов’язковим участь в конференціях, конкурсах наукових робіт. На 4-му курсі – подальше формування, закріплення і вдосконалення знань, умінь і навичок, розвиток, творчого мислення та підходу до вирішення конкретних завдань, вміння самостійно приймати і реалізувати рішення, використання отриманих знань на практиці відбувається, головним чином, в процесі самостійної науково-дослідної роботи студентів за індивідуальним завданням.

Дослідження – це процес вивчення явища або предмета з метою виявлення закономірностей його виникнення, розвитку, зміни. Цей процес включає узагальнення накопиченого досвіду, знань і застосування відповідних інструментів, знарядь і методів пізнання. Підсумок дослідження – отримання нових знань і на їх базі в результаті розробки – отримання практичних результатів.

При підготовці до написання дипломної роботи студент узгоджує з викладачем складність і актуальність заявленої тематики. При виборі теми, яку представляється досить складним завершити в терміни, які на це відведено, керівник рекомендує розділити її на кілька простіших для виконання і за часом, і за доступністю матеріалів і устаткування. Це дає змогу студенту працювати над темою, яка представляє для нього інтерес, а також він, таким чином, має можливість розвивати її на наступних курсах, тобто він отримує глибоке і детально пророблене дослідження. 

Науково-дослідна робота (НДР) студентів кафедри фізики та МНФ, має різний характер і, відповідно, різні цілі. Залежно від цілей і запланованих результатів, її можна класифікувати на такі види: 

         Фундаментальні роботи: 

Основна мета цього виду робіт полягає в розширенні теоретичних знань з курсу «Нанотехнології». Отриманні нових наукових даних про процеси, явища, закономірності, що існують в досліджуваній області; наукові основи, методи і принципи досліджень.

         Пошукові роботи: 

Збільшують обсяг знань для більш глибокого розуміння предмета напряму «Нанотехнології», а також розробляють прогнози розвитку науки і техніки; відкривають шляхи застосування нових явищ і закономірностей.

         Прикладні роботи: 

Вирішують конкретні наукові проблеми зі створення нових виробів, розробки проектів.

Ступінь складності всіх цих робіт є різною. До того ж вони відрізняються і необхідним ступенем підготовки студентів.

В таблиці 6 наведена тематика дипломних та магістерських робіт кафедри фізики та МНФ СумДПУ імені А.С. Макаренка згідно видів науково-дослідних робіт за 2015-2016 роки за темою держбюджетного дослідження.

Таблиця 6  Дипломні роботи кафедри фізики  та методики навчання фізики

 

Тема НДР

Виконавець,

Керівник, вчене звання

 

2015 рік захисту

Моделювання потоку заряджених частинок при їх каналюванні в монокристалі

Крикля С. В.

Мороз І.О., професор

Дослідження  провідності ультратонких плівок феромагнітних

металів та сплавів у магнітних полях 

Трохименко О.В.

Шкурдода Ю.О., доцент

ВІМС як метод дослідження елементного

складу нанорозмірних матеріалів

Семеніхіна М. О.

Салтикова А.І., доцент 

Фізична природа прояву особливих властивостей наноматеріалів

Шевченко Є. С.

Завражна О.М., доцент 

Електропровідність та магніторезистивні властивості

нанокристалічних плівок

Fe-Ni/Cu/Fe-Ni

 Малій Л.І.

Шкурдода Ю.О., доцент

Елементи нанотехнологій у шкільному курсі  фізики

Посенко Я.

Яременко О.В., доцент

 

Тема НДР

Виконавець,

Керівник, вчене звання

 

Дослідження особливостей спін-залежного

розсіювання електронів провідності в

асиметричній плівковій системі Co/Cu/Co

Кульченко С. О.

Шкурдода Ю.О., доцент

Вивчення фізичних  основ нанотехнологій 

в курсі фізики середньої

школи

Лісниченко Я. В.

Завражна О.М., доцент

Фізичні основи нанотехнологій та їх використання в наукоємних галузях

Мусіяка М. В.

Стадник О.Д., доцент

Методи одержання наноматеріалів та їх використання

Ткач К.В.

Салтикова А.І., доцент

2016 рік захисту

Дослідження магніторезистивного

ефекту в надтонких плівках кобальту

Салтиков Д.

Шкурдода Ю.О., доцент

Методика вивчення нанотехнологій у курсі фізики старшої школи

Стицюк Л.

Стадник О.Д., доцент

Методичні аспекти вивчення нанотехнологій у курсі фізики основної

школи

Ткаченко Ю.

Мороз І.О., професор

Сучасні методи дослідження та

моделювання нанооб’єктів 

Трохимець Д.

Стадник О.Д., доцент

Тема НДР

Виконавець,

Керівник, вчене звання

Нанооб’єкти та вивчення їх властивостей в курсі

фізики загальноосвітніх

шкіл

Фалько О.

Стадник О.Д., доцент

Екологічні проблеми нанотехнологій

Котенко Ю.

Мороз І.О., професор

Інформаційні бази моделювання нанообєктів в курсі фізики

Кулинець С.

Стадник О.Д., доцент

Вивчення нанотехнологій у школах країн 

Євросоюзу

Пасьовин В.

Стадник О.Д., доцент

Основи нанотехнологій  у шкільному  курсі фізики

Сорока В.

Яременко О.В., доцент

 

Дипломні роботи, які виконуються на кафедрі фізики та МНФ об’єднуються в 3 групи:

1)                роботи, у яких розглядаються нанотехнології у шкільному курсі фізики,

2)                роботи, у яких вивчаються методи дослідження та моделювання нанооб’єктів,

3)                роботи з дослідження властивостей плівкових систем.

Метою робіт першої групи є вивчення проблем нанотехнологій та удосконалення програми курсу з основ нанотехнологій у загальноосвітніх закладах.

Відповідно до поставленої мети, приведемо для прикладу завдання, які виконувались в дипломній роботі:

*          Ознайомлення з        поняттям, історичним        розвитком           та застосуванням нанотехнологій.

           

*          Визначення       позитивних        та      негативних        наслідків нанотехнологій у контексті охорони навколишнього середовища.

*          Вивчення специфіки курсу нанотехнологій, шляху реалізації, вивчення проблем та недоліків викладання нанотехнологій у загальноосвітній школі. 

*          Вдосконалення елективного курсу поглибленого вивчення курсу фізики в рамках екологічних проблем нанотехнологій в Сумській гімназії №1.

*          Розробка   сценарію уроку         «Екологічні       проблеми нанотехнологій» для елективних курсів вивчення нанотехнологій.

Деякі роботи другої групи за свою мету мали: теоретично обґрунтувати організаційно-методичні засади нанотехнологій, адаптувати лабораторні роботи з дослідження та моделювання.

Для досягнення мети реалізувались наступні завдання:

*          зробити аналіз різних підходів до трактування поняття

нанооб’єкт, розглянуто принципи будови;  описати властивості нанооб’єктів;  провести   аналіз        фізичних методів         моделювання    та

дослідження нанооб’єктів  провести аналіз можливостей комп’ютерних програм для

дослідження та моделювання нанооб’єктів;  адаптувати         лабораторні           роботи      для   моделювання    та дослідження нанооб’єктів.

Метою окремих робіт з дослідження властивостей плівкових систем (третя група робіт з нанотехнологій), було встановлення загальних закономірностей розмірних та температурних ефектів на електрофізичні властивості та з’ясування впливу елементного складу, структурно-фазового складу, термообробки на питомий опір, температурний коефіцієнт опору (ТКО) тонких плівок на основі сплавів FeNi. 

У відповідності з метою у роботі вирішувались наступні наукові задачі:

*          розробити          методику одержання         плівкових           сплавів      у

широкому діапазоні концентрацій компонент; 

*          дослідити структурно-фазовий стан плівкових сплавів FeNi до і після термостабілізації в широкому інтервалі товщин і концентрацій;

*          встановити        загальні    закономірності розмірних          і

температурних залежностей питомого опору плівкових сплавів;  виявити вплив структурно-фазового стану та елементного

складу плівок на їх електрофізичні та гальваномагнітні властивості;   провести оцінки параметрів електроперенесення на основі

теоретичних моделей розмірних ефектів в електропровідності.

Для того, щоб забезпечити своєчасне виконання дипломної роботи та її етапів, здійснити оперативний контроль за виконанням робіт і складанням звіту про НДР, для студентів кожний рік розробляється, узгоджується і затверджується план етапів роботи з виконання НДР. В плані вказується:

                   послідовність і терміни виконання етапів дипломної роботи,

                   склад виконавців, якщо потрібна якась підтримка ззовні на певному етапі,

                   номенклатура і терміни складання звіту по етапах роботи і дипломної роботи в цілому.

У таблиці 7 наведено план роботи з виконання науководослідної роботи у 2015-2016 навчальному роках.

Календарний план впорядковує роботу, забезпечує чіткість в роботі і послідовність в дослідженні. Добре продуманий і правильно складений план передбачає всі етапи дослідження і є також важливим засобом самоконтролю.

Викладацький склад кафедри залучає до участі в наукових конференціях і студентів молодших курсів, як показує досвід, це дозволяє об’єднати пізнавальні та навчальні інтереси студентів і можливості, які згодом реорганізуються в курсові і дипломні роботи.

           

Таблиця 7 План роботи

з/п

Календарний  Місяць

Основні заходи

1

Вересень

Обговорення та затвердження теми

2

Жовтень

До 6 листопада здати керівнику - тему, основні завдання роботи. - розгорнутий план (в надрукованому вигляді)

3

10 листопада 2015р.

Семінар     кафедри     фізики    та      методики

навчання фізики підготувати:

1.                Тему, основні завдання роботи.

2.                Розгорнутий план (в надрукованому вигляді).

3.                Огляд літературних джерел по темі, методиці та теорії експерименту.

4

26-27 листопада

2015 р.

 Міжрегіональна        науково-методична конференція «Теоретико-методичні засади вивчення сучасної фізики та нанотехнологій у загальноосвітніх та вищих навчальних закладах»

До конференції підготувати:

1.        Тези, статті до 15 листопада.

2.        Доповідь до 10 хв. за темою роботи.

5

Грудень, Січень

Робота над дослідженням.

6

15-19 лютого 2016 р.

Семінар кафедри фізики та методики навчання фізики підготувати:

1.                Тему, основні завдання роботи.

2.                Розгорнутий план (в надрукованому вигляді).

з/п

Календарний  Місяць

Основні заходи

 

 

3.                Огляд літературних джерел по темі, методиці та теорії експерименту.

4.