В системе дополнительного образования детей образовательная программа юношеской школы «Основа нанотехнологий» относится к научно-исследователькому направлению

Пояснительная записка.

Актуальность и направленность программы

В системе дополнительного образования детей образовательная программа юношеской школы «Основа нанотехнологий» относится к научно-исследователькому направлению.

В связи с бурным развитием нанотехнологической науки существенно расширяется область применения научных достижений в различных сферах человеческой деятельности. Проникая незаметно в нашу жизнь, продукты нанотехнологической отрасли (компьютерная техника, мобильные средства связи, устройства видеонаблюдения, датчики различных процессов, источники энергии и т. д.) становятся ее неотъемлемой частью. При этом отделить нанотехнологические системы от микротехнологических, при изучении устройств подобных приборов является весьма сложной задачей даже для специалистов, поскольку вопрос определения нанотехнологий не решен до сих пор. Поэтому одной из важнейших проблем современного общества является формирование общих представлений о нанотехнологиях, которые в лучшем случае оказываются противоречивыми, а в худшем – подставными. Это связано, прежде всего, с потоком информации, порождаемым рекламной индустрией, зачастую искажающей и фальсифицирующей данные о применении нанотехнологий в предлагаемых изделиях. На основе проведенного нами анализа состояния, с одной стороны, рекламной информации, а с другой – потребительской, становится очевидным необходимость просвещения в этой области потребительской части населения России, начиная со школьного возраста. Данные обстоятельства указывают на важность введения адаптированного ознакомительного курса по основам нанотехнологий, базирующегося на школьных курсах физики и химии для учеников 9-11-х классов общеобразовательных школ.

В рамках юношеской школы «Основы нанотехнологий» учащиеся, приобретают не только теоретические знания по вышеизложенной проблематике, но и практические навыки исследователей-экспериментаторов с последующим представлением полученных результатов в печатных изданиях различного уровня. Проходя такой курс воспитанники школы получают необходимый кругозор для ориентации в нанотехнологической отрасли и овладевают полным циклом методики научно-исследовательской работы.

Актуальность данной образовательной программы определяется двумя ее главными составляющими:

во-первых, развитие творческих способностей воспитанников, приобщение их к исследовательской работе и, в конечном результате, воспитание активной творческой личности – все это является важным аспектом образовательной и воспитательной деятельности образовательных учреждений различных уровней в нашей стране. Завтрашний научный потенциал России зависит от наших сегодняшних учеников. Крайне важно, как можно раньше раскрыть в ребенке качества будущего исследователя, привить ему навыки научной работы; во-вторых, образовательная программа одной их основных целей ставит изучение современного состояния развития нанотехнологий в мире; методов исследования, применяющихся в данной области; приобретение практических навыков работы с нанотехнологическим оборудованием; проведение профориентационной работы. Согласно указу Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. N 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации» особое внимание уделяется направлениям, тесно связанным с развитием нанотехнологической отрасли.

Цели  программы

Развитие познавательных интересов воспитанников, привлечение школьников к научно-исследовательской деятельности (теоретической и экспериментальной) в области нанотехнологий. Изучение современного состояния нанотехнологической отрасли в мире и применения ее продукции. Изучения методов исследования нанотехнологий. Приобретение практических навыков работы на нанотехнологическом оборудовании. Профессиональное самоопределение воспитанников.

Задачи программы

Образовательные задачи:

совершенствование знаний воспитанников в области наук (физика, информатика, химия, математика) и их стыковых частях, являющихся основой нанотехнологий, расширение научного кругозора; приобретение знаний и умений творческой, научно-исследовательской деятельности; приобретение навыков теоретических и экспериментальных исследований от постановки задачи до ее реализации; оформление полученных результатов в виде публикаций и представление полученных результатов на конференциях различного уровня.

Воспитательные задачи:

просвещение подрастающего поколения в области нанотехнологической индустрии; приобщение воспитанников к научно-исследовательской работе; воспитание трудолюбия и упорства в достижении цели; формирование навыков представления себя и своих результатов научному сообществу; формирование общей культуры личности ребенка, способной адаптироваться в современном обществе; воспитание правил работы в коллективе.

Развивающие задачи:

развитие у воспитанников интереса к творческой и научно-исследовательской работе; развитие интеллектуальных и творческих способностей воспитанников; развитие и формирование представлений о полном цикле научных исследований от корректной постановки задачи до ее реализации и анализа полученных результатов; развитие навыков представления себя и результатов научно-исследовательской деятельности, отстаивания своей точки зрения при публичной защите своих тезисов.

Организация образовательного процесса

Школа «Основы нанотехнологий» для учащихся 10-х классов создана на базе научно-исследовательской лаборатории «Физика полупроводников и наноструктур» кафедры физики физико-математического факультета Орловского государственного университета.

Программа юношеской школы «Основы нанотехнологий» включает в себя учебные блоки:

«Теоретический курс по основам нанотехнологий» «Методика научной работы. Методы исследования нанотехнологий», «Практический курс. Экспериментальные исследования», «Анализ полученных результатов. Написание научных трудов»,

Образовательный процесс в юношеской школе «Основы нанотехнологий» организован в форме работы двух научных подсекций:

теоретической (1-я часть обучения ), практической (экспериментальной) (2-часть обучения).

В начале реализуется теоретическая секция затем – практическая. Занятия проходят 2 раза в неделю, продолжительностью 2 часа (4 часа в неделю).

Большое внимание уделяется как формам самостоятельной работы (подготовка рефератов, сообщений по интересующей проблематике, постановка задачи) так и коллективной (обсуждение поставленной задачи, процесса ее реализации, анализа полученных результатов). Работа над экспериментом, его анализом и написанием тезисов конференций и научных статей занимает особое место в системе обучения членов юношеской школы «Основы нанотехнологий».

Реализация программы эффективна при сочетании групповых и индивидуальных форм занятий.

Принципы реализации программы

Данная образовательная программа опирается на следующие научные принципы:

1. Принцип гуманизации (целью образовательной и воспитательной деятельности объединения является всестороннее развитие ребенка).

2. Принцип дифференциации и индивидуализации (в процессе реализации программы развитие личности ребенка должно происходить в соответствии с его склонностями, интересами и возможностями).

3. Принцип связи теории с практикой (в ходе реализации программы раскрываются возможности применения полученных знаний, умений, навыков в различных областях, стимулируется стремление к самообразованию, осуществляется профориентация воспитанников).

Условия реализации программы

1. Материально-техническое обеспечение: помещения для проведения занятий, специализированный класс, состоящий из специализированного оборудования, предназначенного для исследований в области нанотехнологий (рабочие станции: сканирующие зондовые микроскопы «Nanoeducator» с компьтерами и специальным программным обеспечением, металлографические микроскопы), мультимедиа системы.

2. Психолого-педагогические условия.

Для осуществления данной программы педагог должен иметь высшее профессиональное образование, широкий кругозор (особенно в области физико-математического цикла и методики преподавания), разносторонние интересы; должен уметь работать с детьми, владеть навыками научно-исследовательской работы; быть способным проводить занятия по всем темам данной программы на высоком профессиональном уровне.

3. Пространственно-временные условия:

выполнение программы рассчитано на 1 год; возраст воспитанников 15–17 лет; количество учащихся в учебной группе – 15 человек, занятия проходят три раза в неделю; общее количество часов: I год обучения – 144 часа.

Опыт работы

Об опыте работы школы «Основы нанотехнологий» рассказывалось в научных печатных изданиях:

Марков, опыта работы юношеской школы "Основы нанотехнологий" [Текст] / , , Ю. В.  Хрипунов // Научный поиск. Специальный выпуск. Материалы V региональной научно-практической конференции "Актуальные проблемы физико-математического образования в школе и педагогическом вузе" - 2012. - № 4.4. - С. 71-73. Марков, работы юношеской школы «Основы нанотехнологий» [Текст] / , , // Вестник науки: сб. статей / ОГУ ‑ Орёл, 2012. ‑ Вып. 11. – С. 207-212. Марков, О. И. О формировании личности исследователя в рамках работы юношеской школы «Основы нанотехнологий» [Текст] / , , // Материалы Международная научно-методическая конференции «Проблемы современного образования в условиях глобализации» / Чита, Россия, 2013. ‑ Чита, 2013. – Ч.2. – С.109-114. Марков, конференция для школьников как форма профориентационной работы и активизации проектно-исследовательской деятельности на примере ВНМНК ОГУ «МИФ-2013». Опыт и перспективы. [Текст] / , , // Вестник науки: сб. статей / ОГУ ‑ Орёл, 2013. ‑ Вып. 12. – С. 255-259. Марков, и профориентационная подготовка учащихся в юношеской специализированной научно-исследовательской школе по профильному предмету [Текст] / , , // Вестник науки: сб. статей / ОГУ ‑ Орёл, 2013. ‑ Вып. 12. – С. 250-254. Авдеев, Ф. С. К вопросу о модернизации физико-математического образования [Текст] / , , // Вестник науки: сб. статей / ОГУ ‑ Орёл, 2013. ‑ Вып. 12. – С. 3-10. Хрипунов, И. В. О проблеме достоверности и обоснованности результатов экспериментальных исследований у учащихся образовательных школ [Текст] / , , // Учёные записки Орловского государственного университета. ‑ 2013. ‑ №5 (53). ‑ С. 105-111. Марков, О. И. Об организации коллективной формы работы при формировании личности молодых исследователей «Основы нанотехнологий» [Текст] / , , // Сборник статей Международной заочной научно-практической конференции «Инновационные процессы в современной школе: Методология, теория и практика», посвященной 75-ю ТГПУ им. / Тула, Россия, 2013. ‑ Тула, 2013. –С.172-175. , , О междисциплинарном комплексном подходе в обучении в рамках работы юношеской специализированной научно-исследовательской школы (ЮСНИШ) «Основы нанотехнологий» // Ученые записки ОГУ. – 2013. - .-№6(56). - С. 76-82 , , Научно-исследовательская деятельность школьников области нанотехнологий в специализированной научной школе// Труды Международной научно-практической конференции «Современные проблемы физико-математических наук» – 2014. –С.165-167.

II. Учебно-тематический план

Год обучения

Теоретическая секция

№ п/п	Учебные блоки	Темы (разделы)	Теоретические занятия	Практические занятия	Всего, ч
1	Теоретический курс по основам нанотехнологий	Что такое "Нанотехнологии"?, предмет и объект исследования нанотехнологий, Нанотехнологии и их применение	18	10	20
Основные положения классической и квантовой физики
Наноматериалы, физические и химические свойства нанообъектов, наноэлектроника
2	Методика научной работы.	Что такое «наука»?, научно-исследовательская работа, теоретические и экспериментальные исследования, научное знание, научно-исследовательская работа, теоретические и экспериментальные исследования	2	-	2
3	Методы исследования нанотехнологий	Инструменты и методы наномира	4	-	4
Исследование нанообъектов	6	4	10
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ)	6	-	6
Металлография	4	-	4
Итого	40	14	54

Практическая (экспериментальная) секция

№ п/п	Учебные блоки	Темы (разделы)	Теоретические занятия	Практические занятия	Всего, ч
1	Практический курс. Экспериментальные исследования	Обучение работе на специализированном оборудовании.	-	70	70
Экспериментальные исследования в рамках поставленных задач
2	Анализ полученных результатов. Написание научных трудов	Анализ полученных результатов и его изложение в виде научной печатной работы	-	20	20
Итого	0	90	90

III. СОДЕРЖАНИЕ ИЗУЧАЕМОГО КУРСА

Блок 1 Теоретический курс по основам нанотехнологий

№№ занятий	Темы	Предполагаемая литература	Основные знания, умения, навыки. Формы работы
1-4	Что такое "Нанотехнологии"?, предмет и объект исследования нанотехнологий, Нанотехнологии и их применение	Положение нанообъектов на шкале размеров. Ричард Фейнман – пророк нанотехнологической революции. Почему освоение наномира может быть так полезно для человечества? Эрик Дрекслер и его книга «Машины созидания». Нанороботы. Нанотехнологии внутри и снаружи нас. Нанотехнологии – область знаний, где объединяются усилия физиков, химиков, биологов, врачей, инженеров – электроников, математиков и специалистов самых разных специальностей для очередного прорыва на пути человечества к прогрессу. Динамика материальной точки. Движение в потенциальной яме. Классический принцип причинности. Три начала термодинамики. Энергия и энтропия термодинамических систем. Закон Кулона. Теорема Остроградского-Гаусса. Поле диполя. Потенциал Кулоновского поля. Потенциал Леннарда-Джонса. Волновое движение среды. Стоячие волны. Волновые свойства микрочастиц. Соотношение неопределенностей. Движение микрочастиц в потенциальной яме. Туннельный эффект. Спин электрона. Строение атома. Химическая связь.  Большое отношение поверхности к объёму – основное свойство нанообъектов. «Эффект лотоса». Отсутствие дислокаций - причина колоссальной прочности нанопроволок и нанотрубок. Почему температура плавления металлических нанообъектов уменьшается на сотни градусов?  Квантовые явления в наномире. Почему электрическое сопротивление нанотрубки не зависит от её длины. Квантовые точки – искусственные атомы наномира. Зависимость цвета в наномире от размера объектов. Нанохимия – невозможное становится возможным. Формы работы: лекции, семинары
5-8	Основные положения классической и квантовой физики
9-14	Наноматериалы, физические и химические свойства нанообъектов, наноэлектроника

Блок 2. Методика научной работы. Методы исследования нанотехнологий

№№ занятий	Темы	Предполагаемая литература	Основные знания, умения, навыки. Формы работы
15	Что такое «наука»?, научно-исследовательская работа, теоретические и экспериментальные исследования, научное знание	Понятия: наука, научное творчество, исследовательская работа. Умение определять структуру научного знания. Пути создания нанообъектов: «снизу-вверх»  или  «сверху-вниз». Можно ли увидеть молекулы в микроскоп? Сканирующий электронный микроскоп. Как атомно-силовая микроскопия чувствует прикосновение атомов. Что такое туннельный микроскоп. Лазерный пинцет – инструмент для передвижения нанообъектов. Особая роль углерода в наномире. Графен – слой графита. Фуллерены – наношарики из углерода. Углеродные нанотрубки – трубки из графена. Нанопроволоки. Дендримеры – капсулы наноразмеров. Самоорганизация нанообъектов и её использование при создании наноматериалов. Моделирование наноструктур. Принципы СЗМ и металлографии. Формы работы: лекции, семинары
16-17	Инструменты и методы наномира
18-22	Исследование нанообъектов
23-25	Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ)
26-27	Металлография

Блок 3. Практический курс. Экспериментальные исследования

№№ занятий	Темы	Предполагаемая литература	Основные знания, умения, навыки. Формы работы
28-31	Обучение работе на специализированном оборудовании	Приобретение навыков экспериментальных исследователей. Изучение принципов работы современных приборов для исследования в области нанотехнологий: Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) «Nanoeducator», Металлографические микроскопы, электронные микроскопы. Постановка задачи. Проведение исследований.
32-62	Постановка задачи, экспериментальные исследования

Блок 4. Анализ полученных результатов. Написание научных трудов.

№№ занятий	Темы	Предполагаемая литература	Основные знания, умения, навыки. Формы работы
63-82	Анализ полученных результатов. Написание научных трудов.	Анализ полученных результатов. Методика написания тезисов конференций, научных статей.

IV. Методическое обеспечение программы

Особенности методики обучения

Особенности данной программы состоят в том, что учащиеся открывают для себя новые знания, которые находятся «на передовой» научного общества; могут погрузиться в атмосферу исследований – подобную той, какая царит в современных лабораториях; почувствовать себя настоящими учеными-исследователями.

Несомненным достоинством программы является ее практическая часть, где школьники непосредственно знакомятся с новым оборудованием и методами исследований нанотехнологий, решают актуальные научно-практические задачи.

В процессе обучения учащиеся получают необходимый минимум теоретических знаний и практических навыков работы со специальным оборудованием и нанообъектами, позволяющий им ориентироваться в научно-инновационной сфере нанотехнологической отрасли.

Основные формы занятий

При изучении учебных блоков "«Теоретический курс по основам нанотехнологий», «Методика научной работы. Методы исследования нанотехнологий», «Практический курс. Экспериментальные исследования», «Анализ полученных результатов. Написание научных трудов»:

теоретические: лекции, семинары, вебинары, беседы и консультации (встречи с учеными), работа с литературными источниками; практические: постановка задачи, подготовка образцов, экспериментальная работа на специализированном оборудовании, самостоятельная работа с научной литературой (работа в библиотеках, с электронными ресурсами), подготовка воспитанниками докладов, написание научных трудов (рефератов, тезисов конференций, статей).

Занятия четвертого учебного блока Анализ полученных результатов. Написание научных трудов» проходят в виде коллегиальных обсуждений (которые одновременно являются и одной из форм итоговой аттестации воспитанников), подготовки материалов статей и тезисов конференций

Работа учащихся по данному курсу оценивается после проведения семинаров, на которых учащиеся делают доклады по выбранным темам с их учётом активности в течение всего курса. (выступление с докладом на научных конференциях, защитарезультатов работы).

Дидактические методы обучения

В процессе реализации данной программы используются следующие методы обучения:

словесные методы (лекции, беседы, семинары, консультации); наглядные методы (работа с исторической картой, фотографиями, кинофильмами; экскурсии); работа с книгой (научной литературой, историческими источниками) (чтение, реферирование, цитирование, составление библиографии); исследовательские методы (методы эмпирического и теоретического исследования); методы практической работы (эксперимент, его описание); методы проблемного обучения (решение проблем, связанных с постановкой эксперимента и обработкой данных, самостоятельная подготовка воспитанников); использование на занятиях мультимедиа систем (аудиовизуальные средства обучения)

Дидактические материалы к программе:

методические пособия; специализированная литература; тестовые образцы для экспериментальных исследований; показательные мастер-классы; тестовые задания по итоговой аттестации воспитанников; технические и аудиовизуальные средства обучения.

IV. Прогнозируемый результат обучения и формы итоговой аттестации воспитанников

Результаты и опыт работ школы «Основы нанотехнологий» показал ее высокую эффективность. Пройдя годичный курс обучения, учащиеся выходят из нее квалифицированными специалистами, способными выполнять самостоятельные исследования. Закладываемая база теоретических знаний и практических навыков позволяет юношам и девушкам без особого труда ориентироваться в научно-инновационной сфере нанотехнологической отрасли и осваивать новые методы и направления изучения нанообъектов. Следует отметить, что функционирование школы дает дополнительную возможность проводить профориентационную и довузовскую подготовку для поступления абитуриентов на специальности не только в области физики, но и в медицине, биологии, химии, а так же в приграничных и стыковых областях данных наук.

Год обучения –секции теоретическиая и практическая.

Воспитанники должны знать: понятия «наука», «научное творчество», «научная работа», «теоретические исследования», «экспериментальные исследования», основные определения и теминологию, применяемую в нанотехнологической отрасли.

Воспитанники должны уметь: работать с экспериметальным оборудованием и научной литературой, грамотно ставить задачи и решать их. Способы контроля: тестирование, выступления с сообщениями на семинарах и с докладами на научных конференциях, написание статей.

Результатом обучения в юношеской школе «Основы нанотехнологий» являются получение реальных практических результатов научных исследований, выступления воспитанников на научно-практических конференциях (представление докладов, защита результатов работы).

Формы итогового контроля:

Название блоков образова-тельной программы	Год обучения	Содержания аттестации	Форма аттестации	Критерии  оценки
Теоретический курс по основам нанотехнологий	1 год	закладывание теоретической базы знаний о нанотехнологиях и их применении	доклады	10 бальная система оценки для всех форм аттестации. Оценка остается закрытой для воспитанника
Методика научной работы. Методы исследования нанотехнологий.	1 год	Знание структуры научного познания, видов и методов работы, принципов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ)	Доклады, обсуждения
Практический курс. Экспериментальные исследования.	1 год	Освоение методов СЗМ, работа на специализированном оборудовании, постановка задачи, ее решение.	Тестирование
Анализ полученных результатов. Написание научных трудов.	1 год	Умение подготовить выступление для научно-практической конференции, представить результат и защитить его, написать научную статью и отправить в печать.	Выступление на научно-практической конференции

Литература для преподавателя и учащихся

«Нанотехнологии. Азбука для всех». Сборник статей под редакцией Ю. Третьякова, М., Физматлит, 2007.

«Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника». Сборник статей под редакцией , М., Техносфера, 2006.

, «Наноструктурные материалы», М., Академия, 2005.

«Сила нанотехнологий: наука & бизнес», М., Фонд «Успехи физики», 2007.

Введение в Нанотехнологию, изд-во Бином, 2005.

«Нанотехнологии», М., Техносфера, 2006.

«Нанотехнология: простое объяснение очередной гениальной идеи», Изд-во «Вильямс», 2005.

«Углеродные нанотрубы и родственные структуры», М., Техносфера, 2003.

Интернет-сайты

http://www. nanonewsnet. ru/ - сайт о нанотехнологиях №1 в России

http://www.ntmdt.ru – сайт ведущего российского производителя приборов для исследования в области нанотехнологий

http://www. nanometer. ru/ - сайт нанотехнологического общества «Нанометр»

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

http://www. nanorf. ru/ - журнал «Российские нанотехнологии»

http://www. nanojournal. ru/ - Российский электронный наножурнал

http://www. nanoware. ru/ - официальный сайт потребителей нанотоваров

http://kbogdanov1.narod. ru/ - «Что могут нанотехнологии?», научно - популярный сайт о нанотехнологиях.