О проблемах в формировании базовых знаний по естественно-научным дисциплинам будущих специалистов в области нанотехнологий

УДК 53:372.8

А. Х. Абдрахманова, Т. Ю. Миракова

О ПРОБЛЕМАХ В ФОРМИРОВАНИИ БАЗОВЫХ ЗНАНИЙ ПО ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫМ ДИСЦИПЛИНАМ БУДУЩИХ СПЕЦИАЛИСТОВ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Ключевые слова: специалисты по нанотехнологиям, квантовая механика, информационные технологии в

образовании.

Рассмотрено значение квантовой физики, как дисциплины, формирующей профессиональные знания специалистов по нанотехнологиям. Анализируются трудности, испытываемые студентами при изучении физики в ВУЗе. Для интенсификации учебного процесса рекомендуется использование информационных технологий обучения. В качестве примера излагается собственный опыт использования мультимедиа материалов на занятиях со студентами КГТУ.

Keywords: experts on nanotechnology, quantum mechanics, information technology in education.

Significance of the quantum physics as a subject shaping professional skills of specialists in nanotechnologies has been reviewed. The difficulties experienced by the highest school students in learning physics have been analyzed. To intensify the educational process, using of informational technologies in teaching is recommended. Based on our own experience, here we present as an example of using the multimedia materials in physics classes for students at KSTU.

Для освоения специальных дисциплин по нанотехнологиям студентам необходимо иметь хорошие базовые знания по естественно-научным дисциплинам - физике, химии, биологии, а также математике. Как известно, поведение наночастиц особенное. Их движение подчиняется законам, отличным от ньютоновской механики. Если движение классических частиц детерминировано, то есть известны их координаты и импульс в каждый момент времени, то движение наночастиц носит вероятностный характер и подчиняется уравнениям квантовой физики. С понимания этой идеи, свойства корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц, с понимания необходимости введения волновой функции и волнового уравнения начинается изучение квантовой физики - физики наночастиц. С другой стороны, принцип действия сканирующих туннельных и атомно-силовых микроскопов, предназначенных для изучения и создания наноструктур с заданными свойствами, базируется на эффектах, явлениях, объяснение которым дано также в квантовой физике [1]. Таким образом, без хороших знаний квантовой физики и, разумеется, физики в целом выпускник вуза, получивший специальность по нанотехнологиям, будет способен выполнять лишь работу простого оператора на дорогом, высокотехнологичном оборудовании.

Традиционная программа по физике, охватывающая большой круг вопросов, уделяет определенное внимание и вопросам квантовой физики. Однако лишь незначительный объем часов, выделяемый на этот важный и трудный для понимания раздел, не позволяет дать обучаемым необходимый уровень знаний. Положение усугубляется так же тем обстоятельством, что вчерашние школьники приходят в ВУЗ, не имея элементарных знаний ни по физике, ни по химии по причинам, от них не зависящим. Не вина школьников, что физика в средней школе перестала входить в перечень обязательных дисциплин. Занятия по физике проводятся в лучшем случае 2 часа в неделю, экзамен необязателен. Из общения со студентами известно, что в некоторых школах занятий по физике и вовсе не было (!). Еще более плачевно положение по химии - 1 час занятий в неделю. Не обсуждая в подробностях проблемы образования в средней школе, издержки ЕГЭ, заметим только еще один печальный факт. Помимо отсутствия знаний, обнаруживается также, что выпускники школ совсем не умеют думать. Объяснение простое. Средняя школа перестала давать знания. Натаскивание с

репетиторами по тестам, заучивание ответов на них, не может способствовать развитию мыслительной деятельности. В результате 1-й курс обучения в техническом ВУЗе, занятия по физике становятся серьезным испытанием и даже стрессом как для вчерашнего школьника, так и для преподавателя.

Между тем, потребности современного высокотехнологичного производства требуют и соответствующих специальных знаний. Именно это обстоятельство естественным образом привело к пересмотру программы по физике. В 2009 г. Научно-методическим советом по физике при Министерстве образования и науки РФ была разработана новая программа по физике для студентов технических ВУЗов - Программа к стандартам 3-его поколения. [2]

Необходимость в модернизации программы по физике назревала не одно десятилетие. Она оставалась неизменной еще с 50-х, 60-х годов прошедшего столетия. Новая Программа в деталях обсуждена на кафедрах физики ВУЗов РФ. Были учтены замечания, предложения специалистов. Включение в программу новейших достижений, открытий увеличило её объём. Понятно, что изучение основ современной физики, являющейся базовой дисциплиной при обучении любой инженерной специальности, требует и большего количества часов.

Нетрудно предвидеть, что внедрение новой Программы в учебный процесс будет связано с немалыми трудностями, так как ее введение совпало с переходом на 2-хуровневое образование, и, как следствие, с перекраиванием количества часов или так называемых зачетных единиц, ЗЕ, выделяемых на отдельные дисциплины. В результате количество часов на изучение физики не только не увеличилось, но, наоборот, уменьшилось! В рамках бакалавриата на некоторых факультетах физика будет изучаться уже не 3 семестра, как это было до сих пор, а только 2 семестра. Сокращено время, выделяемое на лабораторный практикум, решение задач. Не в каждом семестре предусмотрена сдача экзамена. Например, контроль знаний по завершении 1-го семестра (раздел «Механика и молекулярная физика») ограничен только зачетом вместо сдачи традиционного экзамена. Таким образом, переход на 2-х уровневое образование, по-существу, зачеркивает огромный труд, вложенный в разработку новой, хорошо проработанной, действительно современной Программы по физике.

Справедливости ради, отметим, что общий объём ЗЕ по программам бакалавров включает также вариативную часть, предназначенную для изучения дополнительных глав дисциплин. В том числе, и физики. Однако эти часы незначительны и не позволят на должном уровне рассмотреть вопросы, включенные в новую Программу.

Каковы возможности в решении проблемы? Как дать знания студентам в условиях острой нехватки часов на аудиторных занятиях? Исходя из реальности, остается только предельно оптимизировать и интенсифицировать учебный процесс, привлекая при этом одновременно современные технологии обучения, в частности, информационные.

Этот вывод базируется на многолетнем опыте преподавания физики на студенческих потоках КГТУ, [3]. Курс лекций к трем частям физики: «Механика и молекулярная физика», «Электричество и магнетизм», «Оптика и строение атома», оформленный в виде слайдов в программе Microsoft Office Power Point, был прочитан в течение ряда лет для студентов факультета автоматизации и управления. В процессе прочтения вопросы, рассматриваемые на лекции, иллюстрируются показом на экране рабочих формул, рисунков, графиков в анимационном режиме. Мультимедиа материалы включают видеозаписи реальных физических экспериментов, видеозадачи, анимации. Все эти материалы наполняют электронный курс лекций необходимой и полезной информацией, позволяют акцентировать внимание на физической сути того или иного явления. Особенно полезны мультимедиа демонстрации при обсуждении квантовой физики, так как этот раздел насыщен математическими выкладками и потому появляется опасность «затеряться» в формулах, потеряв физическую суть вопроса.

В качестве примера приводится, в частности, демонстрация смоделированного на компьютере опыта К. Дэвиссона и Л. Джермера по дифракции электронов, рис.1, [4],

рассеивающихся на узлах кристаллической решетке никеля. Компьютерная модель позволяет студентам убедиться в справедливости идеи де Бройля о волновых свойствах микрочастиц.

Рис. 1 - Интерфейс экрана для смоделированного на компьютере явления дифракции электронов, [4]

В самом деле, данный модельный эксперимент наглядно подтверждает, что распределение интенсивности регистрируемой картины в разных точках приемника от рассеянных электронов, удивительным образом совпадает с дифракционной картиной от рентгеновских волн при дифракции на узлах кристаллической решетки. Анализ дифракционной картины, наличие на ней выраженных максимумов и минимумов, позволяет донести до аудитории идею о том, что вероятность попадания электронов в разные точки приемника неодинакова, но подчиняется определенным закономерностям. Что движение электронов в кристалле носит вероятностный характер, в отличие от обычных классических частиц. Этот анализ в свое время привел Луи де Бройля к гениальной идее о том, вероятностному поведению микрочастиц, в данном случае электронам, он сопоставил некий волновой процесс с длиной волны X, которую принято назвать длиной волны де Бройля. Сама формула, связывающая импульс р частицы (то есть её корпускулярную характеристику) с сопоставляемой ей длиной волны X, и известна как формула де Бройля

Наглядное рассмотрение опытов Нобелевских лауретов К. Дэвиссона и Л. Джермера, а также эффекта Комптона, позволяют донести до студентов важнейшее положение квантовой

физики - вывод о свойстве корпускулярно-волнового дуализма материи, присущего как электромагнитным волнам, так и микрочастицам. Усвоив этот материал, студенты уже с большим пониманием воспринимают материал о том, что движение электрона в поле ядра атома также носит вероятностный характер. Это помогает им понять блестящую идею, выдвинутую М Борном, также лауреатом Нобелевской премии, - идею о необходимости введения волновой функции для описания поведения электрона в атоме. Важно, что изучение данных вопросов, ознакомление с историей становления и развития квантовой физики способствует также формированию интеллекта у обучаемых. Они получают непосредственно представления о том, какого уровня исследования были удостоены самой почетной научной награды - Нобелевской премии.

Более детально студенты изучают названные опыты в компьютерном классе, выполняя смоделированные лабораторные работы, используя при этом подготовленное для этих занятий учебное пособие [5]. Заметим, что в настоящее время в принципе имеются возможности для выполнения этих экспериментов и на высококлассном, реальном учебном лабораторном оборудовании, производимом известной фирмой PHYWE (Германия, город Гёттинген). Во многих ВУЗах РФ эти установки приобретены и успешно используются в учебном процессе. Нет сомнений, что польза от практикума на реальных установках, совместно с модельными экспериментами была бы много большей.

При ограниченных возможностях в приобретении дорогостоящего современного оборудования для учебного процесса перспективно создавать и использовать удаленные лаборатории. Приоритет в создании таких лабораторий на реальном оборудовании принадлежит МГТУ им. Н.Э. Баумана [6]. Удаленный лабораторный практикум выполняется непосредственно на компьютере исследователем, например, в компьютерном классе, независимо от расстояния, на котором от него находится прибор. Дистанционное управление автоматизированными установками может быть организовано как внутри локальной сети, так и в глобальной сети Интернет. То есть при совместной заинтересованности подразделений КГТУ, которые уже приобрели высокотехнологичное оборудование, и при участии кафедры физики можно было разработать необходимое программно-методическое обеспечение, и тем самым приобщить студентов младших курсов к творческой работе на сканирующих туннельных микроскопах, атомно-силовых микроскопах и других современных приборах.

Литература

1. Кобаяси, Н. Введение в нанотехнологию / Кобаяси Н; пер.с японск. - 2-е изд.-М. :БИНОМ.

Лаборатория знаний. 2008. - 134 с.

2. Проект программы по физике для студентов технических вузов (к стандартам 3-его поколения). http://www.physicsnet.ru

3. Абдрахманова, А.Х. Информационные технологии обучения в курсе общей физики в техническом ВУЗе // Образовательные технологии и общество (Educational technology & Society) - 2010 (http://ifets.ieee.org/russian/periodical/ journal.html) - - V.13 - N3. - C.293-310. - ISSN 1436-4522

4. CD «Открытая физика 1.1» под редакцией С.М. Козела, ООО «Физикон», 2001.

5. Абдрахманова, А.Х. Элементы квантовой оптики и атомной физики / Абдрахманова А.Х., Нефедьев Е.С., Шмакова О.П. Учебное пособие. - М.: КДУ, 2006. - 120 с.

6. Зимин А.М. Автоматизированный лабораторный практикум с удаленным доступом.

7. http://lud.bmstu.ru

© А. Х. Абдрахманова - канд. техн. наук, доц. каф. физики КНИТУ, abdarachm@kstu.ru; Т. Ю. Миракова - канд. хим. наук, доц. каф. физики КНИТУ.