Телекоммуникации в системе школьного образования по нанотехнологиям

Инновации в образовании Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2009, № 5, с. 18-21

УДК 37

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ В СИСТЕМЕ ШКОЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ПО НАНОТЕХНОЛОГИЯМ

© 2009 г. О.Н. Горшков \ И.В. Гребенев \ С.А. Чупрунова 2

1 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского 2 Средняя школа № 46, Нижний Новгород

grebenev@phys.unn.ru

Пнстукила воедакцию 20.06.2009

Представлены результаты совместной работы научно-образовательного центра «Физика твердотельных наноструктур» ННГУ и средней школы № 46 Нижнего Новгорода по развитию ранних форм профессиональной ориентации в области нанотехнологий.

Ключевые слнва: методы обучения школьников, нанотехнологии, телекоммуникационные технологии.

Мировые тенденции развития электроники и оптоэлектроники, лежащие в основе современных телекоммуникационных и компьютерных технологий, потребности в создании новых многофункциональных материалов для развития машиностроения, биотехнологии, медицины, охраны окружающей среды, обороны напрямую связаны с успехами исследований в области нанотехнологий. Удивительные свойства наноматериалов для своего изучения требуют создания нового поколения измерительного и экспериментального оборудования, подготовки соответствующих специалистов, инновационного способа мышления тех, от кого зависит внедрение этих знаний в производство, медицину и др. Развитие нанотехнологий характеризуется широким взаимопроникновением идей из различных областей науки и техники и междисциплинарностью исследований.

Для работы в области нанотехнологий необходимы специалисты, уровень и характер подготовки которых существенно отличаются от уровня обычной подготовки обычного инженера. Специалист по нанотехнологиям должен уметь работать на самом современном оборудовании, знать современные методы исследования и конструирования наноматериалов и иметь основательную фундаментальную подготовку по физике, химии, механике. Очевидно, что такие кадры должны готовиться в самых передовых университетах в содружестве с Академией наук на базе научных лабораторий, непосредственно занятых созданием и совершенствованием нанотехнологий под руководством известных специалистов в этой области. Развитие нанотехнологий (как, впрочем, и других перспективных направлений

науки и техники) требует создания специальной системы целенаправленной подготовки научных и технических кадров, включая не только высшее, но и среднее и даже базовое образование. Профессиональная ориентация на уровне школьного, начального и среднего образования в целях подготовки и воспроизводства высококвалифицированных специалистов нового поколения, способных решать комплексные научные, технологические и инновационные задачи, - это сложная проблема, которую необходимо решать как можно скорее. Работа в школах уже началась, разработаны программы [1], издаются учебные пособия [2], вводятся элективные, кружковые формы учебных занятий. Вместе с тем попытки многих авторов рассматривать чрезвычайно сложные теоретические и прикладные аспекты нанотехнологий в обзорном, ознакомительном порядке способствуют формированию поверхностных и упрощённых представлений учащихся, не основанных на изученном физическом материале. На фоне популярности нанотехнологий в обществе и образовании сегодня остро встает вопрос - как донести до школьников содержательные знания об основах нанонаук в качестве элемента общего физического образования. Если взять существующую элективную программу для школ по нанотехнологии и те пособия, по которым учителя пытаются работать, вести кружки, то в них легко обнаружить большое количество новых терминов и разнообразной информации, в которой даже профессиональным физикам не всегда легко сориентироваться. У школьников зачастую создается впечатление, что все это далеко и не связано, в частности, со школьным предметом «Физика».

Практическому знакомству школьников с физическими основами нанотехнологий препятствует тот очевидный факт, что далеко не все школы и даже вузы имеют доступ к реальным учебным и научным центрам, в которых ведётся исследовательская деятельность и подготовка кадров в этой области. Подход, позволяющий решить эти проблемы, состоит в применении современных телекоммуникационных систем, дающих возможность осуществлять удалённый доступ с ученических мест в школе к исследовательским лабораториям, учебному и научному оборудованию в реально работающих нанотехнологических центрах. Это позволяет, как минимум, сделать наглядными и достоверными для учащихся многие важные понятия и термины элективных курсов.

Учитывая это, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского совместно с базовыми школами поставил задачу создания курса практического введения в нанотехнологию на основе использования телекоммуникационных систем.

Целью этого курса является формирование понятийного и операционного знания, связанного с предметом «Физика», при изучении нанотехнологий. И если учащиеся решат стать студентами физического факультета ННГУ, то они не понаслышке будут знать, чт.\ такое нанотехнологии и с какой специальностью они намерены связать свою профессиональную карьеру.

Разработанная программа курса включает после изучения теоретического введения в нанотехнологию проведение в течение учебного года нескольких тематических телекоммуникационных мостов, в которых показываются «в железе» те устройства и технологические процедуры, которые были изучены в классе. Этот этап подготовки учащихся является чрезвычайно важным для последующих за ним посещений лабораторий научно-образовательного центра (НОЦ). Школьники готовят вопросы по изученному в теории и увиденному в ходе «мостов», которые будут заданы ими научным сотрудникам НОЦ. Ответы на эти вопросы не всегда просты, но всегда интересны, например школьник спросил учёных: «Можете ли вы увидеть электрон?». Ответом была целая лекция о принципах работы тех устройств, с которыми учащимся предстоит познакомиться. Учебный процесс по физике в школе получает мощнейший стимул и возможность практического применения изученного материала.

Ближайшей задачей является создание элективного обучающего курса, который можно назвать «Практическое введение в нанотехнологии», включающего разработку рабочей тетради

для школьников по изучению нанотехнологии и сборник вопросов. В дальнейшем учебном процессе чередуются описанные выше формы -изучение теории в школе, наблюдение за работой исследователей через телекоммуникационные мосты, посещение НОЦ и экспериментальная работа в лабораториях НОЦ.

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (ННГУ) является одним из ведущих университетов в России, реализующих концепцию интеграции образовательного и научного процессов. Образование на базе научных исследований ускоряет внедрение в учебный процесс новейших достижений науки и техники и является основой для подготовки высококвалифицированных специалистов, готовых к реализации результатов научных разработок в реальном секторе экономики.

Именно такой подход, основанный на интеграции образовательного процесса и науки, был реализован при создании в 1998 году в Нижегородском университете Научно-образовательного центра «Физика твердотельных наноструктур» (НОЦ ФТНС ННГУ) и в 2007 году Научнообразовательного центра «Нанотехнологии».

В настоящее время в центрах создана современная экспериментальная база. Они располагают уникальным оборудованием, предназначенным для создания и исследования свойств наноструктурированных материалов. С целью развития материально-технической базы образовательной программы НОЦ для проведения лабораторных работ студентов была создана учебно-научная лаборатория сканирующей зон-довой микроскопии NanoEducator, разработанная и изготовленная фирмой NT-MDT (Россия).

Все лаборатории НОЦ работают в режиме центра коллективного пользования и открыты для выполнения исследований совместно с творческими коллективами исследователей ННГУ и других вузов Нижнего Новгорода, ин-статутов РАН и отраслевых институтов, с промышленностью и зарубежными исследовательскими центрами. Ежегодно в центре обучается более десяти студентов старших курсов и магистрантов и более пятнадцати аспирантов, принятых по конкурсу в исследовательские группы и лаборатории НОЦ и получающих стипендию НОЦ. За последние пять лет число студентов старших курсов и магистрантов, прошедших обучение на основе научной работы с использованием современного оборудования, превысило 60 человек, большинство из них продолжили свое обучение в аспирантуре ННГУ, поступили на работу в институты РАН, в отраслевые научно-исследовательские институты.

Лаборатория сканирующей зондовой микроскопии. Справа - сверхвысоковакуумный комплекс Multiprobe S фирмы Omicron Vakuumphysik GmbH

Слева - молодые сотрудники центра выполняют исследования структур молекул коллагена на специализированном атомно-силовом микроскопе SolverBio. Справа - в лаборатории оптической спектроскопии твердых тел и твердотельных наноструктур

В кабинете физики школы № 46. О научной и образовательной деятельности центра «Физика твердотельных наноструктур» ННГУ рассказывает его директор О.Н. Горшков

Участники и гости телемоста ННГУ - школа № 46 Самый активный участник телемостов восьмиклассник

Нижнего Новгорода Дмитрий Козлов

В 2008 году в рамках реализации ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии Российской Федерации» НОЦ «Нанотехнологии» Нижегородского университета включен в единую информационную структуру научно-образовательных нанотехнологических центров - национальную нанотехнологическую сеть (ННС). ННС создана с целью обеспечения информационной поддержки научно-образовательных центров, включая предоставление участникам информационных материалов, носящих новостной, аналитический, прогнозный, учебно-методический характер, а также иной информации и материалов, касающихся развития нанотехнологий в России.

Центр также был оснащен специализированным оборудованием, которое обеспечивает не только электронный доступ к интеллектуальным ресурсам созданных НОЦ, но и возможность организации образовательного процесса с использованием телекоммуникационных каналов связи.

Программа создания и реализации курса практического введения в нанотехнологию и наноматериалы в базовых школах Нижнего Новгорода стартовала 20 ноября 2008 года, когда между ННГУ и средней школой № 46 Нижнего Новгорода был проведен первый телемост.

Первый телемост носил ознакомительный характер и одновременно позволил оценить технические возможности используемой телекоммуникационной аппаратуры. Следующие телемосты носили тематический характер и были посвящены введению в наноматериалы и нанотехнологии. Гостями и участниками этого и последующих телемостов стали не только учащиеся школы, но и методисты Советского района Нижнего Новгорода, представители школьной администрации, журналисты.

Следующим важным этапом в практическом знакомстве учащихся с нанотехнологиями явилось систематически организованное посещение научных и учебных лабораторий. После проведенных телемостов школьники побывали на экскурсиях в НОЦ Нижегородского университета, в ходе которых они не только увидели современное исследовательское оборудование, но и поучаствовали в постановке небольших фрагментов научных экспериментов.

Таким образом, изучение основ нанотехнологий в школе перестаёт быть серией абстрактных обзоров и становится практическим введением в эту чрезвычайно перспективную и нужную область современной науки. Нельзя не учитывать и просветительскую функцию проводимой ННГУ работы, поскольку при массовом и не всегда адекватном использовании терминов с приставкой «нано» понимание существа дела и правильное восприятие физических основ нанотехнологий избавляет от многих заблуждений. Ранняя профессиональная ориентация на уровне школьного образования является важным этапом подготовки и воспроизводства высококвалифицированных специалистов нового поколения, способных решать сложные научные и технологические задачи. Университет же при реализации таких форм профессиональной ориентации целенаправленно готовит абитуриентов.

Скиснк литеоатуоы

1. Разумовская И.В. Программа элективного курса «Нанотехнология». Программы элективных курсов: Физика. Профильное обучение. М.: Дрофа, 2006.

2. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию: Пер. с японск. М.: БИНОМ, 2008.

TELECOMMUNICATIONS IN THE SYSTEM OF SECONDARY SCHOOL EDUCATION

IN NANOTECHNOLOGIES

O.N. Gorshkov, I. V. Grebenev, S.A. Chuprunova

The authors present the results of joint work of UNN Research and Education Center ‘Physics of Solid State Na-nostrructures’ and Secondary school № 46 in Nizhni Novgorod aimed at developing early forms of professional orientation in the field of nanotechnologies.

Keywords: secondary school students, nanotechnologies, telecommunication technologies.