В МАОУ лицее № 28 г. Таганрога проходит просветительская акция «Поделись своим Знанием» Российского общества «Знание».
Акция проходит в...
Имеется Экспертное заключение кафедры Нанотехнологий и Микросистемной Техники Института Нанотехнологий, Электроники и Приборостроения Южного Федерального университета
Программа элективного курса «Нанотехнологии»,
11 класс, 35 часов
Автор программы:
Дзюба Т.В. учитель физики МАОУ лицея № 28
г.Таганрог Ростовской области
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Программа курса составлена на основе нормативных и учебно-методических документов:
В условиях реализации ФГОС в соответствии с постоянно изменяющейся образовательной ситуацией в нашей стране является проблема создания условий для проявления и развития свойств личности каждого обучающегося, а также наиболее полного раскрытия его творческого потенциала. Особую значимость приобретает необходимость ознакомления обучающихся с современными научными исследованиями, открытиями в приоритетном для Российской науки направлении – нанотехнологии, которое включает в себя самые новые достижения физики, химии и биологии.
С 2012 г. МАОУ лицей №28 является федеральной инновационной площадкой федеральной образовательной программы «Школьная лига РОСНАНО», целью которой является продвижение в школах Российской Федерации идей, направленных на развитие современного образования, в первую очередь – естественнонаучного образования. Мое участие в работе лабораторий «Школьной лиги» и сотрудничество с 2016 года с преподавателями кафедры Нанотехнологий и микросистемной техники Института Нанотехнологий, Электроники и Приборостроения Южного Федерального Университета способствовали созданию программы курса, направленного на изучение нанотехнологий.
Актуальность данного курса определяется необходимостью:
Практико-ориентированный курс Нанотехнологии» входит в обязательный индивидуальный учебный план обучающихся 11 класса, изучающих физику на углубленном уровне. Обучающиеся имеют возможность выполнять исследования в следующих лабораториях НОЦ «Нанотехнологии». Лекционный материал подготавливается при консультативной поддержке профессорско-преподавательского состава кафедры нанотехнологий и микросистемной техники, кафедры Радиотехнической электроники. Такое сотрудничество способствует развитию профессионально- педагогической компетенции педагога, повышению качества образования обучающихся в области нанотехнологий, воспитанию будущих инженерных кадров нашего города.
В данной программе реализован личностно-ориентированный и системно-деятельностный подход. Используются такие технологии как: ИКТ, интерактивные технологии, метод проектов, осуществляется дистанционное обучение: учащиеся становятся слушателями бесплатного онлайн-курс для студентов и школьников «Введение в нанотехнологии» сайта «e-nano»
Курс учитывает межпредметные связи с химией, биологией, информатикой и предполагает такие формы работы, как урок-практикум, лекция, семинар, экскурсия, зачёт в виде защиты проектных и исследовательских работ. Программа предполагает широкое использование ЭОР, ЦОР, например, материалов нанотехнологического сообщества «НАНОМЕТР», медиатеки «Школьной Лиги РОСНАНО». Применяются такие формы контроля, как устный опрос (текущий контроль), тестирование и зачет в виде защиты проекта (итоговый контроль). После изучения каждого раздела обучающиеся заполняют «Индивидуальную карту развития» с целью формирования навыков самооценки, самоконтроля и систематизирующую таблицу по изученному материалу. Реализация программы эффективна при сочетании групповых и индивидуальных форм занятий.
На занятиях используются следующие методы обучения: объяснительный, иллюстративный, демонстрационный, поисковый, исследовательский, проектный.
В целом, программа может стать эффективным инструментом формирования целостной картины мира, метапредметных УУД, так как в основе всех нанотехнологических разработок лежат фундаментальные научные исследования в области различных дисциплин.
Отличительной особенностью программы курса «Нанотехнологии» можно считать следующее:
ЦЕЛИ КУРСА
ЗАДАЧИ КУРСА
Практико-ориентированный курс «Нанотехнологии» знакомит учащихся с важнейшими путями и методами применения знаний на практике, развивает интерес к современной технике и производству в области нанотехнологий, способствует профессиональному самоопределению обучающихся. Курс является обязательным для обучающихся 11 класса, выбравших профильное изучение физики, дополняя основной учебный курс, способствуя формированию целостной картины мира на разных уровнях размерности физических систем, реализации инженерного образования в лицее, инновационных идей «Школьной лиги РОСНАНО» и обеспечивая непрерывность профессионального образования «школа-ВУЗ», благодаря сотрудничеству с кафедрами Института Нанотехнологий, Электроники и Приборостроения Инженерно-технологической Академии Южного Федерального Университета.
Метапредметность курса позволяет с единых позиций рассматривать различные процессы и явления, опираясь на знания физики, химии, биологии, математики, информатики, что способствует формированию общего научного мировоззрения. Курс будет полезен для учащихся всех профилей обучения. Для гуманитарного направления можно усилить описательную составляющую курса, для биолого-химических классов сделать дополнительные акценты на химическом и биологическом аспектах курсах.
Данный курс реализуется за счет часов части учебного плана МАОУ лицея №28, формируемой участниками образовательных отношений. Программа рассчитана на 35 часов – 1 час в неделю.
Контроль реализации программы осуществляется в форме устного опроса, тематического тестирования (текущий контроль), и защиты обучающимися проектных и исследовательских работ (итоговый контроль).
«НАНОТЕХНОЛОГИИ»
Личностные результаты обучения
Учащийся должен:
испытывать:
признавать:
осознавать:
проявлять:
уметь:
Метапредметными результатами изучения курса являются:
Предметные результаты изучения курса:
общие результаты изучения предметной области «Естественные науки»:
частные результаты изучения учебного предмета «Физика»:
Важно, что при организации учебного процесса учитель может варьировать виды и формы занятий, придерживаясь содержания, объёма и порядка изучения материала. Обучение по данной программе могут проходить как учащиеся 11-го, так и 10-го класса, выбравшие профильное (углубленное) изучение физики на старшей ступени обучения.
СОДЕРЖАНИЕ КУРСА «НАНОТЕХНОЛОГИИ».
ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ
С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ОСНОВНЫХ ВИДОВ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
№ |
Тема |
Основное содержание |
Характеристика основных видов деятельности обучающегося |
|
|
|
|||
|
Введение в нанотехнологии
|
История значимых событий в развитии нанотехнологий. Положение нанообъектов на шкале размеров. Ричард Фейнман – пророк нанотехнологической революции. |
Знакомятся с основными понятиями в области нанотехнологий. Узнают о порядке размеров нанообъектов. Рссамтривают причины развития нанотехнологий, три этапа НТР. Приводят примеры значимых событий в развитии нанотехнологий. |
|
|
|
|
||
|
Нанокомпьютеры и нанороботы. |
Эрик Дрекслер и его книга «Машины созидания». Использование компьютеров для моделирования наноматериалов и наноустройств в виде объемных компьютерных моделей. |
Знакомятся, на основе каких материалов в настоящее время ведется разработка памяти и процесса вычислений нанокомпьютеров. Получают представление об_ устройстве и работе полупроводникового транзистора, используемого в качестве элемента памяти современного компьютера. Выясняют отличие ассемблеров и дизассемблеров.
|
|
|
Нанопорошки и нанопокрытия. Литография. Рисунки в нанотехнологиях. |
Нанопорошки и нанопокрытия. Литография. Рисунки в нанотехнологиях. Что такое туннельный микроскоп. Работа в лаборатории ИНЭП ЮФУ «Технология фотолитографии», «Силовая нанолитография». |
Приводят примеры применения нанопорошков и нанопокрытий в быту, технике. Описываютпроцесс создания рисунков в нанотехнологиях.
|
|
|
Космический лифт. |
Космический лифт. |
Знакомятся с идеями, выдвинутыми К.Э. Циолковским для освоения космического пространства. Выдвигают гипотезы для решения технических проблем, возникающих при создании космического лифта и выполнять необходимые для решения этих проблем расчеты, используя известные законы физики.
|
|
|
Междисциплинарные аспекты нанотехнологий. |
Нанотехнологии в быту и в военном деле. |
Приводят примеры использования нанотехнологий при создании военной техники, умной одежды. Приводят примеры наиболее эффективного использования нанотехнологий в быту. Узнают, на каких физических принципах основан эффект «невидимости» самолетов. Выдвигают и обосновывают гипотезы о возможностях применения нанотехнологиях в различных отраслях науки и техники, в быту.
|
|
|
|
|
||
|
Классификация наноструктур.
|
Классификация наноструктур.
|
Получают представление о классификации наноструктур. Знакомятся с основной отличительной особенностью наноматериалов от традиционных материалов. Приводят примеры изготовления и применения наноматериалов в прошедших столетиях. Выясняют, что понимают под нанокомпозитным (нанопористым) материалом и приводить примеры таких материалов, указывая области их применения. Осуществляют в интернете поиск информации.
|
|
|
Наночастицы и нанокластеры. Роль поверхностных атомов. Магические числа.
|
Наночастицы и нанокластеры. Роль поверхностных атомов. Магические числа. |
Знакомятся с понятиями: наночастицы и нанокластеры. Выясняют роль поверхностных атомов. Магические числа. |
|
|
Углеродные наноструктуры.
|
Особая роль углерода в наномире. Графен – слой графита. Фуллерены – наношарики из углерода. Фуллерен С60. Углеродные нанотрубки – трубки из графена. Свойства и применение нанотрубок. Способы получения фуллеренов и углеродных нанотрубок. Что такое туннельный микроскоп. Работа в лаборатории ИНЭП ЮФУ «Выращивание углеродных нанотрубок». |
Знакомятся с особенностями углеродных наноструктур, основами туннельной микроскопии, свойствами, способами выращивания и применением нанотрубок.
|
|
|
Нанокомпозиты, нанопористые и нанофазные материалы. |
Нанопроволоки. Композиты. |
Знакомятся с понятиями: Нанокомпозиты, нанопористые и нанофазные материалы и способами их получения. |
|
|
|
|||
|
Общие характеристики физических методов. |
Можно ли увидеть молекулы в оптический микроскоп? Первый нанотехнолог Левша и его «мелкоскоп». |
Получают знания об общих характеристиках физических методов. |
|
|
Пути создания нанообъектов. |
Технологии «сверху - вниз» и «снизу-вверх».
|
Выясняют суть технологий создания нанообъектов: технологии «сверху - вниз» и «снизу-вверх».
|
|
|
Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях. |
Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях. |
Изучают принципы, технологии и методики создания трехмерно упорядоченных структур из нанообъектов.
|
|
|
Электронная микроскопия |
Сканирующий электронный микроскоп. Что такое туннельный микроскоп. Работа в лаборатории ИНЭП ЮФУ «Растровая электронная микроскопия» |
Получают навыки работы с растровым электронным микроскопом. |
|
|
Сканирующая туннельная микроскопия. |
Что такое туннельный микроскоп. Работа в лаборатории ИНЭП ЮФУ «Сканирующая зондовая микроскопия». |
Знакомятся с возможностями СЗМ «NanoEducator» |
|
|
Атомно-силовая микроскопия. |
Как атомно-силовая микроскопия чувствует прикосновение атомов. Работа в лаборатории ИНЭП ЮФУ «Технология вакуума. Напыление пленок». |
Знакомятся с принципом работы атомно-силового микроскопии и технологией напыления пленок. |
|
|
|
|||
|
Электромагнитные волны. Квантовые свойства излучения фотоны. Гипотеза де Бройля. |
Электромагнитные волны. Квантовые свойства излучения и волновые свойства частиц. Гипотеза де Бройля. |
Используют знания курса физики для изучения наноструктур. Знакомятся с принципами получения фиксированного ионного пучка.
|
|
|
Соотношения неопределённостей.
|
Соотношения неопределённостей.
|
||
|
Квантовые представления об атоме.
|
Квантовые представления об атоме. |
|
|
|
Кристаллы и энергетические зоны. |
Энергетические зоны кристаллов.
|
|
|
|
Потенциальные яма и барьер. Квантовые ямы, нити, точки. Туннельный эффект.
|
Ямы, барьеры, туннели, ящики и нити – квантовые явления и структуры. Работа в лаборатории ИНЭП ЮФУ «Фокусированный ионный пучок" |
Получают представление о понятиях: ямы, барьеры, туннели, ящики и нити – квантовые явления и структуры. |
|
|
|
|
||
|
Число «ближайших соседей» в наночастице. Механическая прочность нанотрубок. Температура плавления наночастиц.
|
Изменение механических, тепловых, электромагнитных и оптических характеристик в наномире. Применение высокого предела прочности наноструктур. Низкая температура плавления и высокая прочность, возникающие благодаря большой доле поверхностных атомов, изменению энергетического спектра их электронов. Что такое туннельный микроскоп. Работа в лаборатории ИНЭП ЮФУ «Технология сверхнизких температур. Жидкий азот». |
Используют знания физики для работы с жидким азотом. Исследуют механическую прочность нанотрубок и выясняют температуру плавления наночастиц. |
|
|
|
|||
|
Электросопротивление наноструктур. |
Причины малого электросопротивления наноструктур. |
Выясняют причины малого электросопротивления наноструктур. |
|
|
Магнетизм наноструктур. |
Магнетизм наноструктур. |
Выясняют причины магнетизма наноструктур. |
|
|
Цвет наночастиц. Сверхнизкие температуры и нанообъекты. |
Какого цвета наночастицы? Предельная температура существования нанообъектов. |
Получают представление о цвете и предельной температуре существования нанообъектов. |
|
|
|
|
||
|
Наноэлектроника и тенденции ее развития. |
Наноэлектромеханические системы (НЭМС). Создание чрезвычайно чувствительных измерительных устройств. Как природа помогает нанотехнологам создавать (НЭМС). Наноавтомобиль – первая движущаяся управляемая наносистема.
|
Знакомятся с основами наноэлектроники на примере наноавтомобиля. Создают модель наноавтомобиля. |
|
|
Туннелирование. Спинтроника. Сверхпроводниковая электроника. |
Одноэлектронное и резонансное туннелирование. Закон Мура. Спинтроника – вычислительные процессы на вращающихся электронах. Применение сверхпроводников в электронике. Резонансно -туннельные транзисторы. Транзистор на квантовых точках. Спиновый транзистор.
|
Получают представление о видах туннелирования, сути и применении закон Мура. Знакомятся с понятием: спинтроника . Выясняют возможности применения сверхпроводников в электронике. |
|
|
Нанокомпьютеры и квантовые компьютеры. Нанотехнологии в оптоэлектронике. |
Нанокомпьютеры и квантовые компьютеры. Нанотехнологии в оптоэлектронике.Нанотрубки в электронике. Одноэлектронный выключатель и транзистор. Энергосбережение в наноэлектронике. Нанокомпьютеры и квантовые компьютеры. Новые материалы для создания запоминающих устройств. Работа в лаборатории ИНЭП ЮФУ «Резка пластин. Создание микрочипов». |
Знкомятся с принципом действия нанокомпьютеров и квантовых компьютеров, применением нанотехнологий в оптоэлектронике. Выясняют принципы создания микрочипов. |
|
|
|
|
||
|
Нанотехнологии в природе.
|
«Эффект лотоса» и его применение в быту и технике. |
Выясняют причину самоочищения листа лотоса и приводят примеры применения эффекта лотоса.
|
|
|
Гекконы, мидии и суперклей. |
Нановолокна. Применение нового материала «гекель» в разных областях человеческой деятельности.
|
Выясняют возможности применения нового материала «гекель» в разных областях человеческой деятельности.
|
|
|
Биокомпьютеры. Нанобиореакторы. Нанокапсулы.
|
Нанобиороботы, нанобиореакторы и биокомпьютеры в медицине. Двоичная система счисления и изменение цвета бактерий с зеленого на красный (или наоборот) при изменении генетического кода. Использование программируемых бактерий в медицине для прогнозирования болезней. Нанобиореактор и революция в микроэлектронике.Создание нанолекарств.
|
Узнают, какие функции могут выполнять нанороботы в медицине и оценивают реальность таких возможностей.
|
|
|
Проблема безопасности наноматериалов и нанотехнологий. |
Наноматериалы и нанотехнологии и их безопасность. |
Оценивают безопасность наноматериалов и нанотехнологий для человека и биоорганизмов. |
|
|
|
|||
|
Ближайшие перспективы нанотехнологий |
Нанотехнологии – универсальное средство производства продуктов потребительского и промышленного назначения. Социально-экономические последствия НТР. |
Выявляют ближайшие перспективы развития нанотехнологий в РФ и в мире. |
|
|
|
|
||
|
Защита проектов |
Презентация проектов и исследовательских работ учащихся, обсуждение, дискуссии.
|
Представляют результаты проектных и исследовательских работ. |
|
Учебно-методическое обеспечение программы
Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение образовательного процесса
Перечень №1
Литература для учителя
Перечень №2
Электронные издания, образовательные ИКТ-ресурсы
Перечень №3
Технические средства обучения