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:

• Федеральный закон «Об образовании в Российской Федерации». — М.: Издательство «Омега-Л», 2014. — 135 с.
• Федеральный государственный образовательный стандарт среднего (полного) общего образования / Министерство образования и науки Российской Федерации. — 2-е изд. — М.: Просвещение, 2014. —  63с.
• Примерная программа по физике среднего (полного) образования. Профильный уровень.10-11 классы.

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:

• устранить информационный пробел в знаниях обучающихся, ведь в образовательных стандартах, учебниках, программах по химии, физике, биологии, математике нет разделов, посвященных нанотехнологиям;
• сформировать более высокий уровень естественнонаучной грамотности, целостную картину мира на разных уровнях размерности физических систем, мотивируя к более глубокому изучению физики;
• способствовать реализации инженерного образования в лицее;
• повышать эффективность взаимодействия с профильным ВУЗом;
• развивать и поддерживать интерес у обучающихся к исследовательской деятельности и проектной работе с целью их дальнейшего профессионального самоопределения.

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:

• возможность дистанционного обучения, благодаря использованию материалов онлайн-курса;
• возможность виртуального присутствия обучающихся в лабораториях ИНЭП ЮФУ, благодаря применению современных информационных технологий;
• стимулирование учебно-исследовательской   и проектной деятельности школьников через применение авторских приемов работы с обучающимися;
• преобладание творческих форм работы, благодаря ведущей роли проектной и исследовательской деятельности и обучению в сотрудничестве;
• включение элементов занимательности в сочетании с научностью, создающее положительную мотивацию к освоению материала;
• возможность выбора обучающимися направления лабораторных занятий на базе ИНЭП ЮФУ в соответствии с их интересами и образовательными потребностями, создавая условия для построения индивидуального образовательного маршрута обучающимися;
• возможность мониторинга учебных результатов обучающихся посредством разработанных электронных тестов по направлению «Нанотехнологии»;
• применение авторских приемов работы с текстами технического содержания с целью формирования навыков смыслового чтения;
• применение карт индивидуального развития обучающимися с целью формирования навыков самоконтроля, самооценки и самоорганизации старшеклассников;
• создание базы для ориентации обучающихся в мире современных профессий;
• обеспечивает непрерывность профессионального образования «школа-ВУЗ».

ЦЕЛИ  КУРСА

• формирование целостной естественнонаучной картины мира с учетом достижений науки и техники в области нанотехнологий;
• углубление знаний основного курса физики и повышение интереса к его изучению;
• формирование умения коллективно решать поставленные задачи;
• формирование личностных и метапредметных УУД;
• пробуждение интереса у обучающихся к исследовательской деятельности и инженерной работе в области нанотехнологий.

ЗАДАЧИ  КУРСА

• создать условия для развития познавательного интереса, интеллектуальных и творческих способностей учащихся в процессе самостоятельного приобретения знаний с использованием различных источников информации;
• формировать общее представление о том, что такое нанотехнологии как отрасль науки и производства, и её потенциале для решения многих проблем человечества с помощью высокоэффективных материалов, компонентов и систем;
• показать междисциплинарный характер нанотехнологии как нового направления науки;
• познакомить учащихся с основными направлениями и методами исследований в области нанотехнологий, а, также с достижениями и перспективами развития нанотехнологий;
• формировать навыки научно-исследовательской деятельности;
• развивать умение обучающихся самостоятельно работать с научными текстами, используя навыки смыслового чтения;
• воспитывать чувство ответственности за собственные действия;
• формировать навыки самодисциплины и самоконтроля в ходе проведения исследований и создания различных проектов;
• развивать умение коллективно решать поставленные задачи;
• обучить принципам работы со сканирующим зондовым микроскопом NanоEducator;
• формировать знания о фундаментальных принципах и физических эффектах, лежащих в основе применения нанотехнологий.

МЕСТО КУРСА «НАНОТЕХНОЛОГИИ» В УЧЕБНОМ ПЛАНЕ

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).

ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ КУРСА

«НАНОТЕХНОЛОГИИ»

Личностные результаты обучения

Учащийся должен:

испытывать:

• уважение к окружающим - признавать право каждого на собственное мнение и принимать решения с учетом позиций всех участников;
• самоуважение и эмоционально-положительное отношение к себе;

признавать:

• ценность здоровья (своего и окружающих);
• необходимость самовыражения, самореализации;

осознавать:

• готовность (или неготовность) к самостоятельным поступкам и действиям, принятию ответственности за их результаты;
• готовность (или неготовность) открыто выражать и отстаивать свою позицию и критично относиться к своим поступкам;

проявлять:

• доброжелательность, доверие и внимательность к людям, готовность к сотрудничеству и дружбе, оказанию помощи нуждающимся в ней;
• устойчивый познавательный интерес, инициативу и любознательность в изучении мира веществ и реакций;
• целеустремленность и настойчивость в достижении целей, готовность к преодолению трудностей;
• убежденность в возможности познания природы, необходимости разумного использования достижений науки и технологий для развития общества;

уметь:

• устанавливать связь между целью изучения нанотехнологий и тем, для чего она осуществляется.

Метапредметными результатами изучения курса являются:

• умение самостоятельно планировать пути достижения целей, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения учебных и познавательных задач;
• умение соотносить свои действия с планируемыми результатами, осуществлять контроль своей деятельности в процессе достижения результата, определять способы действий в рамках предложенных условий и требований, корректировать свои действия в соответствии с изменяющейся ситуацией;
•  умение оценивать правильность выполнения учебной задачи, собственные возможности решения;
• владение основами самоконтроля, самооценки, принятия решений и осуществления осознанного выбора в учебной и познавательной деятельности;
• умение определять понятия, создавать обобщения, устанавливать аналогии, классифицировать, самостоятельно выбирать основания и критерии для классификации, устанавливать причинно-следственные связи, строить логическое рассуждение, умозаключение и делать выводы;
• умение организовывать учебное сотрудничество и совместную деятельность с учителем и сверстниками; работать индивидуально и в группе: находить общее решение и разрешать конфликты на основе согласования позиций; формулировать, аргументировать и отстаивать свое мнение;
• умение осознанно использовать речевые средства в соответствии с задачей коммуникации для выражения своих мыслей, планирования и регуляции своей деятельности; владеть устной и письменной речью, монологической контекстной речью.

Предметные результаты изучения курса:

общие результаты изучения предметной области «Естественные науки»:

• формирование целостной научной картины мира;
•  понимание возрастающей роли естественных наук и научных исследований в современном мире, постоянного процесса эволюции научного знания, значимости международного научного сотрудничества;
•  овладение научным подходом к решению различных задач;
•  овладение умениями формулировать гипотезы, конструировать, проводить эксперименты, оценивать полученные результаты;
• овладение умением сопоставлять экспериментальные и теоретические знания с объективными реалиями жизни;
• воспитание ответственного и бережного отношения к окружающей среде;
• формирование умений безопасного и эффективного использования лабораторного оборудования, проведения точных измерений и адекватной оценки полученных результатов, представления научно обоснованных аргументов своих действий, основанных на межпредметном анализе учебных задач;

частные результаты изучения учебного предмета «Физика»:

• формирование представлений о физических основах нанотехнологий: масштабах наномира, основных представлениях квантовой механики, основных типах и уникальных свойствах наноструктур, методах их получения и исследования;
• формирование умений устанавливать связи между реально наблюдаемыми физическими явлениями и процессами, происходящими в микромире и наномире, объяснять причины различия свойств веществ, зависимость свойств от состава и строения, а также зависимость применения веществ от их свойств;
• приобретение опыта использования различных методов изучения веществ: наблюдения за их превращениями при проведении несложных химических экспериментов с использованием лабораторного оборудования, в частности, сканирующего зондового микроскопа NanоEducator.

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».

1. Введение (1 час). 

1. История значимых событий в развитии нанотехнологий.
2. Положение нанообъектов на шкале размеров.
3. Ричард Фейнман – пророк нанотехнологической революции.

1. Нанотехнологии вокруг нас (4 часа).

1. Нанокомпьютеры и нанороботы.
2. Космический лифт.
3. Нанопорошки и нанопокрытия. Литография. Рисунки в нанотехнологиях.
4. Междисциплинарные аспекты нанотехнологий.

1. Наночастицы и наноструктуры (4 часа).

1. Классификация наноструктур.
2. Наночастицы и нанокластеры.
3. Роль поверхностных атомов.
4. Магические числа.
5. Углеродные наноструктуры.Углеродные нанотрубки-материал будущего.
6. Нанокомпозиты, нанопористые и нанофазные материалы.

1. Методы получения и исследования наноструктур (6 часов).

1. Общие характеристики физических методов.
2. Пути создания нанообъектов: технологии «сверху - вниз» и  «снизу-вверх».
3. Самоорганизация и самосборка в нанотехнологиях.
4. Электронная микроскопия.
5. Прозондируем наномир. Сканирующая туннельная микроскопия.
6. Атомно-силовая микроскопия.

1. Квантовая физика и наноструктуры (5 часов).

1. Электромагнитные волны.
2. Квантовые свойства излучения фотоны.
3. Гипотеза де Бройля.
4. Соотношения неопределённостей.
5. Квантовые представления об атоме.
6. Кристаллы и энергетические зоны.
7. Потенциальные яма и барьер.
8. Туннельный эффект.
9. Квантовые ямы, точки, проволоки.

1. Уникальные свойства наноструктур (5 часов).

1. Число «ближайших соседей» в наночастице.
2. Механическая прочность нанотрубок.
3. Температура плавления наночастиц.
4. Электросопротивление наноструктур.
5. Магнетизм наноструктур.
6. Цвет наночастиц.
7. Сверхнизкие температуры и нанообъекты.

1. Наноэлектроника (3 часа).

1. Наноэлектроника и тенденции ее развития.
2. Одноэлектронное туннелирование.
3. Резонансное туннелирование.
4. Спинтроника.
5. Сверхпроводниковая электроника.
6. Нанокомпьютеры и квантовые компьютеры.
7. Нанотехнологии в оптоэлектронике.

1. Нанобиотехнологии (4 часа).

1. Нанотехнологии в природе.
2.  Гекконы, мидии и суперклей.
3.  Биокомпьютеры.
4.  Нанобиореакторы.
5. Нанокапсулы.
6. Проблема безопасности наноматериалов и нанотехнологий.

1. Ближайшие перспективы нанотехнологий (1 час).

1. Защита  проектов (2 часа).

ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ОСНОВНЫХ ВИДОВ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ