«Программа элективного курса по физике: Введение в нанотехнологии».

«Программа элективного курса по физике: Введение в нанотехнологии».
Выполнила: Сафонова Оксана Владимировна
учитель физики ГБОУ СОШ№ 39 г.о. Сызрань
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Данный проект разработан с целью ознакомления учащихся старших классов с новейшими достижениями науки.
Вопросы, направляющие проект.
Основополагающий вопрос: Можно ли увидеть невидимое?!
Проблемные вопросы:
1. На сколько широко нанотехнологии распространены в нашем мире?
2. Перспективы развития нанотехнологий?
3. Как можно наблюдения нанообъекты?
4. Вводить ли предмет "нанотехнология" как отдельную дисциплину?
НАНО-волна докатилась до окружных департаментов образования, т.е. до школ и учеников. Учителям предлагают вводить элективные курсы по нанотехнологиям.
Наступил XXI век и всех, и естественно, нас волнуют вопросы о будущем, о развитии науки и техники в наступающем столетии. Удастся ли человечеству победить страшные болезни (рак, СПИД и некоторые другие), станет ли путешествия к Луне и другим планетам, привычным для человека событием обычные путешествия и как будут там выглядеть поселения? Каковы возможности развития информационных технологий, как будут решаться проблемы энергетики, электроники и экологии?
В последние годы наука и техника подошли к важному рубежу, преодоление которого может значительно изменить все условия существования человечества.
Ожидается, что преодолеть этот рубеж можно с помощью нанонауки и нанотехнологии.
Нанотехнология развивается настолько стремительно, что это приводит к настоящему потоку информации, которая к тому же очень быстро обновляется. Не за горами то время, когда знаний про нанотехнике будет не хватать специалистам, не занятым в этой отрасли, а также специалистам рабочих профессий (а возможно, и домохозяйкам). Поэтому для того, чтобы этого не произошло, необходимо уже сейчас знакомить учащихся в школе с основами нанонауки и нанотехнологий.
Нанотехнологии – это технологии, дающие возможность работать с ничтожно малыми объектами, размеры которых измеряются в нанометрах, складывать из них, как из кубиков, устройства и механизмы. Нанотехнологии впитали в себя самые последние достижения физики, химии и биологии. Нанотехнологии представляют собой основу очередной технологической революции – переход от работы с веществом к манипуляции отдельными атомами. О том, что такое нанотехнологии, будет рассказано на занятиях этого кружка.
Содержание программы направлено на изучение сущности таких понятий , как: нанотехнология, нанотехника, наночастицы и их получение, инструменты нанотехнологов, нанохимия и наноматериалы, наносенсоры и наноэлектроника, нанобиотехнологии, социально-экономические последствия нанотехнологической революции. Курс предусматривает проведение исследовательской работы, оформление и защита самостоятельного проекта.
Данные занятия предназначены для учащихся 10 класса общеобразовательных средних школ. Курс основан на знаниях, полученных учащимися при изучении физики в основной и средней школе.
Элективный курс рассчитан на 17 часов (1 час в две недели). При этом наиболее эффективным было бы проведение этих занятий во первом полугодии 10 класса, так как к этому времени учащиеся уже знакомы с основными положениями квантовой физики из материала 9 класса.
Цель элективного курса:
познакомить учащихся с новой отраслью знаний – нанотехнологиями.
Основные задачи курса:
расширение представлений школьников о физической картине мира на примере знакомства со свойствами нанообъектов;
реализация межпредметных связей, т.к. для развития нанотехнологий требуются знания физики, биологии, химии и других наук;
приобретение знаний об истории возникновения нанотехнологий, о методиках, используемых при создании нанообъектов, об уникальных свойствах наноматериалов, об их применении и перспективах развития этой отрасли науки.
При проведении занятий целесообразны лекции и семинары. К семинарам учащиеся с помощью преподавателя находят информацию, касающуюся темы семинара, из научно-популярной литературы и сайтов Интернета. Работа учащихся по этому курсу может оцениваться в конце года по результатам зачёта.
2.1 ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ПОДГОТОВКИ УЧАЩИХСЯ
В процессе обучения учащиеся могут приобрести следующие умения:
- искать нужную информации;
- проводить анализ и систематизировать собранную информацию;
- представлять результаты исследований;
- оформить творческую работу;
- защищать выполненный проект.
Перечисленные умения формируются на основе следующих знаний:
- о понятиях нанотехнологии, нанотехника, нанонаука;
- о шкале размеров в окружающем мире;
- о фундаментальных науках (химии, биологии, физики информатики и т.п.);
- об инструментах нанотехнологов;
- о наночастицах и свойствах;
- о способах получения наночастиц;
- о необыкновенных свойствах удивительных наноматериалов;
- о микроэлектромеханических и наноэлектромеханических системах;
- о наносенсорах;
- о наноэлектронике;
- о проблемах информатики и сохранении информации и ее решение с помощью нанотехнологии;
- о суперкомпьютерах, биокомпьютерах;
- о нанобиотехнологиях;
- о нанобиороботах и биороботах;
- о нанокапсулах и нанобиореакторах;
- об использовании нанотехнологий для создания материалов и устройств с удивительными свойствами;
- о применении нанотехнологий в медицине, экологии, электронике и других сферах человеческой деятельности;
- о социально-экономических последствиях нанотехнологической революции;
- о том, как использовать информацию
2.2. Методы обучения:
- объяснительно-иллюстрационный;
- репродуктивный;
- проблемный;
- частично-поисковый и эвристический;
- исследовательский.
2.3. Педагогические приемы:
- формирование взглядов (пример, разъяснение, дискуссия);
- организация деятельности (приучения, упражнения, показ, подражание, требование);
- стимулирование и коррекция (поощрение, похвала, соревнование, взаимопомощь, взаимооценка и оценка);
- свободного выбора направления исследовательской проектной деятельности.
Для решения задачи развития творческого потенциала обучающихся, выработки у них умений решать научно-технические и исследовательские задачи при реализации данной программы применяется метод проблемного обучения. Проблема формируется таким образом, чтобы учащийся решил новую для него задачу, на основании уже имеющихся у него знаний.
Формирование умений самостоятельно приобретать и пополнять знания – одно из актуальных задач обучения на современном этапе. Поэтому во всех формах обучения должны присутствовать элементы самостоятельности обучающихся.
3. КАЛЕНДАРНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
№ п/пНаименование раздела и тем Кол-во
часов Примечание Раздел 1. Введение в нанотехнологию4ч 1 Тема 1.1. Что такое нанотехнологии1 2 Тема 1.2 Наночастицы и их получение 1 3 Тема 1.3 Какие ученые занимаются нанотехнологиями1 4 Тема 1.4 Инструменты нанотехнологов1 Раздел 2. Нанохимия и наноматериалы5ч 5 Тема 2.1 Фуллерены 1 6 Тема 2.2 Нанотрубки1 7 Тема 2.3 Кластеры 1 8 Тема 2.4 Необыкновенные свойства наночастиц1 9 Тема 2.5 «Потеющий» металл и другие удивительные наноматериалы1 Раздел 3. Микроэлектромеханические системы (МЭМС), наносенсоры и наноэлектроника5ч 10 Тема 3.1 Наноэлектромеханические системы (НЭМС) 1 11 Тема 3.2 Наносенсоры1 12 Тема 3.3 Электронный нос 1 13 Тема 3.4 Умная пыль 1 14 Тема 3.5 Наноэлектроника1 Раздел 4. Нанобиотехнологии3ч 15 Тема 4.1 Нанобиотехнологии1 16 Тема 4.2 Нанотехнологии в природе. «Эффект лотоса» 1 17 Тема 4.3 Биокомпьютеры. Нанокапсулы1 Всего 17ч 4. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Вводное занятие.
Что означает слово «нанотехнология». История возникновения нанотехнологий. Как нанотехнологии изменят жизнь человека. Применение нанотехнологии во многих областях деятельности: в промышленности, в энергетике, в исследованиях космоса, в медицине и во многом другом. Нанотехнологии позволяют сделать фантастику реальностью.
РАЗДЕЛ 1. ВВЕДЕНИЕ В НАНОТЕХНОЛОГИЮ
Тема 1.1. Что такое нанотехнологииЗначение слов «нано» и «технологии».Нанотехнологии и как они изменяют свойства вещей. Шкала размеров объектов, существующих в природе.
Тема 1.2 Наночастицы и их получение
Понятие о наночастицах и их размеры. Два способа получения наночастиц. Первый, более простой, метод – «сверху вниз». Второй – «снизу вверх». Конструирование наноматериалов и наноустройств из наночастиц атомов, молекул. Наномир начинает работать на нас.
Тема 1.3 Какие ученые занимаются нанотехнологиямиМежпредметныйхарактем научных исследований. Использование компьютеров для моделирования наноматериалов и наноустройств в виде объемных компьютерных моделей.
Тема 1.4 Инструменты нанотехнологовПервый нанотехнолог Левша и его «мелкоскоп». Оптический микроскоп. Появление электронного микроскопа послужило началу бурного развития нанотехнологии. Сканирующие зондовые микроскопы позволили «пощупать» наночастицы. Нанотрубки и создание наноинструментов. Нанопинцет. Нановесы. Нанотермометр. Наноскальпель и наношприц.
Наноинструменты и программы компьютерного моделирования позволяют создавать новые наноматериалы и наноустройства. Нанороботы уже не фантастика. Понятие об «ассемблерах» и «дизассемблерах».
РАЗДЕЛ 2. НАНОХИМИЯ И НАНОМАТЕРИАЛЫ
Тема 2.1 Фуллерены
Открытие фуллеренов в 1985 году. Фуллерен – наночастица, состоящая из атомов углерода. Четное количество атомов углерода в фуллеренах колеблется от 28 от 540. Форма фуллеронов. Фуллерен С60. Фуллерены как кирпичики для создания материалов прочнее алмаза, материалов для электроники, лекарств против вирусных заболеваний и СПИДа.
Тема 2.2 НанотрубкиУглеродные нанотрубки. Обыкновенный графит как прородительнанотрубок. Удивительные свойства нанотрубок. Применение нанотрубок. Создание искусственных мускулов. Одежда для пожарных и косонавтов. Крошечные контейнеры для хранения жидких и газообразных веществ. Автомобили на водородном топливе с выхлопом обычного водяного пара. Хранение ядовитых и токсичных веществ. Топливные ячейки из нанотрубок. Нанотрубкив медицине. Нанорадио для плохо слышащих людей.
Тема 2.3 Кластеры
Кластеры – самостоятельнаянаночастица с упорядоченным объединением атомов и определенными свойствами. Происхождение названия «кластер». Число атомов в кластере, построенном в виде правильного 12-вершинного многогранника, равно 13, 55, 147, 309, 561 и т.д. «Магические» числа и магические кластеры. Фуллерены – это кластеры углерода с четным числом атомов. Создание российскими учеными гигантского кластера из 561 атома палладия. Объединение кластеров в сверхкластеры.
Тема 2.4 Необыкновенные свойства наночастицСеребро и его наночастицы. Очищение воды и воздуха. Борьба с инфекциями и вирусами (в том числе и вирусом СПИДа). Наночастицы серебра в зубной пасте и в краске для стен. Ткани с добавлением наночастиц серебра для пошива медицинской и детской одежды.
Наночастицы оксида цинка и их уникальная способность поглощать вредные для здоровья многие виды излучения. Защита глаз от ультразвукового излучения. Одежда с напылением наночастиц оксида цинка защищает человека в жаркий день и делает невидимым для приборов ночного видения.
Наночастицы диоксида кремния придают материалу удивительные свойства. Материал, к которому не пристает грязь, вода просто скатывается, унося с собой любые загрязнения. Самоочищающиеся материалы и покрытия и их применение.
Тема 2.5 «Потеющий» металл и другие удивительные наноматериалыМечта человека создать материал, способный сопротивляться воздействию высоких температур, сбылась. Система потоотделения человеческой кожи и создание «потеющего» металла. Применение «потеющего» металла.
Дышащие стены дома уже не фантастика.
РАЗДЕЛ 3. МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ (МЭМС), НАНОСЕНСОРЫ И НАНОЭЛЕКТРОНИКА
Тема 3.1 Наноэлектромеханические системы (НЭМС)
Наноэлектромеханические системы (НЭМС). Создание чрезвычайно чувствительных измерительных устройств. Как природа помогает нанотехнологам создавать (НЭМС).
Наноавтомобиль. «Наноактюатр» в качестве двигателя для наноавтомобиля. Карбораны-молекулы содержащие атомы углерода, водорода и бора. Карбораны-колеса для наноавтомобиля. Наноавтомобиль – первая движущаяся управляемая наносистема.
Тема 3.2 НаносенсорыСмысл слова «сенсор». Сенсоры и работа органов чувств человека (слуха, зрения, обоняния, осязания и вкуса) и животных (эхолокация, инфракрасное видение, восприятие электрических и магнитных полей). Сенсоры из нескольких молекул и НЭМС. Как природа учит человека создавать сенсоры.
Тема 3.3 Электронный нос
Обоняние – чувство, с помощью которого человек способен воспринимать запахи. Мы живем в мире запахов. Каким образом человек распознает запахи? Обонятельные клетки в качестве сенсоров. Мозг человека как анализатор запахов. От чего зависит чувствительность обоняния. Обоняние у животных.
Электронный нос. Определение пахучего вещества всего по одной молекуле. Быстрое определение веществ. ЧИП с наносенсорами для распознания запахов. Селективность электронного носа. Преобразование запахов в звуковой и световой сигнал. «Электронный нос» в медицине. Определение свежести и свойств продуктов.
Использование «электронного носа» в системах безопасности (пожарной, выявление взрывчатых веществ, наркотиков и т.п.). Выявление утечки газов, поиск месторождений нефти и газа.
Тема 3.4 Умная пыль
«Умная пыль» - одно из достижений нанотехнологии. Основные функции и устройство «умной пыли». Как она работает. «Умная пыль» помогает экологам, врачам, военным и космонавтам. Орнитология и «умная пыль». «Умная пыль» помогает сельскому хозяйству. Предсказание землетрясений и стихийных бедствий.
Тема 3.5 НаноэлектроникаКак электроника вошла в нашу жизнь. Ламры, транзисторы, интегральные схемы. Микропроцессоры. Как нанотехнологии могут изменить электронный мир. Нанотрубки в электронике. Одноэлектронный выключатель и транзистор. Энергосбережение в наноэлектронике.
РАЗДЕЛ 4. НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ
Тема 4.1 НанобиотехнологииНанобиотехнология соединяет сразу несколько наук: биология, химия, физика и материаловедение. Соединение живого с неживым. Живые клетки и наноструктуры. Нанотехнологии и эликсир молодости. Лекарство специально для конкретного человека (учитывающее особенности организма, возраст и аллергические реакции). Доставка лекарства в клетки. Лечение вирусных заболеваний и повреждение тканей. Раковые заболевания и их лечение с помощью нанобиотехнологий. Нанобиороботы и их помощь медицине.
Тема 4.2 Нанотехнологии в природе. «Эффект лотоса»
Священный цветок лотоса - символ духовной и физической чистоты. Вырастая из речного ила, он вырастает совершенно чистым, без единого пятнышка. Открытие «эффекта лотоса». Как нанотехнологии объясняют способность лотоса сохранять свою чистоту. Плитка для облицовки домов, стекла для автомобилей, керамическая сантехника с «эффектом лотоса». Как ученые, узнав у нее ее секреты, создают материалы с удивительными свойствами.
Тема 4.4 БиокомпьютерыНовое направление исследований на пересечении биологии и науки о компьютерах позволит создать биокомпьютер. Биокомпьютер и живые клетки. Генетический код. Как ученые, изменяя генетический код бактерий, учат их обмениваться сигналами и выполнять простые математические действия.
Двоичная система счисления и изменение цвета бактерий с зеленого на красный (или наоборот) при изменении генетического кода. Использование этого свойства бактерий при получении сложного изображения.
Использование программируемых бактерий в медицине для прогнозирования болезней. Биокомпьютеры в медицине. Создание суперпамяти с помощью биоструктур на основе РНК. «Умное» лекарство. Создание биороботов становится реальностью.
НанокапсулыИзобретение электронного микроскопа и обнаружение в живых клетках крошечных нанокапсул. Содержимое нанокапсул и доставка своего содержимого в клетки. Создание нанолекарств, которые можно помещать в нанокапсулы и доставлять в больные клетки.
5. ФОРМЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ
Контроль знаний и умений учащихся подразделяется на текущий и итоговый. Он дает возможность учителю совершенствовать учебный процесс. Проверяя знания учащихся, учитель оценивает их. Оценка должна быть объективной, справедливой и понятной ученику. Оценка имеет функцию поощрения и порицания, является средством воспитательного воздействия. Результатом оценки знаний и умений учащихся является отметка, выставленная в журнал. Ее ставят за фактические знания и умения, предусмотренные учебной программой. Проверка знаний учащихся осуществляется путем устного опроса и текущих или итоговых письменных контрольных работ (контрольных заданий, тестов, задач, кроссвордов). Проверка умений учащихся проводится в виде практической работы над итоговым исследовательским проектом.
С целью оперативного и объективного контроля знаний были разработаны графические тесты по различным разделам и темам программы «Знакомство с нанотехнологией».
Тесты составлены на бумажных и электронных носителях (компьютерная версия). В предлагаемых блоках тестов учащиеся должны выбрать правильный ответ: на бланках обвести кружочком, а на мониторах компьютеров нажать курсором кнопку правильного ответа. В компьютерной версии тестирования составлена программа, которая по результатам ответов учащихся оперативно выводит на монитор результирующую оценку по знаниям данного раздела. В таблице 1 приводится соответствие процента правильных ответов в тесте выставляемой оценке.
Процент правильных ответов Оценка
до 50% неудовлетворительно
до 65% удовлетворительно
до 90% хорошо
свыше 90% отлично
Для контроля знаний были выбраны графические тесты, так как их легко можно дифференцировать по степени сложности.
6. Материально-техническое обеспечение
Для реализации данной рабочей программы необходимы следующие материалы и оборудование:
- компьютер;
- сканер;
- принтер цветной лазерный;
- альбом для рисования;
- цветные карандаши;
- акварельные и гуашевые краски;
- цветная бумага;
- бумага для принтера (формат А4);
- клей ПВА.
6.1 Методическое обеспечение
В работе при выполнении данной программы используются все виды деятельности, развивающие интерес к данной дисциплине: игра, творчество, познание, труд, викторины, общение, проведение исследований и т.п.
Методы проведения занятий: словесные, наглядные, практические, чаще всего должно применяться их сочетание.
Занятия должны проходить в русле исследовательской проектной методики, кроме того, теоретический материал выдается в виде лекции, содержание его расширяется в процессе дискуссий на семинарных занятиях и самостоятельной работе с источниками информации. В ходе практической исследовательской проектной деятельности формируются умения и навыки выполнения технологии исследовательской и проектной деятельности, умение пользоваться справочной и специальной литературой, Интернет ресурсом, презентации и защиты творческой работы.
При определении содержания деятельности учащихся должны учитываться следующие педагогические принципы:
- воспитательный характер;
- научности (изучение и соблюдение строгой научно-технической терминологии, символики);
- связи теории с практикой;
- системности и последовательности;
- наглядности;
- прочности овладения знаниями и умениями.
При этом в процессе овладения знаниями выделяется ряд существенных положений образовательного процесса:
- обязательное формирование у учащихся положительной мотивации к исследовательской проектной деятельности;
- получение обучающимися новой научно-технической информации, новых знаний и умений при решении конкретных практических задач;
- обогащение опытом (мыслительной и практической деятельности не только в ходе учебной работы, но и в условиях межличностного общения);
- обретение умений и навыков без принуждения к самообразованию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная
1. Алфимова М.М. Занимательныенанотехнологии. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011.
Дополнительная
1. Богданов К.Ю. Что могут нанотехнологии? – М.: Просвещение, 2009.
2. Балабанов В.И. нанотехнологии. Наука будущего. – М.: ЭКСМО, 2009.
3. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. – М.: Машиностроение, 2003.
4. Кабаяси Н. Введение в нанотехнологию. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011.
5. Кеннет Деффейс, СтефенДеффейс Удивительные наноструктуры– М.: Бином, 2011.
6. Уильямс Л. Нанотехнологии без тайн. – М.: ЭКСМО, 2010.
Тест №1
1. Что означает слово «нано»?
- одну девятую часть
- одну сотую часть
- одну миллиардную часть 5. Какими инструментами пользуются нанотехнологи?
- оптическим микроскопом
- зондовым микроскопом
- пилой и топором
2. Наночастицы имеют размер:
- от одного до ста нанометров
- от одного до двух нанометров
- от одного до миллиарда нанометров 6. Наношприцсделан на основе:
- нанотрубки- фуллерена
- молекулы искусственного белка
3. Что такое способ получения наночастиц «сверху вниз»?
- исходный материал бросают с большой высоты, и он распадается на наночастицы- исходный материал измельчают до тех пор, пока его частицы не станут наноразмерными- на исходный материал сверху бросают что-нибудь тяжелое, и он распадается на наночастицы7. Как называется устройство для сборки наномеханизмов?
- дизассемблер
- ассемблер
- икосаэдр
4. Что такое способ получения наночастиц «снизу вверх»?
- исходный материал подбрасывают вверх и он распадается на наночастицы- исходный материал сверлят снизу до получения наночастиц- наночастицы получают, объединяя отдельные атомы 8. Какие ученые занимаются изучением и созданием наноматериалов?
- философы и филологи
- социологи и экономисты
- физики, химики, биологи и специалисты по компьютерным наукам
Тест №2
1. Фуллерен состоит из атомов:
- кислорода
- водорода
- углерода 7. Фуллерены и углеродные нанотрубки получают из:
- графита
- алмаза
- бумаги
2. Молекула фуллерена С60 похожа:
- на футбольный мяч
- на спираль
- на дерево 8. При какой температуре образуются фуллерены и нанотрубки?
- при низкой температуре
- при комнатной температуре
- при высокой температуре
3.Толщина однослойной углеродной нанотрубки:
- миллион атомов углерода
- сто атомов углерода
- один атом углерода 9. Наночастицы какого металла эффективно борются с бактериями и вирусами?
- железа
- серебра
- алюминия
4. Углеродная нанотрубка:
- втягивает в себя жидкости и газы
- выталкивает из себя жидкости и газ
- никак не реагирует на жидкости и газы 10. Как называют покрытия из наночастиц диоксида кремния?
- самозагрязняющимися- самообучающимися
- самоочищающимися
5. Из одной единственной нанотрубки можно сделать:
- телевизор
- радио
- телефон 11. Как называется металл, который сам себя защищает от высокой температуры?
- потеющий металл
- мерзнущий металл
- защищенный металл