Совершенствование содержания школьного курса физики с использованием основных понятий нанотехнологий



В статье разработаны методические предложения по развитию научного мировоззрения и навыков самостоятельного мышления учащихся с использованием материалов, связанных с нанотехнологиями, на школьных уроках физики.

Ключевые слова: нанообъект, нанофизика, наномир, нанотехнология,научное творческое мышление, знания и навыки, фуллерен, нанотрубка.

Известно, что существуют факторы, влияющие на развитие творческого мышления школьников.

В качестве примера можно упомянуть такие ситуации, как желание, интерес учащегося найти решение существующей проблемы. Однако одних только этих ситуаций в большинстве случаев недостаточно для развития способностей творческого мышления учащегося и поиска правильного решения проблемы. Основное внимание следует уделить таким важным факторам, как способность учащихся правильно оценивать проблемы и пути их решения, формирование творческих способностей и информационной грамотности, приобретении достаточных знаний и навыков по различным предметам, адаптивность к различным условиям.

На уроках физики учащиеся могут понять суть содержания и найти решение задач и примеров только после приобретения теоретических знаний о физических законах. Если учащийся недостаточно овладевает необходимыми теоретическими знаниями о физических законах или возникновении событий и процессов, развитие творческих способностей может столкнуться с определенными трудностями. Большинство студентов сталкиваются с трудностями при решении практических задач или выполнении экспериментальных упражнений, особенно при освоении новых физических понятий. Например, не секрет, что нанонаука вошла в образовательный процесс как новинка во всем мире. Практическая значимость нанонауки в физике весьма значительна. Конечно, в образовательном процессе есть период времени и этапы освоения новой науки. В физике современная наука, известная как «Нанофизика», изучает наномир и его физические явления и процессы. Очень актуален вопрос обучения школьников элементам нанофизики на уроках физики. Для этого, как уже говорилось выше, студенты должны обладать достаточными знаниями и навыками по законамфизики и их практического применения. Также должны быть созданы всенеобходимые условия для развития навыков научного и творческого мышления [1].

Известно, что учебник «Введение в нанотехнологии» для 10–11 классов, в соавторстве с Ю. Н. Зубковым и др. [2] является одним из первых источников, предназначенных для формирования представлений о нанотехнологиях и нанофизике в школьном курсе физики. Ознакомление с достижениями новых технологий может осуществляться уже в начальной школе в доступных для младших школьников формах через рассказы, игры, фото-видеоматериалы, экскурсии, а также через трудовую деятельность [3]. Также материалы, связанные с основными понятиями нанотехнологий, представлены в учебнике «Основы нанотехнологий» В. В. Светухина, И. О. Явтушенко [4], предназначенном для 10–11 классов общеобразовательных школ и колледжей. Кроме того, научно-методические разработки, связанные с преподаванием элементов нанотехнологий в школьном образовании, представлены в научных работах М. Ф. Гребкина и Л. П. Лобовой [5]. Книга A. Nouailhat [6] отправляет нас в путешествие в новый наномир для открытия для себя волшебного мира. В этой книге представлена увлекательная информация о мире микро и нанотехнологий. Также очень хорошо раскрыты этапы развития наномира.

Практическая ценность рабочих демонстрационных моделей и мультимедийных инструментов очень важна для формирования у школьников большего интереса к процессам, происходящим в состоянии наночастиц и желания учиться. Например, использование в преподавании темы «Элементарные частицы» материалов о наноразмерных фуллеренах и нанотрубках, обладающих прекрасными свойствами и характеристиками, во-первых, положительно влияет на качество и эффективность урока, а также, во-вторых, формирование и развитие навыков самостоятельного творческого мышления представляет собой педагогический опыт, — было выявлено при исследовании тестовых случаев.

Известно, что в физике под наночастицами понимают объекты размером от 1 нанометра (1 нм=10 ^–9 м) до 100 нанометров. Конечно, особенности нанообъектов особенно ярко проявляются в диапазоне размеров от 0,1 нм до нескольких десятков нанометров. В этой области все свойства нанообъектов (физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические и другие свойства) могут резко отличаться от свойств макрообъектов.

Издавна людям было известно, что существует только три аллотропы углерода: алмаз, графит и аморфный углерод. Однако за последние три десятилетия было открыто всё: от нульмерных фуллеренов, одномерных углеродных нанотрубок до двумерного графена. В настоящее время новые углеродные наноматериалы продолжают привлекать внимание всего мира. Углеродные наноматериалы можно разделить на три категории в зависимости от степени наноразмерного ограничения их пространственных размеров: нульмерные, одномерные и двумерные углеродные наноматериалы.

0-мерные наноматериалы относятся к материалам нанометрового размера в трехмерном пространстве, таким как наночастицы, атомные кластеры и квантовые точки. Обычно они состоят из небольшого числа атомов и молекул. Существует множество нульмерных углеродных наноматериалов, таких как технический углерод, наноалмаз, нанофуллерен C ₆₀ , частицы нанометалла с углеродным покрытием. Искусственно полученные модификации углерода, его кластеров, пространственных веществ с многогранной структурой.

Также «нанотрубка» — это молекула, состоящая из более чем миллиона атомов углерода, имеющая форму трубки диаметром около 1 нанометра и длиной несколько десятков микрон. Атомы углерода стенок трубки расположены на концах правильных шестиугольников. Структуру нанотрубок можно представить следующим образом — берем графитовую плоскость, бумагу, разрезаем ее на длинные части и приклеиваем к цилиндру. Звучит достаточно просто, но ни один теоретик не мог этого предсказать, пока не начали экспериментировать с нанотрубками. На рисунке 1 ниже показана структура молекулы фуллерена, а на рисунке 2 показана структура нанотрубки.

Рис 1. Структуры молекулы фуллерена C ₆₀ [7].

Термин фуллерен назван в честь известного архитектора Бакминстера Фуллера, создавшего подобные структуры для использования в архитектуре. Фуллерен имеет каркасную структуру, состоящую из 5–6 угловатых «заплаток», очень похожую на футбольный мяч. Если представить, что атомы углерода расположены на концах этих многогранников, то мы получим фуллерен С ₆₀ , который является наиболее стабильным. Число шестиугольников в молекуле С ₆₀ равно 20. В этом случае каждый пятиугольник ограничен только шестиугольником, каждый шестиугольник имеет 3 общие стороны с шестиугольниками и 3 общие стороны с пятиугольниками.

Рис. 2. Структура нанотрубки [8]

Прелесть нанотрубок в том, что, несмотря на то что нанотрубки в 100 000 раз тоньше человеческого волоса, они являются очень прочным материалом. Нанотрубки в 50–100 раз прочнее стали и в 6 раз менее плотны. Было обнаружено, что модуль Юнга — сопротивление материала деформации — в этих нанотрубках вдвое выше, чем в обычных углеродных волокнах. Трубки не только прочные, но и выглядят как чрезвычайно прочные резиновые трубки.

В настоящее время фуллерены и нанотрубки являются основными нанообъектами в нанотехнологиях. Поэтому при изучении школьниками явлений эффектов в наноразмерных объектах и ​​их удивительных свойств основными нанообъектами являются фуллерены и нанотрубки.

Ниже приведены примеры тестовых вопросов, предназначенных для определения знаний и умений школьников по нанотехнологиям:

1. Из скольких шестиугольников и сколько пятиугольников состоит молекула фуллерена С ₆₀ ?

А. 6 шестиугольников, 3 пятиугольника

Б. 12 шестиугольников, 4 пятиугольника

В. 10 шестиугольников, 6 пятиугольников

Г. 20 шестиугольников, 12 пятиугольников

2. Каков диаметр молекулы фуллерена С ₆₀ ?

A. 0,7 нм Б. 0,3 нм В. 0,5 нм Г. 0,2 нм

3. Какова частота колебаний молекулы фуллерена С ₆₀ ?

А. 174 Б. 46 В. 32 Г. 44

4. Какие формы наночастиц металлов наиболее распространены?

А. Октаэдр, икосаэдр, тетрадекаэдр

Б. Кубический, гексагонил

В. Тетраэдр ромбический

Г. Гектоганил, четырехугольный

5. Что такое фрактальные объекты?

А. Если объект имеет фиксированную структуру

Б. Если объект имеет многослойную структуру

В. Если объект имеет разветвленную структуру во всех направлениях

Г. Если объект имеет однослойную структуру

6. В инертной среде молекула С ₆₀ термостойка до скольких градусов?

А. 12000 К Б. 17000 К В. 15000 К Г. 20000 К

7. Сколько атомов содержится в небольших углеродных кластерах?

А. Менее 24 Б. Более 24 В. Более 50 Г. Менее 50

8. Каково число атомов в крупных углеродных кластерах?

А. 24 Б. 12 В. Более 24 Г. Менее 24

Школьники смогут определить правильный ответ на эти тестовые вопросы после того, как в достаточной степени освоят необходимые научно-теоретические материалы, связанные с нанотехнологиями.

В целом, из приведенной выше информации можно сделать вывод, что приобретение школьниками материалов, относящихся к элементам нанотехнологий, во-первых, расширяет их представления о развитии современной науки и техники, во-вторых, служит развитию научных и творческих способностей и навыков мышления. Кроме того, у школьников начинает развиваться способность мыслить о природных явлениях и процессах на наноуровне.

Литература:

1. Абдиев У. Б. Развитие навыков научного творчества у школьников на основе нанофизических воображений. Современное образование, Ташкент. 2024, 1 (134). с. 51–60.

2. Зубков Ю. Н., Кадочкин А. С., Козлов Д. В., Нагорнов Ю. С., Новиков С. Г., Светухин В. В., Семенцов Д. И. Введение в нанотехнологии модуль «Физика». Учебное пособие для учащихся 10–11 классов средних общеобразовательных учреждений. Санкт-Петербург, Школьной лиги РОСНАНО, 2012. 159 с.

3. Sharoshchenko V. S., Razumovskaya I. V., Sharonova N. V. Preparation trained in the field of nanotechnology: contents and prospects of development. Школа будущего. 2019, no 5, p.p.3–7.

4. Светухин В. В., Явтушенко И. О. Основы нанотехнологий. Учебное пособие. ФГОС. Просвещение. 2019. с. 112.

5. Гребкин М. Ф., Лобова Л. П. Нанотехнологии и школьное образование // Прикладная информатика. 2008, № 2 (14), с.17–20.

6. Nouailhat A. An Introduction to Nanoscience and Nanotechnology. London, ISTE Ltd, 2008. p.229.

7. https://biomolecula.ru/articles/fullereny-neozhidannye-biologicheskie-svoistva-uglerodnykh-nanochastits .

8. https://electricalschool.info/spravochnik/material/2695-elektricheskie-svoystva-uglerodnyh-nanotrubok.html .