Введение в нанотехнологии(статья, методическая разработка занятия)
методическая разработка по химии (11 класс) по теме

Расширение образовательного пространства

 на уроках химии на основе  знания  современных научных технологий

(Методическая разработка занятия по теме «Введение в нанотехнологии»)

Автор: В.В.Платунова,

учитель химии высшей категории

ГОУ лицея №395

Основное общее образование – вторая ступень общего образования. Одной из важнейших задач этого этапа является подготовка обучающихся к осознанному и ответственному выбору жизненного и профессионального пути. В настоящее время человечество живёт в условиях созданной техносферы. Потребности человека в необходимых веществах и материалах, обеспечивающих комфортность его жизни, удовлетворяет постоянно развивающаяся технология. 

Поэтому внедрение в образовательный процесс мотивационного фактора профессиональной ориентации следует рассматривать как основу формирования кадрового резерва для высокотехнологичных отраслей экономики, в том числе использующих нанотехнологии.

Современный мир характеризуется стремительным развитием научно-технического прогресса. Помимо совершенствующейся традиционной химической технологии, бурно развиваются такие направления науки и отрасли промышленности, которые еще совсем недавно воспринимались как экзотические. Среди них и нанотехнологии, история которых, хотя, уходит корнями в века. Они приобретают все большую роль в различных сферах жизни каждого человека в отдельности и общества в целом: в быту (вряд ли найдется человек, который не слышал о ГМО – генно-модифицированных организмах), в экономике, промышленности и сельском хозяйстве (подсчитано, что к 2015 г. товары и услуги, произведенные на основе нанотехнологий, будут стоить не один триллион долларов), в международных отношениях (началась мировая гонка за лидерство в области нанотехнологий, в ней сегодня преуспевают США, Япония и Китай). Россия только недавно включилась в эту гонку – принята приоритетная национальная программа по развитию нанотехнологий, на которую правительство выделяет значительные средства. Понятно, что эта область науки и производства потребует подготовки специалистов высокого класса. Очевидно, что их подготовка будет вестись на специально созданных отделениях и факультетах ведущих российских университетов. Также, очевидно, что первое знакомство  с нанотехнологиями школьникам  должна дать химия.

Предметные модули, рассматривающие нанотехнологии с позиции школьных курсов естественных наук, имеют единую дидактическую основу и выполняют три функции:

1. надстройки профильного учебного предмета (физики, химии, биологии), превращающей его в полной мере в углубленный;
2. развития содержания учебного предмета;
3. удовлетворения познавательных интересов учащихся в различных областях науки и человеческой деятельности.

Данное занятие имеет значение для расширения образовательного пространства за счёт введения в содержание курса химии современных представлений о новых материалах и технологиях.

В соответствии с госпрограммой «Образование и развитие инновационной экономики: внедрение современной модели образования в 2009-2012 годах», школа должна выполнять особую роль в подготовке кадровых ресурсов для решения новых задач социально-экономического развития страны до 2020 года в формировании молодых граждан российского общества.  

Всё это соответствует требованиям к подготовке учащегося в Национальной инициативе «Наша Новая школа».

Оптимальной формой проведения занятия выбран урок с применением технологии развития критического мышления.

Выбор данной технологии обоснован тем, что урок насыщен большим количеством компонентов содержания, которые необходимо за короткое время не только услышать, но и понять. Предоставленная ученику информация должна заинтересовать его, пробудить исследовательскую, творческую активность, а затем предоставить ему условия для осмысления материала и, наконец, помочь обобщить приобретённые знания. В условиях данной технологии это вполне возможно, так как в этом и заключается её особенность.

Как в образовательном стандарте, так в и действующих программах по химии нет ни одного раздела, посвященного ознакомлению с нанотехнологиями. Термин «нанотехнологии» не употребляется и в созданных на данный момент учебниках по химии для общеобразовательных школ, следовательно, не раскрывается и его сущность.  Данный продукт позволяет продемонстрировать одну из методологических идей, направленных на  формирование понятий «нанотехнология» и «нанохимия», а также показать междисциплинарный характер нанохимии, ее перспективы для реализации потребностей человечества. Представленный продукт призван восполнить образовавшуюся брешь между реальными потребностями времени, продиктованными самой жизнью и содержанием учебной дисциплины «Химия», то есть позволит учащимся приобрести знания об истории возникновения нанотехнологий, о методиках, используемых при создании нанообъектов, об уникальных свойствах наноматериалов, об их применении и перспективах развития этой отрасли науки.

Форма проведения занятия является модификацией технологии развития  критического мышления.

«Критическое мышление» (альтернатива – «догматическое») можно понимать как творческое, аналитическое и конструктивное мышление.

 Данный тип мышления:

1. помогает человеку определить собственные приоритеты в личной и профессиональной жизни:
2. предполагает принятие индивидуальной ответственности за сделанный выбор;
3. повышает уровень индивидуальной культуры работы с информацией.

        Метод обучения, используемый при реализации продукта, направлен  на более широкое взаимодействие учеников не только с учителем, но и друг с другом и на доминирование активности учащихся в процессе обучения. Место учителя в данном случае сводится к направлению деятельности учащихся на достижение целей урока.

Демократический стиль работы на уроке и новизна в содержании урока более соответствуют требованиям современного ученика.

Формирование критического мышления в период расширения информационного пространства приобретает особую актуальность.

Учитывая, что в данное время меняются цели и задачи, стоящие перед современным образованием, использование материала темы продукта является не только актуальным, но и приоритетным.

Цели урока:

Обучающие:

1. раскрыть взаимосвязь строения, свойств и применения на примере веществ XXI века - наноматериалов;
2. познакомить учащихся с новой отраслью знаний – нанотехнологиями.

Воспитательная:

1. способствовать активизации учащихся и повышению мотивации;
2. воспитывать личностные качества, обеспечивающие успешность творческой личности.

Развивающая:

1. формировать представление учащихся о проблеме взаимодействия «Человек –  Природа» на примере изучения наноматериалов и наноструктур.
2. способствовать структурированию и развитию мыслительной деятельности учащихся;

Оснащение урока:

1. подборка информационных текстов (приложение №1);
2. компьютер и мультимедийный проектор;
3. презентация, выполненная в программе Microsoft PowerPoint.

 Структура урока.

На стадии вызова (1-я фаза занятия) ставится проблема. Основная задача на этой стадии – пробудить познавательную активность учащихся через  самостоятельное определение учащимися направлений в изучении темы.

Каждая группа получает текст с одинаковым содержанием, после ознакомления, с которым и обсуждения в группе учащиеся высказывают своё предположение о названии темы занятия. На данном этапе важным является правило: «Любое мнение учащегося ценно».

В тексте нет ни одного упоминания о нанотехнологиях и, на первый взгляд, информация очень далека от темы урока.   «…Для начала, давайте подумаем, из чего состоит, ну, например, тесто? Как правило, тесто состоит из таких компонентов, как мука, вода, яйца, соль (а в сдобное тесто еще добавляют маргарин, сметану, дрожжи, сахар и т.д.). Но когда мы видим уже готовое тесто, легко ли нам определить, какие именно компоненты в нем «намешаны». Но чтобы получить тесто с определенными свойствами – жидкое или твердое, постное или сдобное – мы, как правило, добавляем в него не все подряд, а только нужные компоненты и только в тех количествах, которые указаны в рецепте.

Теперь давайте рассмотрим один из компонентов теста, например, яйцо. Яйцо, всем известно, также состоит из различных частей: в нем можно выделить скорлупу, желток и белок. Если теперь взять отдельный белок, то можно ли разбить его на еще меньшие части?...»

Если учащимся трудно определить тему занятия, можно попросить их высказать предположения или прогноз о возможном предмете и объекте изучения.

После чего учитель проецирует на экран название темы и цели урока.

2-я фаза занятия - стадия осмысления, предполагает сохранить интерес к теме урока при непосредственной работе с новой информацией, постепенное продвижение от знания «старого» к «новому».

На первой фазе работы с информацией учащийся создает для себя смысл: «Что это значит для меня?», «Зачем мне это нужно?». На второй фазе необходимо реализовать этот смысл в определенной учебно-познавательной деятельности. На этой фазе решаются две основные задачи:

1. организация активной работы с информацией;
2. если учащийся на первой фазе смог сформулировать свою личную цель в изучении материала, то на второй фазе он подчиняет работу этой цели.

Каждая группа получает по пять разных текстов под номерами (с №1 по №5), которые учащиеся распределяют между собой. Ученик читает полученный текст, используя активные методы чтения, то есть делает пометки на полях или ведёт записи по мере осмысления новой информации, затем знакомит с ней учащихся своей группы.

Содержание текстов с одинаковым номером в каждой из пяти групп разное, но соответствует одной теме. Так, в текстах под №1 даны самые разные определения понятий «наночастица», «наноструктура», «нанотехнология». В текстах под №2 представлена всесторонняя информация из истории нанотехнологий. Особая роль углерода в нанотехнологиях отмечается в текстах №3. Тексты №4 содержат материал, раскрывающий практическую значимость наноматериалов и роль инженера-технолога в их создании. Каждый пятый ученик в малой группе знакомится с «лентой новостей» из мира нанотехнологий.

Через пятнадцать минут, после того как учащиеся ознакомились и обменялись информацией в своей группе, учитель формирует группы нового состава, объединяя учащихся по номерам текстов.

3-я фаза занятия – стадия рефлексии.

Рефлексия в данном случае понимается как «встраивание» нового опыта, новых знаний в систему личностных смыслов. На этой стадии  группа получает творческое задание, которое выполняет на основе изученной информации.

На итоговый этап занятия каждая группа должна делегировать одного ученика для выступления.

Итак, за один урок учащиеся узнали, что 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. Нанотехнология включает:

- атомную сборку молекул;

- локальную стимуляцию химических реакций на молекулярном уровне и др.

21 век называют веком нанотехнологий. Однако еще много веков назад человечество активно использовало нанотехнологии, часто не отдавая себе отчет в том, открытия какой важности были тогда сделаны. Малоизвестным, хотя научно доказанным фактом является то, что электрическую батарейку впервые придумали не Луиджи Гальвани и не Алессандро Вольта, а за 22 века до них древние жители парфянского царства. Их изобретение представляло собой залитый смолой глиняный сосуд, внутри которого находились погруженные в винный уксус медный цилиндр и железный стержень. С помощью такого нехитрого устройства, позволявшего получать напряжение 0.5В, парфяне осаждали золотые покрытия нанометровой толщины.

Египтяне, греки и римляне использовали наночастицы для создания красителей ещё несколько тысяч лет назад. В исследованиях, проведённых в Центре исследований и реставрации французских музеев, установлено, что древние косметологи использовали соединения на основе свинца, из которых делали частички диаметром всего в 5 нанометров!

Фуллерены, углеродные нанотрубки, графен  — молекулярные соединения, принадлежащие к классу аллотропных форм углерода, это и есть наноматериалы, с которыми связывают перспективные направления в нанотехнологиях.

Нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не могут выйти наружу: концы нанотрубок надежно "запаяны.  В таком виде активные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место назначения, нанотрубки раскрываются с одного конца (а операции "запаивания" и "распаивания" концов нанотрубок уже вполне под силу современной технологии) и выпускают свое содержимое в строго определенных дозах. Это - не фантастика, эксперименты такого рода уже сейчас проводятся во многих лабораториях мира. И не исключено, что через 10-20 лет на базе этой технологии будет проводиться лечение заболеваний: скажем, больному вводят в кровь заранее приготовленные нанотрубки с очень активными ферментами, эти нанотрубки собираются в определенном месте организма некими микроскопическими механизмами и "вскрываются" в определенный момент времени. Современная технология уже практически готова к реализации такой схемы.

Самыми удивительными свойствами нанотрубок являются ее прочность и легкость. Нанотрубка в 6 раз легче, и в 50—100 раз прочнее стали (несмотря на свою «невидимость»).

Нанокабель от Земли до Луны из одиночной трубки можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко, а небольшая нить диаметром 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 т, что в несколько сотен миллиардов раз больше ее собственной массы!

Европейские исследователи разработали уникальную технологию,  которая открыла перспективу к созданию более быстрых и компактных микрочипов. Основным принципом является создание элементов электронных схем из нанопроволоки, обладающей уникальными электромеханическими свойствами. Таким образом, ученые рассчитывают еще более миниатюризировать электронику, а также создавать микросхемы с трехмерной архитектурой.

Многие наши болезни объясняются нарушением работы отдельных белков. Один из примеров использования нанотехнологий в медицине - белковая терапия, когда белок, поступающий в клетку, заменяет собой дефектный элемент - такое возможно при использовании нового вида биотранспорта - нанокапсул.

Использование нанотехнологий в строительстве является очень перспективным направлением. Особо в нем преуспели китайские ученые – именно их разработки повышают эффективность  применения многих уже привычных материалов. Одно из таких изобретений: нанопористое покрытие для стен, которое позволяет сохранять тепло в помещении зимой и прохладу летом. Это полупрозрачная пленка обладает высокими изоляционными свойствами и обеспечивает так называемый «эффект термоса». Подобным материалом покрыты стены Шанхайского музея науки и технологии площадью почти 3000 кв. м. Такие нанопокрытия позволяют обеспечить не только дополнительную экономию энергии, но и защиту окружающей среды.

Заключительное слово учителя.

Нанотехнологии – это интересно? Это привлекательно? Сделайте свой выбор!

Занятие «Введение в нанотехнологии» может быть проведено с одной стороны как профориентационный  урок для учащихся 11-х классов, а также как внеклассное мероприятие с участием школьников разных возрастов в рамках декады химии или при подготовке учащихся к исследовательской и проектной деятельности.