XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Сложность изучения нанотехнологий заключается в отсутствии школьного образовательного стандарта по данному направлению. Анализ школьных учебников по химии показывает практически полное отсутствие в них информации о современных достижениях науки. Просветительская функция полностью ложится на плечи учителя.

На уроках по изучению нанотехнологий можно применять различные методы и формы работы: мозговой штурм, работа в группах, решение задач, поиск информации в Интернете, различные творческие задания (рисунки, эссе, исследовательские работы, создание мультимедийных презентаций). На развитие индивидуальных склонностей и возможностей учащихся можно использовать организацию коллективной деятельности и взаимопомощи между учащимися одной групп [12].

Также можно интегрировать сведения из нанотехнологий в урок химии в виде дополнительного материала и выделяем следующие содержательные линии: историческую (применение наночастиц до появления понятия «нанотехнологии»; открытие наночастиц; становление нанотехнологии как науки); теоретическую (строение наночастиц; способы изучения строения вещества на наноуровне; специфические свойства нанообъектов; способы получения наночастиц; наночастицы в природе; токсичность наночастиц); прикладную (применение наночастиц в различных областях человеческой деятельности: медицине и здравоохранении, охране окружающей среды, технике, военном деле, энергетике, производстве материалов) [6].

Например, при изучении областей применения солей в 8 классе можно познакомиться с использованием наночастиц галенита в Древнем Египте. Древние косметологи для окрашивания волос в черный цвет измельчали сульфид свинца до размеров 5 нанометров с целью их равномерного проникновения в ткань волоса по всей его толщине. В тему «Металлы и сплавы» можно интегрировать материал об использовании наночастиц золота для получения «рубиновых» звезд на башне Кремля [11].

В рамках теоретической части возможно решить несколько задач:

1) продемонстрировать принцип связи строения веществ с их свойствами;

2) сформировать представление учащихся о современных способах изучения строения вещества, в том числе на наноуровне, через знакомство с электронной и зондовой микроскопией;

3) расширить химическую картину мира учащихся через изучение распространенности наночастиц в природе и способах их получения;

4) формировать ценностное отношение к здоровью посредством информации о токсических свойствах наночастиц.

Например, в содержание уроков, посвященных вопросам катализа, можно включить материал о наноструктурированных катализаторах, являющихся одной из наиболее важных областей применения нанотехнологий. Следует обсудить с учащимися, что для эффективности катализатора огромное значение имеют размеры частиц и расстояние между ними. Упорядочение нанокристаллической платины высотой 15-20 нм на расстоянии 100 нм увеличивает каталитическую способность в 20 раз по сравнению с таким же количеством сплошной платины [10]. Такие открытия позволяют ученым создавать сверхэффективные катализаторы, что имеет большое значение для химической промышленности.

Далее возможно демонстрировать применение достижений нанотехнологий в современном мире. Например, при изучении химии d-металлов можно рассмотреть применение магнитных наночастиц соединений железа в таких средствах диагностики заболеваний, как магнитный резонанс и компьютерная томография. Использование наночастиц позволяет увеличить порог чувствительности этих методов, довести их до клеточного и субклеточного уровня и обнаружить заболевание на самой ранней стадии развития [8].

Немаловажное значение имеет включение в содержание изучаемого материала вопросов экологического характера, связанных как с токсичностью наночастиц и их загрязнением окружающей среды, так и с применением наночастиц для решения экологических проблем. Можно рассмотреть с учащимися природные (лесные пожары, извержения вулканов, песчаные бури и т.д.) и антропогенные источники поступления наночастиц в окружающую среду. Вред искусственных наночастиц может быть связан с необычными свойствами веществ, из которых их производят, их устойчивостью или мобильностью в почве, воздухе, накоплением в живых организмах, непредсказуемостью взаимодействия с другими объектами [1]. Обязательно следует отметить учащимся и современные исследования в области применения наноматериалов, например, мембран из ферроксана или алюмоксана для очистки воды и воздуха от загрязнений [10].

Ярким примером нанотехнологического содержания, иллюстрирующим связь «строение – свойства – применение», является информация о наночастицах алюминия.

Рассмотрим, как можно интегрировать химические и нанотехнологические знания на уроках химии.

Анализ содержания школьного курса химии показывает, что понятия нанотехнологий можно включать во все изучаемые разделы (общая, неорганическая, органическая химия).

Так при изучении темы «Строение атома» можно ввести понятия: нано-, наночастица, кластеры, квантовые точки, размеры, масса, свойства; магические числа, процесс самоорганизации; области применения кластеров.

В теме «Химическая связь» при изучении ковалентной связи рассказать о фуллеренах, углеродных нанотрубках, графене.

Раскрыть сущность высокой химической активности наночастиц, углероде – универсальном катализаторе (угольный фильтр для очистки от выхлопных газов), зависимости эффективности катализатора от наностроения его поверхностного слоя можно при изучении темы «Химические реакции. Скорость реакции, её зависимость от различных факторов, катализ».

В теме «Растворы» познакомить учащихся коллоидными растворами наночастиц золота и серебра, способами получения, свойствами, областью их применения.

При изучении металлов рассказать о способности наночастиц оксида цинка поглощать электромагнитное излучение и высокая активности наночастиц алюминия; мембранах из ферроксана (керамики на основе оксидов железа) и алюмоксана (керамики на основе оксида алюминия) для очистки воды; ферромагнитных жидкостях; защитных наноструктурированных покрытиях.

Аллотропные модификации углерода (фуллерен, углеродные нанотрубки, графен и другие); нанокомпозиты на основе керамики; нанокерамика, особые свойства наностекла – данные понятия раскрыть при изучении темы «Неметаллы».

При изучении курса «Органическая химия» также возможно обратить внимание на вопросы нанотехнологий, например, рассказать о моторах на основе ДНК, биосовместимых материалах, нанокомпозитах на основе пластмасс.

Токсичность наночастиц и альтернативные источники энергии, безотходное производство, новые способы утилизации отходов раскрыть в теме «Химия окружающей среды».

Сложность включения нанотехнологических знаний в курс химии заключается в невозможности увидеть нанообъекты с помощью обычного школьного оборудования. Для наглядности можно использовать многочисленные ролики, представленные в Интернете, изображения объектов, полученные средствами электронного и зондового микроскопов. Особое внимание следует уделять, на наш взгляд, вопросам применения достижений нанотехнологий в различных областях: медицина, энергетика, военное дело, охрана окружающей среды и др.

Рассмотренное нанотехнологическое содержание удовлетворяет принципу научности: соответствует уровню современной науки и включает вопросы, необходимые для создания у учащихся представлений о методах познания. Материал по нанотехнологиям, интегрируемый в школьный курс химии, позволяет установить междисциплинарные связи химии с другими науками: физикой, биологией, географией. Все это, несомненно, повышает интерес учащихся к изучению химии и позволяет создать единую научную картину мира [6].

В школе нанотехнологии кроме урочной системы могут изучаться отдельно, в виде спецкурса, факультатива, элективного курса, или на уроках физики, химии, биологии. Можно включать нанотехнологическое содержание в исследовательскую деятельность учащихся, однако это не имеет массового характера и возникает сложность с постановкой эксперимента.

Таким образом, включение нанотехнологического содержания в школьный курс химии позволяет сформировать у учащихся представления о современных достижениях науки, показывает возможные перспективы ее дальнейшего развития, в том числе, возможно, и с активным участием будущих выпускников. Разные формы реализации нанотехнологического содержания на уроке химии способствуют развитию всех видов универсальных учебных действий: познавательных (умений сформулировать проблему, выбрать способы и найти информацию для ее решения, умений работать с информацией, структурировать полученные знания, умений анализировать и синтезировать новые знания, устанавливать причинно-следственные связи, доказать свои суждения), коммуникативных (умений работать в группе, отстаивать свою точку зрения), регулятивных (целеполагания, планирования, корректировки плана), что соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту второго поколения.

Список литературы

Анциферова И.В. Источники поступления наночастиц и их влияние на окружающую среду и человека //Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2012. – №7. – С. 5-10

Бондаренко, А. К. Практика внедрения основ нанотехнологий в школьный курс химии с использованием метода проектов / А. К. Бондаренко. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 24 (262). — С. 410-412. — URL: https://moluch.ru/archive/262/60591/ (дата обращения: 15.02.2023).

Гребенкин М.Ф., Лобов Л.П. Нанотехнологии и школьное образование проектов / М. Ф. Гребенкин. — Текст: непосредственный // IT и образование. — 2008. — № 2 (14). — С. 17-23.

Байтимирова А.Т. Характеристика процесса развития профессионального интереса учащихся гимназии // Со-временная высшая школа: инновационный аспект. – 2013. – №1. С. 76-80.

Еремин, В. В. Нанохимия и нанотехнологии, элективный курс для обучающихся 10–11 классов / В. В. Еремин, А. А. Дроздов. — М.: Дрофа, 2009г. — 329 с.

Павлова Е.С., Якушева Г.И.. Место нанотехнологий в школьном курсе химии / Е.С. Павлова, Г.И. Якушева. - Текст: непосредственный // Современная высшая школа: инновационнй аспект. — 2016. — № 3 (Т8). — С. 102-110. - DOI 10.7442/2071-9620-2016-8-3-102-110

Проблемы современной нанотехнологии: учебно-метод. пособие / сост. Н.В. Губина, И.Б. Морзунова, Е.Н. Тихонова. – М.: Дрофа, 2010. – 270 с.

Разумовская И.В. Социальная значимость изучения основ нанотехнологии в общеобразовательной школе // Молодой ученый. – 2015. – 14.1. С. 22-27.

Штанский Д. В., Левашов Е. А. Многокомпонентные наноструктурные тонкие пленки: проблемы и решения. Изв. ВУЗов. Цветная металлургия № 3, 52 (2001).

Уильямс Л., Адамс У. Нанотехнологии без тайн. – М.: Эксмо, 2010. – 368 с.

Чувелева Е.В., Козлова А.В. Нанотехнологии в учебном процессе. – М.: Центр Педагогический поиск, 2011. – 128 с.

https://infourok.ru/proekt-nanotehnologii-v-shkole-2742941.html

https://nsportal.ru/vu/fiziko-matematicheskii-fakultet/nanotekhnologii-i-nanomaterialy/lektsiya-6-nanotekhnologii-v-nash

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ferrofluid_Magnet_under_glass_edit.jpg?uselang=ru

Код для цитирования: Скопировать