Файл: Программа элективного курса по физике Введение в нанотехнологии.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.01.2024
Просмотров: 168
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
«Программа элективного курса по физике: Введение в нанотехнологии».Выполнила: Сафонова Оксана Владимировнаучитель физики ГБОУ СОШ№ 39 г.о. СызраньПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКАДанный 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 УЧАЩИХСЯВ 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 информацию2.2. 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
4. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫВводное 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 НАНОТЕХНОЛОГИЮТема 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 получениеПонятие 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 НАНОМАТЕРИАЛЫТема 2.1 ФуллереныОткрытие 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 КластерыКластеры – 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 НАНОЭЛЕКТРОНИКАТема 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.
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 УЧАЩИХСЯВ 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 информацию2.2. 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/п | Наименование раздела и тем | Кол-во часов | Примечание | |
| | Раздел 1. Введение в нанотехнологию | 4ч | | |
| 1 | Тема 1.1. Что такое нанотехнологии | 1 | | |
| 2 | Тема 1.2 Наночастицы и их получение | 1 | | |
| 3 | Тема 1.3 Какие ученые занимаются нанотехнологиями | 1 | | |
| 4 | Тема 1.4 Инструменты нанотехнологов | 1 | | |
| | Раздел 2. Нанохимия и наноматериалы | 5ч | | |
| 5 | Тема 2.1 Фуллерены | 1 | | |
| 6 | Тема 2.2 Нанотрубки | 1 | | |
| 7 | Тема 2.3 Кластеры | 1 | | |
| 8 | Тема 2.4 Необыкновенные свойства наночастиц | 1 | | |
| 9 | Тема 2.5 «Потеющий» металл и другие удивительные наноматериалы | 1 | | |
| | Раздел 3. Микроэлектромеханические системы (МЭМС), наносенсоры и наноэлектроника | 5ч | | |
| 10 | Тема 3.1 Наноэлектромеханические системы (НЭМС) | 1 | | |
| 11 | Тема 3.2 Наносенсоры | 1 | | |
| 12 | Тема 3.3 Электронный нос | 1 | | |
| 13 | Тема 3.4 Умная пыль | 1 | | |
| 14 | Тема 3.5 Наноэлектроника | 1 | | |
| | Раздел 4. Нанобиотехнологии | 3ч | | |
| 15 | Тема 4.1 Нанобиотехнологии | 1 | | |
| 16 | Тема 4.2 Нанотехнологии в природе. «Эффект лотоса» | 1 | | |
| 17 | Тема 4.3 Биокомпьютеры. Нанокапсулы | 1 | | |
| | Всего | 17ч | | |
4. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫВводное 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 НАНОТЕХНОЛОГИЮТема 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 получениеПонятие 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 НАНОМАТЕРИАЛЫТема 2.1 ФуллереныОткрытие 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 КластерыКластеры – 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 НАНОЭЛЕКТРОНИКАТема 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.