Образовательный потенциал содержания нанофизики при подготовке педагогических кадров

Аннотация
Раскрывается содержание мотивационных, научных, методологических и развивающих ресурсов освоения содержания нанофизики при подготовке педагогических кадров.  

Ключевые слова
Образовательный потенциал, ресурсы, нанофизика, нанотехнологии 

Изучение нанофизики является требованием настоящего времени, для которого характерно изменение технологического уклада общества, где ведущую роль играет интенсивное развитие нанотехнологий [1]. Необходимость приобщения человека к нанотехнологиям уже на уровне общего образования предполагает наличие педагогических кадров, владеющих соответствующими знаниями [2]. Ясно, что для практической реализации подготовки педагогических кадров в указанном направлении, наряду с требованиями времени, необходимо понимание образовательного потенциала освоения его содержания, на что и направлена данная работа.  

Говоря об образовательном потенциале, мы исходим из его определения, данного в [3,стр.5], как совокупности мотивационных (дополнение наше), научных, информационных, методологических и развивающих ресурсов, в том числе скрытых и/или недостаточно используемых в современной теории и практике обучения физике, необходимых для получения значимых результатов образования в контексте предъявляемых к нему современных требований.  

Начнем с весьма значимых, едва ли не основных для современного физического образования, мотивационных ресурсов предметного содержания нанофизики. Последнее, как и содержание проблематики современных наукоемких технологий в целом [4], отвечает всем известным стимулам развития у обучающихся познавательного интереса. Во-первых, актуальности содержания учебного материала – в силу ведущей ролью нанотехнологий в широком и разнообразном спектре областей человеческой деятельности – от производства новых материалов и приборов. обладающих уникальными функциональными свойствами, до доставки наноразмерных лекарств в человеческий организм.  

Во-вторых, новизне предметного материала. В этом аспекте обращают на себя внимание квантовые размерные эффекты в наноструктурах, наблюдаемые в них, еще не дошедшие до учебных программ, фундаментальные физические эффекты, новые принципы создания материалов и приборных структур с необходимыми функциональными свойствами [5-8].  

В-третьих, открывающимся возможностям изучения известного предметного материала под новым углом зрения. Так, известные из курса квантовой физики модельные представления приобретают для обучающихся свое реальное инженерное значение в связи со значимым для науки и практики их использованием.  

В-четвертых, возможностям реализации исторического подхода в развертывании предметного содержания нанофизики в учебном процессе. В силу того, что истоки нанофизики лежат, главным образом, в фундаментальных знаниях, накопленных наукой XX-го века, в учебном процессе может быть прослежена эволюция ведущих физических идей и представлений от их зарождения до эффективного, получившего высокое признание, применения. 

Наконец, жизненной значимости изучаемого материала. Она выразительно проявляется, в частности, в роли и месте нанофизики и нанотехнологий в достижениях информационной техники, таких как создание запоминающих устройств с мультитерабитовым объемом памяти, повышении быстродействия компьютеров, медицины – разработке новых препаратов для лечения онкологических заболеваний, экологии – создании новых материалов и устройств для защиты окружающей среды. Важное значение имеет и отражение уровня признания (вплоть до присуждения Нобелевских премий) первооткрывателей в рассматриваемом проблемном поле.  

В части научных ресурсов освоения содержания основ и достижений нанофизики следует отметить, по крайней мере, три обстоятельства.

Во-первых, обновление содержания учебного материала по физике современным, отвечающим перспективным направлениям научно-технического развития, что способствует сокращению существующего неоправданно большого разрыва между содержанием физики как современной науки и физики как учебной дисциплины [9]. Не менее существенна здесь и полнота, интегрированность физических знаний, присущая изучаемому предметному содержанию. Так, для освоения физики и техники наноразмерных полупроводниковых устройств оптической и квантовой электроники [10] необходимы знания механики, молекулярной физики и термодинамики (для понимания требований, предъявляемых к материалам и методам их синтеза), электродинамики (для понимания методов управления электронными и световыми потоками в гетероструктурах), статистической физики (для оценки перспективности полупроводниковых гетероструктур на предмет достижения инверсной заселённости энергетических уровней), квантовой физики как основы инженерии электронных спектров - конструирования гетероструктур с необходимыми функциональными свойствами. 

Во-вторых, фундаментализация учебного материала, обогащение его новыми для обучающихся фундаментальными физическими эффектами, обязанными своим открытием использованию достижений нанотехнологий. К числу важнейших, необходимых сегодня для освоения, но еще не отраженных должным образом в учебном материале, здесь относятся квантовые эффекты Холла (целочисленный и дробный), открытые на структурах пониженной размерности [5,7]. 

В-третьих, приобщение обучающихся к современным методам экспериментальных исследований, используемых в нанофизике в научных и практических целях. В последнем случае, главным образом, в диагностике наноразмерных материалов и структур. Речь здесь идет, прежде всего, о широком спектре методов структурных исследований – микроскопических (включая зондовую микроскопию), дифракционных и спектроскопических, освоение физических основ, аналитических возможностей и областей применения которых способствует как необходимому в современных условиях расширению знаний обучающихся, так и, что особенно важно, формированию ценностного отношения к ним. 

Перейдем к вопросу о методологических ресурсах предметного содержания нанофизики. Последнее дает обширный и выразительный материал для осмысления одной из основных особенностей методологии современной поисково-познавательной деятельности – интеграции фундаментальной и прикладной ее составляющих [11]. Указанная интеграция здесь характерна как для знаний, где фундаментальные знания становятся органичной частью технических (технологических) инноваций [12], так и для типов деятельности, когда фундаментальные исследования и прикладные разработки осуществляются с помощью одних и тех же методов и средств. 

Отражение этой особенности современной научно-технической деятельности в учебном процессе позволяет придать ему проектно-исследовательский характер, отвечающий реализации компетентностного и личностного подходов в образовании. Методически значимым достоинством проектно-исследовательского обучения в рассматриваемом проблемном поле в методологическом аспекте является достигаемая целостность исследовательской деятельности обучающихся [13]. 

Важно отметить и возможность повышения уровня сформированности у обучающихся физического понимания до высшего [14] – прогнозирования физических явлений на основе фундаментальных знаний. С развитием нанотехнологий научно обоснованный прогноз обнаруживает принципиально новые возможности. Показательными в этом отношении являются достижения полупроводниковой электроники [5,10]. Ее становление связано с реализацией прогнозированных теорией возможностей управления типом электропроводности полупроводника посредством легирования и использования неравновесных электронных явлений в неоднородных полупроводниках, а последующее развитие в части физики и  техники гетероструктур – возможностей управления их свойствами посредством изменения  фундаментальных параметров  полупроводниковых материалов и, наконец, создания полупроводниковых систем пониженной размерности. Пример последних – сверхрешетки с управляемым посредством изменения ширины квантовых ям и потенциальных барьеров электронным спектром, что позволяет создавать материалы с заданными функциональными свойствами. Особого внимания в настоящее время заслуживают прогнозированные и реализуемые в связи с получением графена (двумерной формы углерода) возможности создания полевых транзисторов с баллистическим (без рассеяния) транспортом носителей заряда и элементов спинтроники [15]. 

Остановимся на развивающих ресурсах предметного содержания нанофизики при подготовке будущих учителей. Здесь наиболее значимым представляется формирование умений самообразования, принципиально необходимого для учителя физики в условиях динамичного нарастания объема необходимой для освоения информации. Будучи востребованным в учебном процессе, самообразование студентов в рассматриваемом проблемном поле дает им опыт критической оценки своих реальных познавательных возможностей и определения существующих дефицитов и соответствующего, необходимого для освоения, образовательного содержания, проблемно-детерминированного поиска, сбора и анализа требуемой информации, конструирования на её основе новых знаний. 

В рамках проектно-исследовательского обучения физике, отвечающего по своему характеру методологии современной научно-технической деятельности, обучающиеся могут овладевать такими универсальными исследовательскими умениями, как смысловое видение проблемы, обоснованное целеполагание, соотнесение фундаментальных знаний с запросами практики, построения нового (во всяком случае, для обучающегося) знания в актуальной проблемной среде, планирование и реализация программы деятельности, критически-рефлексивного анализа её результатов. 

Наконец, отметим и вырабатываемые в процессе освоения рассматриваемого предметного материала принципиально важные для учителя качества его мышления и деятельности: целенаправленность, конструктивность, системность и систематичность, критичность. 

Литература

1. Казанцев А.К. NBIC –технологии: Инновационная цивилизация ХХI века [Текст] / А.К.Казанцев, В. Н.Киселев, Д. А. Рубвальтер, О. В. Рудевский. - М.:ИНФРА, 2012. -384 с.

2. Остроумова Ю.С. Подготовка студентов – будущих учителей – в области современных наукоемких технологий в контексте инновационного развития педагогического образования [Текст] / Ю.С. Остроумова // Вестник Северо-западного отделения Российской академии образования [Текст]. - 2013, - 1 (13). - С. 6-10.

3. Ларченкова Л.А. Образовательный потенциал учебных физических задач в современной школе: автореф. дисс. на соискание ученой степени доктора пед. наук [Текст] / Л.А. Ларченкова. - СПб, 2014. – 40с.

4. Остроумова Ю.С. Обновление естественнонаучной подготовки проблематикой современных наукоемких технологий как актуальная задача педагогического образования: мотивационный аспект [Текст] / Ю.С. Остроумова // Известия Российского государственного педагогического университета [Текст]. – 2012. - №148. - С.118-125.

5. Алферов Ж.И. Двойные гетероструктуры: концепции и применения в физике, электронике и технологии (Нобелевские лекции по физике) [Текст] / Ж.И. Алферов. // Успехи физических наук [Текст]. - 2002. - Т.172, №9. – С.1068-1086.

6. Шик А.Я. Физика низкоразмерных систем [Текст] / А.Я. Шик, Л.Г. Бакуева, С.Ф. Мусихин, С.А. Рыков. - Спб.: Наука, 2001. - 160с.

7. Ципенюк Ю.М. Квантовая микро-и макрофизика [Текст] / Ю.М. Ципенюк. - М.: Физматкнига, 2006. – 640 с.

8. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы [Текст] / под ред. В.В. Лучинина, Ю.М. Таирова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.- 552 с.

9. Остроумова Ю.С. Обучение физическим основам современных наукоемких технологий при подготовке педагогических кадров: вопросы теории и практики [Текст] / Ю.С. Остроумова. –СПб: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2013. -123с.

10. Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника [Текст] / А.Н. Пихтин. – М.: Высш. шк., 2001. – 573 с.

11. Остроумова Ю.С. Интеграция содержания образования на предметной основе проблематики современных наукоемких технологий при подготовке педагогических кадров по физике [Текст] / Ю.С. Остроумова // Физическое образование в вузах [Текст]. - 2014. - Т. 20, №2. - С. 154-164.

12. Мамчур Е.А. Фундаментальная наука и современные технологии [Текст] / Е.А. Мамчур. // Вопросы философии [Текст], 2008, №7. – С. 159 – 154.

13. Ханин С.Д. Исследовательское обучение физическим основам электроники в подготовке педагогических кадров [Текст] / С.Д. Ханин, И.И. Хинич.- СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2009. - 127с.

14. Кондратьев А.С. Физическое понимание и его уровни [Текст] / А.С. Кондратьев // Вестник Северо-западного отделения РАО. – 1998. – Вып.2. – С.137-144.

15. Новоселов К.С. Графен: материалы Флатландии [Текст]: Нобелевские лекции по физике / К.С. Новоселов // Успехи физических наук [Текст]. - 2011. - Т.181, №12. - С.1299-1311.