Место нанотехнологий в школьном курсе химии Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

УДК 372.8 ББК 74.262.4

DOI 10.7442/2071-9620-2016-8-3-102-110

Е.С. Павлова, Г. И. Якушева

(Оренбургский государственный педагогический университет, г. Оренбург, Россия)

МЕСТО НАНОТЕХНОЛОГИЙ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ХИМИИ

Подготовка специалистов со знаниями основ нанотехнологий является актуальной задачей современного образования. Первой ступенью такой подготовки можно назвать изучение нанотехнологий в общеобразовательной школе, в том числе и на уроках химии. Рассматриваются способы включения нанотехнологической информации в учебный процесс, основные линии интегрируемого содержания (историческая, теоретическая, прикладная). Представлен анализ школьного курса химии с определением возможности включения в него основ нанотехнологий и приведены конкретные примеры. Названы основные педагогические риски, связанные с интеграцией нанотехнологи-ческого содержания в урок химии.

Ключевые слова: нанотехнологии, нанотехнологическое образование, нанотехноло-гии в средней школе, урок химии, нанотехнологическое содержание, современные достижения науки, интеграция химии и нанотехнологий.

E.S. Pavlova, G.I. Yakusheva (Orenburg Stat Pedagogical University, Orenburg, Russia)

PLACE OF NANOTECHNOLOGY

IN THE SCHOOL COURSE OF CHEMISTRY

Training specialists with knowledge of the fundamentals of nanotechnology is an important task of modern education. The first stage of such training can be called the study of nanotechnology at the secondary school, including chemistry. This article discusses how to integrate nanotechnology information in the educational process, the main line of integrable content (historical, theoretical, applied). Presents an analysis of the school course of chemistry at the possibility of incorporating the fundamentals of nanotechnology and concrete examples. Called basic pedagogical risks associated with the integration of nanotechnology content in chemistry lesson.

Keywords: nanotechnology, nanotechnology education, nanotechnology in school, chemistry lesson, nanotechnology contents, modern scientific achievement, integration of chemistry and nanotechnology.

В настоящее время деятельность многих ученых связана с такой областью науки, как нанотехнологии, уже сейчас широко используемой в промышленности и производстве. Нанотех-нологическое образование представлено в нашей стране в основном в высшей школе. Подготовка специалистов со знаниями основ нанотехнологий является актуальной задачей современного образования, поскольку они представляют собой ключевое направление развития технологий XXI века. Их применение в различных областях науки, техники, экономики имеет огромный потенциал роста и, по мере своего расширения, будет требовать все большее число специалистов данной области.

С целью обеспечения непрерывности профессионального образования «школа-вуз», формирования профессионального интереса учащихся и сокращения разрыва между учебными программами подготовки специалистов по нанотехнологиче-ским направлениям и представлениями современных выпускников общеобразовательных учреждений о специфике областей знания, необходимых для получения соответствующего высшего образования, нанотехнологии вводятся в средней школе [2].

В педагогической литературе рассмотрены разные аспекты внедрения основ нанотехнологий в школьное образование: социальная значимость изучения нано-технологий в общеобразовательной школе (И.В. Разумовская) [8]; пропедевтика нано-технологий в школе с использованием метода проекта (О.П. Зайцева, Л.В. Моисеева) [4]; включение нанотехнологий в профильное обучение посредством элективных курсов, например «Введение в нанотех-нологии» (Н.В. Латухина, О.К. Спирина) [4], «Нанотехнология» (И.В. Разумовская), «Введение в нанохимию» (А.А. Дроздов), «Нанотехнология в химии» (Н.С. Зефиров, Н.В. Зык, Е.К. Белоглазкина) и другие [7]; интеграция сведений из области нанотех-нологий в школьный курс химии на основе проектной деятельности (С.А. Волкова, З.А. Федоткина) [3].

Нанотехнологии в общей школе могут изучаться на уроке (через дополнительный материал или специальный тематический урок), в виде элективного курса (например, интегрированного «Загадочный мир нанотехнологий -мир будущего» или предметного «На-нохимия и нанотехнология») или включаться в содержание проектной и исследовательской деятельности учащихся (рис. 1).

Рис. 1. Способы включения нанотехнологического содержания

в учебный процесс

X ф

о

0

1 _0

о

о ц

0

1

X ф

го

I

о ф

го m <D

Э

>

CR

ГО ш

о ç

ш го IZ

О LU

Сложность изучения нанотехнологий заключается в отсутствии школьного образовательного стандарта по данному направлению. В литературе основной формой внедрения основ нанотехнологий в средней школе предлагается элективный курс. Однако проведенный анализ учебных планов общеобразовательных учебных заведений города Оренбурга на 2015-2016 уч. год показал, что только в одном заведении (лицей №5) изучается интегрированный курс «Введение в нанотехнологии» в 9-м химико-биологическом и 10-м естественно-научном классах. В основном же часы из компонента образовательного учреждения выделяют на углубление предметного образования, чаще всего математического и филологического.

В связи с этим возникает необходимость разработки рекомендаций по интеграции нанотехнологических знаний в предметные области (физику, химию,

биологию), включающих в себя определение места данных знаний в школьных курсах, содержание, методический и контрольно-оценочный компоненты.

Мы предлагаем интегрировать сведения из нанотехнологий в урок химии в виде дополнительного материала и выделяем следующие содержательные линии: историческую (применение на-ночастиц 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) (рис. 2).

Рис. 2. Нанотехнологическое содержание на уроке химии

Первая содержательная линия показывает учащимся существование нанотехно-логий еще до выделения их в отдельную

науку. Например, при изучении областей применения солей в 8-м классе можно познакомиться с использованием наноча-

стиц 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 [10]. Хорошим примером «неожиданных» изобретений в химии, наряду с открытием структуры бензола Кекуле, является история профессора Ричарда Смолли о том, как удалось показать, что фуллерен - сферическая молекула. Эту информацию можно включить в содержание урока по теме «Неметаллы» в старшей школе или «Углерод» в 9-м классе.

Вторая содержательная линия - теоретическая - позволяет 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 зондо-вой 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 нанокри-сталлической платины высотой 15-20 нм на расстоянии 100 нм увеличивает каталитическую способность в 20 раз по сравнению с таким же количеством сплошной платины [9]. Такие открытия позволяют ученым создавать сверхэффективные катализаторы, что имеет большое значение для химической промышленности.

Третья содержательная линия - прикладная - демонстрирует 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 [6].

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 на-ночастиц 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 [9].

Ярким примером нанотехнологиче-ского содержания, иллюстрирующим связь «строение - свойства - применение», является информация о наночасти-цах алюминия. Целесообразно провести сравнение с примером из химии (рис. 3). Такие содержательные линии устанавливают тесную связь между двумя науками: химией и нанотехнологиями и способствуют формированию единой научной картины мира учащегося.

X ф

о

0

1 _0

о

о ц

0

1

X ф

го

I

о ф

Наличие прочной оксидной пленки Малая токсичность Изготовление кухонной посуды, пищевой пленки

Строение

Т

Свойства

Применение

L

Наноструктурированное состояние (нанопорошок) Взаимодействие с водой за несколько секунд полностью N Изготовление водородного элемента

*

Рис. 3. Нанотехнологическое и химическое содержание на примере алюминия, иллюстрирующее связь «строение - свойства -

применение»

Сложность включения нанотехноло-гических знаний в курс химии заключается в невозможности увидеть нанообъ-екты с помощью обычного школьного оборудования. Для наглядности можно использовать многочисленные ролики, представленные в интернете, изображения объектов, полученные средствами

Анализ содержания школьного курса химии показывает, что понятия нанотехнологий можно включать во все изучаемые разделы (общая, неорганическая, органическая химия). В качестве примера приведем интеграцию нанотехно-логических знаний в курс общей химии (таблица 1).

электронного и зондового микроскопов.

Таблица 1. Интеграция нанотехнологического и химического содержания школьного курса химии (на примере общей химии)

CD

3

£

о;

о q

CQ ГО 1=

О LU

Химическое содержание Нанотехнологическое содержание

Историческое Теоретическое Прикладное

Общая химия

Первоначальные химические понятия

Химия. Атом. Молекула. Химический элемент. Место химии в системе наук Наночастица. Связь химии и нанотехно-логии Значение нанотехно-логий в современном мире

Строение атома. Химическая связь

Строение атома Разработка электронного (1931 г.) и сканирующего зондового микроскопов (1986 г.) Изображения атомов, полученные методом сканирующей зон-довой микроскопии. Кластеры. Квантовые точки. Магические числа. Процесс самоорганизации Области применения кластеров. Применение квантовых точек в диагностике заболеваний

Химическая связь История открытия фуллерена, графена Вид гибридизации атома углерода и химическая связь в фуллерене, графене, углеродной нано-трубке, наноалмазе. Роль водородной Фуллерит (образованный ван-дер-ваальсовыми силами) как носитель информации, перспективное сырье для получения алмазов

Химическое содержание Нанотехнологическое содержание

Историческое Теоретическое Прикладное

связи в создании кластеров воды

Основные классы неорганических веществ

Оксиды Фигурки Мергар из каолинита(3000 лет до н.э.) Способность нано-частиц оксида цинка поглощать электромагнитное излучение Создание солнцезащитного крема на основе наночастиц оксидов цинка и титана. Наночастицы оксида магния для уничтожения бактерий, вирусов, токсинов

Гидроксиды Влияние наночастиц гидроксида железа (III) на токсичность пестицидов Наночастицы борной кислоты как присадка к моторным маслам для улучшения их смазывающих свойств. Наночастицы гидрок-сида кальция и бария как основа защитных покрытий для реставрации живописи

Соли Использование на-ночастиц галенита при окрашивании волос в Древнем Египте Наночастицы карбоната кальция - основа жемчужины. Образование наночастиц CsI при авариях на АЭС Квантовые точки из ZnS в разработке лазеров и дисплея нового поколения

Химические реакции

Скорость реакции Высокая химическая активность наноча-стиц, зависимость эффективности катализатора от нано-строения его поверхностного слоя Углерод - универсальный катализатор (угольный фильтр для очистки от выхлопных газов). Применение нанока-тализаторов. Реакции, катализируемые на-нокластерами, - триме-ризация ацетилена при комнатной температуре, окисление SO2 и др.

Окислитель-но-восстано-вительные реакции. Химические источники тока. Электролиз. Коррозия металлов Образование нано-частиц серебра при разложении гало-генида серебра под действием света -основа фотографии ^Ш-ХГС вв.) Особенность коррозии наночастиц Использование нано-структурных материалов в электродах. Наноаккумуляторы водорода на основе карбида титана. Нано-батареи

X ф

о а.

0

1 _0

о

о ц

0

1

X ф

го

I

о ф

Химическое содержание Нанотехнологическое содержание

Историческое Теоретическое Прикладное

Диспе рсные системы

Классификация дисперсных систем. Коллоидные растворы Получение коллоидной суспензии частиц золота (Майкл Фарадей) Коллоидные растворы наночастиц золота и серебра, способы получения, свойства. Состав и свойства ферромагнитной жидкости Применение коллоидных растворов золота и серебра (на основе бактерицидных свойств). Применение ферромагнитной жидкости

го со <и

Э

£

К

го ш

о ц

со го с

О 1_и

Можно выделить следующие формы реализации интегрируемого нано-технологического содержания: рассказ, изложение учителя; тематические презентации, подготовленные учителем; просмотр видеороликов; доклад одного или группы учащихся; реферат; проектную работу. Подготовка докладов, рефератов и проектных работ позволяет развивать интересы и способности школьников, формирует у них умения оперировать информацией (поиск, оценка достоверности, аккумуляция, систематизация и визуализация), а также навыки работы в группе.

Нанотехнологическое содержание возможно интегрировать и в химический эксперимент. Поскольку проведение такого эксперимента требует дополнительного времени, целесообразно его осуществлять в 10-11-м профильных классах (химических, химико-биологических, физико-химических, естественнонаучных) по причине большего количества часов, отведенных на изучение предмета. Можно предложить учащимся выполнить следующие лабораторные работы: «Получение наночастиц серебра» (тема «Получение металлов»), «Получение наночастиц берлинской лазури ^е[Ре(С^6]» (тема «Дисперсные системы»). При изучении химии железа учителю предлагается провести демонстрационный опыт «Приготовление и свойства магнитной жидкости - коллоидного раствора магнетита Fe3O4 в воде».

Стоит определить ряд педагогических рисков, связанных с внедрением

основ нанотехнологий на уроке химии: методологический риск (недостаточный уровень методологической готовности учителя участвовать в инновационной деятельности); риск перегрузки учащихся (перегруженность школьного курса фактологическим материалом); риск смещения приоритета (смещение приоритета с химии на нанотехнологии или установление паритета). Во избежание этих рисков учителю необходимо грамотно подходить к отбору содержания интегрируемого на-нотехнологического материала, опираясь на психолого-педагогические возможности учащихся каждого класса.

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.

Разные формы реализации нано-технологического 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 анализиро-

вать 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.

Таким образом, интеграция нано-технологического содержания в школьный курс химии знакомит учащихся со спецификой науки нанотехнологии, популяризирует ее в молодежных кругах, повышает интерес к современным достижениям ученых и является первой ступенью в подготовке специалистов в данной области науки.

Библиографический список:

1. 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.

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

3. Волкова С.А., Федоткина З.А. Разработка содержания химического образования в области нанотехнологий // Актуальные проблемы химического и экологического образования: сборник научных трудов 62 Всероссийской научно-практической конференции химиков с международным

участием. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2015. С. 38-41.

4. Зайцева О.П., Моисеева Л.В. Пропедевтика нанотехнологий в школе с использованием метода проектов // Педагогическое образование в России. -2012. - №1. С. 33-36.

5. Латухина Н.В., Спирина О.К. Введение в нанотехнологии: элективный курс для учащихся средней школы // Математическая физика и нанотехнологии: материалы и доклады Международной методологической школы-конференции. - Сер. «Современные проблемы математической физики». -2010. - №1. С. 60-63.

6. Никифоров В.Н. Медицинские применения магнитных наночастиц // Известия Академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. - 2013. - №1. С. 23-34.

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

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

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

10. Чувелева Е.В., Козлова А.В. Нанотех-нологии в учебном процессе. - М.: Центр Педагогический поиск, 2011. -128 с.

Поступила 15.09.16

Об авторах:

Павлова Елена Сергеевна, старший преподаватель кафедры химии и методики преподавания химии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный педагогический университет» (Россия, г. Оренбург, ул. Советская, д. 19), учитель химии Муниципального общеобразовательного бюджетного учреждения «Лицей №5» (Россия, г. Оренбург, ул. Джангильдина, д. 11/1), кандидат педагогических наук, pav1ovae1@yandex.ru Якушева Галина Ивановна, заведующий кафедрой химии и методики преподавания химии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный педагогический университет» (Россия, г. Оренбург, ул. Советская, д. 19), кандидат педагогических наук, доцент, chem.ogpu@yandex.ru

X ф

о ср

0

1 _0

о

о ц

0

1

X ф

го

I

о ф

Для цитирования: Павлова Е.С., Якушева Г.И. Место нанотехнологий в школьном курсе химии // Современная высшая школа: инновационный аспект. 2016. Т. 8. № 3. С. 102-110. DOI: 10.7442/2071-9620-2016-8-3-102-110

References:

1. Antsiferova I.V. Sources of nanoparticles inflow and their impact on the environment and human being. Zashchita okruzhayushchei sredy v neftegazovom komplekse. - 2012. - №7. P. 5-10 [in Russian]

2. Baitimirova A.T. Characteristics of the Development of Professional Interest in Gymnasium Students. Contemporary higher education: innovative aspects. - 2013. - №1. P. 76-80 [in Russian]

3. Volkova S.A., Fedotkina Z.A. Development of the content of chemical education in nanotechnology. Aktualnye problem khimicheskogo i ekologicheskogo obrazovania. SPb.: Izdovo RGPU. Im. A.I. Gerzena. - 2015. - P. 38-41 [in Russian]

4. Zijtseva O.P., Moiseyeva L.V. Propaedeutics nanotechnologies at school with use of the method of projects. Pedagogicheskoie obrazovanie v Rossii. - 2012. - №1. P. 33-36 [in Russian]

5. Latukhina N.V., Spirin D.C. Elective course «Introduction to Nanotechnology» for high school students. Matematicheskaia fizika i nanotekhnologii. Ser. «Sovremennyie problemy matematicheskoi fiziki.» Spec. Vol. №1. - Samara: Izd-vo «Samarskii Universitet», 2010. P. 60-63 [in Russian]

6. Nikiforov V.N. Medical applications of magnetic nanoparticles. Izvestia Akademii ingenernykh nauk im. A.M. Prokhorova. - 2013. - №1. P. 23-34 [in Russian]

7. Problems of modern nanotechnology. Ed. N.V. Gubin, I.B. Morzunova, E.N. Tikhonova. -M.: Drofa, 2010. - 270 p. [in Russian]

8. Razumovskaya I.V. The social significance of the study of nanotechnology in a comprehensive school. Molodoi uchenyi. - 2015. - 14.1. P. 22-27 [in Russian]

9. Williams L. Nanotechnology demystified. L. Williams, W. Adams. - M.: Eksmo, 2010. -368 p. [in Russian]

10. Chuveleva E.V., Kozlova A.V. Nanotechnology in the educational process..: Tsentr «Pedagogicheskii poisk, 2011. - 128 p. [in Russian]

About the authors:

Pavlova Elena Sergeevna, Senior lecturer, Department of Chemistry and Methods of Teaching Chemistry, Orenburg Stat Pedagogical University (Orenburg, Russia), Candidate of Sciences (Education), pav1ovae1@yandex.ru

Yakusheva Galina Ivanovna, Head, Department of Chemistry and Methods of Teaching Chemistry, Orenburg Stat Pedagogical University (Orenburg, Russia), Candidate of Sciences (Education), Associate Professor, chem.ogpu@yandex.ru

For citation: Pavlova E.S., Yakusheva G.I. Place of nanotechnology in the school course of chemistry // Contemporary Higher Education: Innovative Aspects. 2016. Vol. 8. No. 3. P. 102110. DOI: 10.7442/2071-9620-2016-8-3-102-110