CC BY
35Н. В. Классен, Е. Н. Классен
ОБ ИСКУССТВЕ ВОВЛЕЧЕНИЯ В ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
В статье представлен опыт вовлечения школьников в учебно-исследовательскую деятельность под руководством ученых Института физики твердого тела АН РФ в Наукограде Черноголовка как один из путей профессионального самоопределения учащейся молодежи.
Ключевые слова: ученик, учитель, ученый, исследовательская деятельность, результат - патент, институт АН РФ, профессиональное самоопределение.
Многолетние дискуссии о необходимости перевода российской экономики из сырьевой в высокотехнологичную в совокупности с нынешними антироссийскими санкциями определили необходимость интенсификации подготовки научно-технических специалистов, способных получать прорывные знания о природе формирования структуры и свойств материалов и создавать на этой основе передовые технологии, приборы и устройства. Эта обострившаяся потребность наталкивается на два неблагоприятных фактора: резкое сокращение числа выпускников школ в связи с демографическим провалом 90-х гг. и падение общественной привлекательности научно-технических профессий. Действовавшая в нашей стране в былые годы концепция многоступенчатого отбора способных претендентов из абитуриентов, а потом - студентов и выпускников вузов в настоящий момент оказывается неэффективной.
Преподаватели вузов отчетливо видят снижение общего уровня абитуриентов, а впоследствии и у большинства студентов московских вузов снижение интереса к исследовательской деятельности. Это можно объяснить расширением связей московских студентов с коммерческими фирмами, где материальное положение специалистов гораздо выше по сравнению со сферой науки.
Студенты региональных вузов, командируемых в наш институт на научно-производственную практику, показывают более стабильный интерес к исследовательской работе. После защиты диплома они поступают в аспирантуру, защищают кандидатские диссертации и становятся активной научной силой нашего института.
Практика отбора способной молодежи из студентов базовых кафедр ИФТТ в МФТИ, МГУ, МИСиС в прежние годы была весьма плодотворной.
Систему отбора через базовые кафедры прошли, например, Нобелевские лауреаты 2010 г. по физике А. Гейм и К. Новоселов. В интервью после присуждения Нобелевской премии А. Гейм неизменно подчеркивает важную роль ИФТТ в своем научном становлении.
Но теперь нам приходится передвинуть момент начала выявления и привлечения молодежи для научной работы от студенческого к школьному возрасту и начинать эту работу за 2-3 года до окончания школы. В первой беседе знакомим школьников с тем, как наши лазеры остановили американские шаттлы и предотвратили звездные войны до их начала [1].
Второй пример - производство по разработкам ИФТТ 80 тонн монокристаллов вольфрамата свинца для коллайдера в Женеве, на котором была открыта
© Классен Н. В., Классен Е. Н.
элементарная частица, с которой началась наша Вселенная, - бозон Хиггса (Нобелевская премия по физике 2013 г.).
Третий пример - по разработкам специалистов ИФТТ в России началось производство труб большого диаметра для газопроводов. Практически всегда ребята воспринимали три эти примера с явным энтузиазмом.
В работе со школьниками мы руководствуемся следующими правилами: 1) тематика экспериментов должна быть интересной для всех участников; 2) для экспериментов используется простое оборудование; 3) эксперименты выполняются впервые в мире, а результаты обладают объективной новизной.
Сочетание этих правил в одной работе - очень не простая, но доступная для современной школы задача [2].
Приведем несколько примеров нашего сотрудничества со школой. Несколько лет назад преподаватель физики черноголовской школы Г. В. Любимова обратилась к нам в институт с просьбой проконсультировать ее и ученика 8-го класса Павла Провоторова о возможных научных исследованиях на базе изготовленных им генераторов. В беседе Павел рассказал о проводимых им опытах с высокочастотным генератором, на котором он испарял металлические проволочки, и об опытах с импульсным генератором, где он эти проволочки взрывал. При ближайшем рассмотрении выяснилось, что генераторы сделаны по опубликованным схемам и новизны не содержат. Но в результатах самостоятельных опытов Павла обнаружились явные признаки новизны. При испарении взрываемых металлов образовывались летающие в воздухе «паутинки», длина которых доходила до 50 см. А нагрев металлических проволочек в высокочастотном генераторе приводил, в частности, к образованию игольчатых кристалликов на краях этих проволочек и формированию тонких радужных пленок на расположенных вблизи от факела высокочастотного разряда стеклах.
Изучение этих паутинок, иголочек и пленок на имеющихся в нашем институте оптическом и электронном микроскопах выявило своеобразные наноструктуры нескольких видов, которые ранее в литературе не описывались.
В известных публикациях описывались процессы получения наноцепочек длиной всего лишь в доли миллиметра. Поэтому «паутинки» П. Провоторова содержали научную новизну сразу в двух аспектах: процессах их образования и перспективах применения. Изучение процессов образования проводилось в течение более года, и в конечном итоге было установлено, что такого рода наноструктуры возникают из потоков пара неорганических веществ, когда скорости этих потоков превышают порог образования турбулентных вихрей. В турбулентных вихрях пар уплотняется под действием центробежной силы, что и приводит к его конденсации в наночастицы. А далее наночастицы, двигаясь по спирали вдоль границы вихря, связываются в непрерывные цепочки под давлением встречного потока воздуха (примерно так же образуются цепочки из велогонщиков). По части применений к настоящему времени проработаны варианты прямых преобразователей солнечного и ионизирующих излучений в электричество и биосенсоров. В первом случае используется накопление в наночастицах зарядов за счет выброса из них фотоэлектронов. А благодаря непрерывности цепочек этих частиц образованные излучениями заряды легко превращаются в электрический ток. Биосенсоры оказываются эффективными за счет того, что при захвате какой-либо даже одиночной биомолекулы такой наноцепочкой ее электрическое сопротивление существенно изменяется, за счет чего можно регистрировать присутствие биомолекул при очень малых концентрациях. На процесс образования наноцепочек и их применение для преобразования радиации в электричество П. Провоторов в
соавторстве с научным руководителем Н. В. Классеном получили два российских патента.
На Всероссийских научных конференциях учащихся («Старт в науку» (МФТИ), «Ученые будущего» (МГУ - Интел), «Шаг в будущее» (Алферовский академический университет, Санкт-Петербург) работы П. Провоторова занимали первые места. П. Провоторов стал призером международной конференции научной молодежи в Пекине в 2014 г.; получил поощрительную премию на международной ярмарке научных проектов молодежи в Питтсбурге в 2015 г. Подготовлено несколько публикаций в иностранных научных журналах. В ежегодном докладе Российской академии наук результат П. Провоторова вошел в число лучших результатов по физике с перспективой практического применения.
Другой пример. Федор Гурин, ученик 8-го класса Сергиево-Посадского физико-математического лицея, под руководством Н. В. Классена получил уникальные результаты экспериментального исследования фотоэлектрических процессов в листьях растений, ранее в литературе не описанные. Используя мультиметр, оптический микроскоп, источник белого света и обычную лазерную указку, он обнаружил автоколебания электрических потенциалов и тока в зеленых листьях, индуцированные их освещением, и аномально большую электрическую емкость зеленых листьев. По этим результатам зарегистрирована патентная заявка на преобразователь солнечной энергии в электричество на основе живых растений. Ф. Гурин - победитель Всероссийского конкурса им. В. И. Вернадского.
Еще пример. А. Кудинова, ученица 9-го класса того же лицея, на очень простом оборудовании (мультиметр, оптический микроскоп) начала изучать гидродинамические процессы в капиллярах биосистем всего лишь полгода назад. Она обнаружила новые факты, заставляющие радикально пересмотреть современные представления о механизмах питания растений и живых организмов. Во-первых, она зарегистрировала сильные импульсы электрических потенциалов на ветвях при упругом деформировании ветвей или листьев. Во-вторых, заметное воздействие относительно слабых электрических полей на движение жидкостей по микрокапиллярам растений. Эти факты указали на существенную роль пьезоэлектричества в питании растений. Сильные пьезоэлектрические свойства целлюлозы известны давно, но их роль в жизни растений ранее никак не учитывалась. Но обнаруженная при деформациях и ветвей, и листьев генерация заметных электрических полей существенно изменяет понимание процессов питания. А. Кудинова совместно с руководителем Н. В. Классеном предложили и экспериментально проверили модель работы электрического поля при переносе минеральных веществ по капиллярам ксилемы от корней к зонам фотосинтеза в листьях и при переносе образованных фотосинтезом сахаров от листьев к зонам роста корней, ствола и ветвей по капиллярам флоэмы. Более того, так как сосуды кровеносной системы млекопитающих (человека в том числе) тоже образованы пьезоэлектрическими полимерами (коллагеном и эластином), возникает возможность переноса модели, сформулированной по экспериментам на растениях, и на живые организмы. По этой модели импульсы давления, создаваемые ударами сердца, не столько толкают поток крови по сосудам, сколько возбуждают в их стенках электромеханические волны, которые за счет своих электрических полей и деформаций и транспортируют питательные вещества по микрокапиллярам (которые оказываются слишком узкими для пропуска достаточно сильного потока крови) к зонам метаболизма.
Эта версия создает возможность для новой методики лечения сердечнососудистых заболеваний дистанционными электрическими воздействиями с
относительно слабыми амплитудами, но частота и пространственный период которых подобраны так, чтобы они усиливали пульсовые электромеханические волны, помогая им в обеспечении необходимого уровня доставки питательных веществ через кровь к проблемным зонам. Работа А. Кудиновой получила серебряную медаль на Колмогоровском Всероссийском конкурсе научных проектов школьников. По этим результатам зарегистрирована патентная заявка на новый принцип насоса для выкачивания нефти из скважин. Труба скважины изготавливается из пьезоэлектрических волокон (например, из ориентированной целлюлозы), заполнение ее водой создает нарастание гидростатического давления сверху вниз, этот перепад давления индуцирует осевое электрическое поле, которое и поднимает молекулы нефти по воде на поверхность. Такой насос будет работать и на нефти, молекулы которой тяжелее воды. Результаты работ Ф. Гурина и А. Кудиновой, доложенные на 1-й Международной конференции по биологическим и технологическим проблемам древесиноведения, вызвали большой интерес маститых биологов и были опубликованы в сборнике трудов конференции. А на Всероссийском конкурсе молодежных научных разработок по энергетике, проводившемся Минэнерго в ноябре 2016 г., работа А. Кудиновой заняла первое место.
Василий Суров, ученик 9-го класса того же лицея, высказал желание заниматься упрочнением стали. Ему было предложено изучить возможности улучшения механических и химических свойств поверхности модифицированием известной технологии обкатки металлических деталей. Получены результаты по существенному улучшению антикоррозионных и антифрикционных свойств поверхности стальных изделий. Обнаружен новый эффект многократного увеличения коэффициента диффузии инородных веществ в металлы при обкатке. Зарегистрирована патентная заявка на автономную обработку поверхностей металлических конструкций в полевых условиях, что имеет важное значение для повышения рабочего ресурса мостов, трубопроводов, опор электропередач и т. д. Результатами этой работы заинтересовались организации, занимающиеся судостроением.
Иллюстрации эффективности развиваемых в ИФТТ приемов вовлечения школьников в научные исследования можно продолжить. Важно, что раннее знакомство с проблемами современной науки, техники и производства вырабатывает у обучающихся отношение к изучаемым дисциплинам как к рабочим инструментам, от степени владения которыми зависят их последующие успехи и достижения [3].
Наш опыт позволяет сформулировать следующие пошаговые действия организаторов вовлечения школьников в исследовательскую деятельность:
1) беседа об эффективности научно-исследовательской деятельности в России с яркими и убедительными примерами;
2) аналитический обзор проблем современной науки и возможностей заняться научной деятельностью здесь и сейчас;
3) поощрение любопытства и консультация обучающихся о сущности содержания избранного ими направления исследования;
4) уточнение цели и задач избранного направления исследования с учетом интересов обучающихся и ожидаемой объективной новизны результата;
5) формулировка конкретной перспективы применения ожидаемых результатов с доведением их до патентов и действующих макетных образцов;
6) предложение списка литературы об особенностях исследовательского поведения и о личных качествах исследователя на основе ретроанализа истории науки, техники и производства;
7) формирование умения доходчиво объяснять неспециалистам (друзьям, родственникам и др.) сущность нового факта, полученного в эксперименте, его природу и потенциальные возможности практического применения;
8) мотивация исследовательской деятельности путем уточнения критериев ее оценки и форм поощрения успеха и достижений;
9) рекомендации успешным выпускникам школы для поступления вузы, о курсовых и бакалаврских работах под присмотром специалистов ИФТТ и региональных организаций как возможных работодателей;
10) магистратура ИФТТ для обучения методикам и концепциям современных естественнонаучных представлений, распределение по трем возможным каналам: а) продолжение учебы в аспирантуре ИФТТ; б) продолжение учебы в аспирантуре регионального вуза; в) работа в заинтересованной региональной организации.
Успех в освоении нашей системы вовлечения школьников в исследовательскую деятельность определяется рядом внешних факторов:
- нормативно-правовое, ресурсное и финансовое обеспечение партнерства субъектов образования всех уровней (муниципального регионального, федерального) в развитии учебно-исследовательской деятельности школьников на основе включения тематики НИР местных вузов и социально-экономического развития муниципального объединения в содержание учебно-исследовательской деятельности школьников (социально-экономический и политический уровень);
- научно-методическое руководство развитием учебно-исследовательской деятельности школьников и построение учебного процесса школы как процесса развития учебно-исследовательской деятельности, а школьной конференции научного общества учащихся как формы общественной презентации разнообразия интересов и достижений обучающихся (дидактико-методический уровень);
- менеджмент и маркетинг, координация участия всех субъектов социально-экономического развития региона в организации учебно-исследовательской деятельности учащейся молодежи (организационно-институциональный уровень).
Примечания
1. Калашников М. Америка против России. Битва за небеса. М. : Изд-во «Астрель», 2000. 351 с.
2. Горский В. А., Смирнов Д. В., Русских Г. А. Учебно-исследовательская деятельность школьников. Киров : ИРО, 2011. 200 с.; Горский В. А. Интеграция содержания формального и неформального образования детей. Издатель Palmarium academic publishing, 2014. 148 c.
3. Сборник тезисов докладов XV Всероссийской конференции «Первые шаги в науке» / под ред. А. А. Обручниковой. М. : ЦПУ «Радуга», 2015. 896 с.
Л. В. Маракулина, А. А. Пивоваров
ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СИСТЕМЫ ОБРАЗОВАНИЯ КИРОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Если вам что-нибудь покажется очень уж непонятным, не стесняйтесь спрашивать... А уж когда вам всё будет совсем понятно, тогда вы, может быть, кое о
чём задумаетесь. Но это, впрочем, не обязательно. Льюис Кэрролл. Приключения Алисы в стране чудес
© Маракулина Л. В., Пивоваров А. А., 2017
