CC BY
4Т.А. Посягина, Л.И. Васильев
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ В КОГНИТИВНЫХ КАРТАХ С МУЛЬТИКОДОВЫМ ПРЕДСТАВЛЕНИЕМ ИНФОРМАЦИИ
Ключевые слова: когнитивная карта с мультикодовым представлением информации, дидактическая многомерная технология, фуллерен, нанотрубка, графен.
Аннотация: Статья представляет собой изложение результатов исследования дидактической многомерной технологии в когнитивных картах с мультикодовым представлением информации с целью популяризации знаний в области нанотехнологий среди студентов Филиала МГУТУ им. К.Г. Разумовского в г. Мелеуз.
В настоящее время одним из приоритетов научно-технического развития в большинстве стран мира являются нанотехнологии, что неизбежно как наступление эпохи двигателей внутреннего сгорания после века паровых машин, и Россия в этом смысле не является исключением. В этом плане мы согласны с вице-президентом Нанотехни-ческого общества России Г.Г. Малинецким [7]: свою позицию ученый представляет, опираясь на теорию больших циклов в мировой экономике Н.Д. Кондратьева, в основе которой - смена технологических укладов. Г.Г. Малинецкий анализирует эти уклады в историческом аспекте: так, освоение возможностей IV технологического уклада было основой советской индустриализации. Реализация данной программы позволила стране выстоять в Великой Отечественной войне, стать сверхдержавой, добиться паритета с США в области стратегических вооружений. Однако возможности, предоставленные V технологическим укладом (развитие компьютеров, телекоммуникаций и Интернета), были упущены нашей страной, в то время как весь мир уже готовится к следующему технологическому скачку (судя по прогнозам, это будет происходить в 2014-2018 гг.). Локомотивными отраслями рождающегося VI технологического уклада, наиболее вероятно, станут нанотехнологии: «У России очень мало времени. Наша задача - вскочить в последний вагон уходящего поезда. Иначе, с большой вероятностью, нас не будет», - прогнозирует Г.Г. Малинецкий. Уместно привести мнение Ю.Д. Третьякова [13], что основным общественным результатом всех отечественных нанотехнологических программ, учитывая реальное отставание России, к сожалению, является запоздалое осознание того, что нанотехнологии пришли и останутся, что это не мода, а высокие технологии, без которых невозможна модернизация экономики и социальной сферы. По прогнозу названного автора, в ближайшие 10-15 лет для обеспечения работ в области нанотехнологии потребуется не менее семи миллионов новых исследователей и инженеров.
Актуальность исследования проблемы подготовки необходимых специалистов обусловлена рядом противоречий, в числе которых основными являются следующие:
- между социальным заказом современному высшему профессиональному образованию на подготовку компетентного выпускника в области нанотехнологий и дефицитом теоретико-экспериментальных исследований дидактических основ нанонауки;
- между междисциплинарной сложностью теоретической базы нанонауки (вследствие малого масштаба нанопроцессов) и готовностью студентов к восприятию и усвоению этой многомерной информации.
Данные противоречия определили цель исследования - выявление педагогических условий трансляции знаний о нанотехнологиях студентам технического вуза. Для этого нами использована теория развивающего обучения, тем более что, по мнению Д.И. Фельдштейна, «можно гордиться тем, что в отечественной психолого-педагогической науке давно был взят курс на развивающее обучение, полагающее понимание; восхождение от абстрактного к конкретному, базирующееся на принципах теоретического мышления» [14]. Данное утверждение, с методологической точки зрения, предполагает синтез теории развивающего обучения, многомерно-деятельностного подхода и учения об ориентировочной основе деятельности П.Я. Гальперина. Реализация интерактивного подхода осуществляется с помощью нанообразовательного проекта «Введение в нанотехнологию», являющегося продолжением исследования дидактической многомерной технологии в когнитивных картах с мультикодовым представлением информации на примере материаловедения [9], выполняемого в Филиале МГУТУ им. К.Г. Разумовского в г. Мелеуз с 2006 года. Новизна разработки заключается в применении результатов исследований когнитивной визуализации для популяризации знаний о нанотехнологиях, ведущим педагогическим условием чего выступает дедуктивно-синтетическая логика организации учебного процесса с опорой на визуальный графический каркас когнитивных карт с мультикодовым представлением информацию. Не претендуя на систематическое изложение столь сложной и объемной теоретической базы нанонауки, мы создаем систему когнитивных карт с мультикодовым представлением информации, позволяющую начинающим постигать данную науку факультативно и самостоятельно.
Известно, что самостоятельная работа может постепенно трансформироваться в самообразовательную, одним из признаков которой является неустойчивость субъекта познания (основная причина неустойчивости - противоречие между нарастающим потоком информации в области нанотехнологий и реальной готовностью студентов к ее восприятию и переработке). При действии малых флуктуаций, например, ознакомлении с новыми знаниями, фактами из различных источников, в т.ч. электронных в области нанотехнологий, субъект познания достигает зоны неустойчивости. На языке синергетики, система оказывается в точке бифуркации, то есть выбора направления дальнейшего развития, которое зависит от сформированности структурных элементов личности студента - его когнитивной, эмоционально-волевой и деятельностной (поведенческой) сфер, качественной определенности их связей и характером взаимодействия. Выбор направления дальнейшего развития зависит также от внешних воздействий: внешним источником могут быть преподаватель, Интернет, радио- и телевещание, печатные средства массовой информации, научнопопулярная литература. В контексте обучения это означает, что результат внутренних и внешних воздействий указанных выше элементов определяет уровень актуального состояния студента и его знаний в области нанотехнологий: каждый уровень характеризуется как отдельный аттрактор, а выбор студентом одного из аттракторов определяется совместной деятельностью с преподавателем.
Четкая постановка задачи позволяет определить способы и средства ее решения: не претендуя на освещение всего комплекса дидактических средств, мы предлагаем оригинальный комплект когнитивных карт с мультикодовым представлением информации по нанотехнологии, в том числе «Лауреаты Нобелевской премии ХХ века в области квантовой физики»; «Как расщепляется мгновение»; «Аллотропия углерода»; «Углеродный нанобум». Рассмотрим подробнее каждую из них.
Когнитивная карта с мультикодовым представлением информации «Лауреаты Нобелевской премии ХХ века в области квантовой физики». Прежде всего, остановимся на анализе многомерного представления вышеназванной информации. Согласно дидактической многомерной технологии профессора В.Э. Штейнберга [15], проектирование дидактического обеспечения учебного процесса целесообразно предварять структурно-логическим анализом заявленного выше фундамента знаний ХХ века по определенному основанию, за которое мы принимаем событие - присуждение исследователю премии Альфреда Нобеля. Как известно (завещание, написанное в Париже 27 ноября 1895 года), известный изобретатель, промышленник и филантроп Альфред Нобель распорядился создать фонд, благодаря которому будут выдаваться премии тем, кто (независимо от национальности) в течение предшествующего года принес наибольшую пользу человечеству. То есть, Нобелевская премия, присуждаемая за выдающиеся научные исследования, революционные изобретения или крупный вклад в культуру или развитие общества, являясь одной из наиболее престижных международных премий, определила лицо ушедшего ХХ века как века квантовой физики. Поэтому структуризация знаний связывается с технологическим основанием, обеспечивающим мотивационную базу для познания нанотехнологий.
Из всего списка лауреатов Нобелевской премии ХХ века [6] выбираем в хронологическом порядке тех, чьи темы исследований связаны с атомным уровнем изучением материи. Так, в 1900 году Макс Планк первым использовал для объяснения спектров излучения идею кванта. Последующим решающее слово было сказано Альбертом Эйнштейном, предложившим в 1905 году квантовое объяснение фотоэффекта (именно за квантовую теорию фотоэффекта, а не за теорию относительности, в 1921 году ему была присуждена Нобелевская премия по физике), потому что эта работа А. Эйнштейна сыграла ключевую роль в формировании квантовой теории. Далее необходимо назвать целый ряд блестящих имен, которым мы обязаны не только формированием квантовой физики, но и современным пониманием физических явлений, - Нильс Бор, Луи де Бройль, Вернер Карл Гейзенберг, Эрвин Шредингер, Лев Давидович Ландау и многие, многие другие. В конечном счете, квантовая физика в свои лучшие времена - 1920-1930 годы - сформировала не только современную физическую теорию, но и современное научное мировоззрение людей, занимающихся естественными науками.
Отобранное содержание в рассматриваемый период условно развернем центробежным («солярным») способом при помощи когнитивной карты (рис.1), при этом каждая координата определит четверть ХХ века как ее измерение (или кластер узлов - событий присуждения исследователю премии Альфреда Нобеля, объединенных в группу), благодаря чему когнитивная карта становится многомерной. В межкоординатные секторы помещаем с помощью мультикодового представления информации элементы открытий, которые определили научно-технический прогресс ХХ века, привели к масштабным социальным изменениям и во многом предвосхитили современное развитие передовых стран, практически всего населения земного шара. Остановимся на этих открытиях.
В первую четверть межосевого пространства помещается теоретическое и экспериментальное наследие вышеназванного золотого времени: модель атома и знакомые каждому студенту из школьного курса химии формулы наполнения электронами оболочки ато-
ма. Данный период был отмечен, прежде всего, работами в области ядерной физики, исследованиями радиоактивности, созданием современной теории атомного ядра, открытием на ее основе деления урана под действием нейтронного облучения, сделанным О. Ганом и Ф. Штрассманом в 1938 году. Ядерная энергия стала базой технологического развития человечества, которое в то же время впервые ощутило себя единым и хрупким сущим перед лицом ядерной опасности.
Во вторую четверть межосевого пространства помещаются последствия ядерной атаки гражданских объектов (август 1945 года - Хиросима и Нагасаки), ставшие для мировой общественности синонимом ужаса. И сегодня, после Чернобыльской и Фукусимской катастроф, много говорится об опасности использования атомной энергии. Однако в то же время ядерный феномен - крупнейшее социально значимое природное явление интернационального характера. Феномен ядерной энергии многолик: в первом приближении - это звезды, ядерное сдерживание и нераспространение ядерного оружия, тепло недр Земли и естественная радиоактивность в среде обитания человека; это и ядерная энергетика, атомные военные / гражданские, подводные / надводные суда, источники энергии длительного пользования для освоения космоса и радиоактивные отходы со сроком хранения в сотни тысяч лет. В конечном счете, сколь критически ни оценивали бы мы прошлое нашей страны, нельзя не признать: именно создание ядерного оружия определило ее судьбу во второй половине ХХ века, следовательно, и судьбу каждого из тех, кому выпало жить в это время.
Когнитивная карта №1 “Лауреаты Нобелевской премии ХХ века в области квантовой физики"
К2 II четверть
Образец
Сканирующий туннелирующий микроскоп Биннинга
К4 IV четверть
“Будущее России определится не Богом, не верой в президента и его доброй волей, а научньт мтенцшлом атраны, развитием науки и образования” -ЖИ. Алфёров
Рис.1. Когнитивная карта «Лауреаты Нобелевской премии ХХ века в области квантовой физики»
В третью четверть межкоординатного пространства помещается крупнейшее открытие в физике ХХ столетия - создание транзистора, сделанное в 1947 году тремя выдающимися американскими физиками - Джоном Бардиным, Уолтером Братгейном и Уильямом Шокли в лаборатории компании «Белл телефон». Названное открытие стало следствием бурного развития физики полупроводников, полупроводниковой технологии и радиолокации в годы Второй мировой войны. Далее, 23 декабря 1947 года, был продемонстрирован первый транзисторный усилитель, и началась новая эра в электронике, а несколько позже, по мнению Ж.И. Алферова [1], сформировалась огромная научно-производственная сфера, повлекшая значительные социальные изменения в мире - благодаря созданию транзистора, мы можем говорить о наступлении постиндустриального времени, времени информационного общества. Постепенно транзисторная технология перешла на субмикронный уровень, и на передний план исследований вышли нанотехнологические проблемы физики поверхности.
В четвертую четверть межкоординатного пространства помещается открытие сканирующего туннельного микроскопа как средства для диагностики изучаемой поверхности металлов. В основу теории туннельных переходов были положены работы Л.И. Мандельштама и М.А. Леоновича, но только в декабре 1982 года появилось сенсационное сообщение: швейцарским физикам Герду Биннигу и Генриху Рореру, работающим в филиале компании ИБМ в Цюрихе, удалось создать микроскоп нового типа, с помощью которого топографическая карта поверхности была снята с атомной точностью. Работа сканирующего туннельного микроскопа целиком основана на квантово-механических закономерностях, и поэтому его возможности близки к фундаментальным физическим пределам -рабочим условиям нанотехнологий.
Завершая рассмотрение первой когнитивной карты, можно видеть, что представление столь масштабной информации допускает определенную вариативность, поэтому, отдавая дань уважения личности великих ученых, отметим, что для любознательных студентов имеется широкое поле тем реферативных исследований. При этом логика сопоставления дат, имен, тем открытий великих исследователей ХХ века и биографий лауреатов, приводит нас к некоторым дополнительным замечаниям. Во-первых, каждое последующее открытие связано с предыдущим: примером может служить исследование кристаллов с помощью рентгеновских лучей в 1915 году, выполненное Уильямом Генри Брэггом, которому предшествовало открытие в 1901 году Вильгельмом Рентгеном замечательных лучей, названных впоследствии в его честь и т.д. Во-вторых, ясно прослеживается интернациональная взаимосвязь научных школ, обмен информацией и учениками. Примером здесь может служить Петр Леонидович Капица, проработавший в течение пятнадцати лет (1921-1936 гг.) сотрудником Эрнеста Резерфорда в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Кроме этого, Лев Давидович Ландау в 1929 году был в научной командировке для продолжения образования в Германии, в Дании, в Англии и Швейцарии. Там он работал вместе с ведущими физиками-теоретиками, в том числе с Нильсом Бором, которого с тех пор считал своим единственным учителем. В-третьих, вызывает сожаление долгий путь до общественного признания открытий, состоявшихся в ХХ столетии: рентгеновское обследование в медицине, лазерный проигрыватель или мобильная связь, столь привычные и необходимые каждому. Что же касается квантово-размерных объектов физики конденсированного состояния, то здесь, по мнению Ж.И. Алферова [3], совершенно точно можно ожидать в ХХ1 веке изменений фундаментальных физических представлений, и кто знает, сколько потребуется времени для широкого общественного их признания. В-четвертых, рассуждая в более широком плане, соотношение классического и квантового уровня материи положило начало переосмыслению взглядов на мир не только с точки зрения квантовой
физики, но и философской точки зрения: сформулировав всеобъемлющий синергетический принцип комплементарности (дополнительности) в первой четверти ХХ вера, вместо борьбы противоположностей, ученые предложили их взаимодополнение во имя развития (и образования) человечества в XXI веке.
Когнитивная карта с мультикодовым представлением информации «Как расщепляется мгновение» (рис.2). Идея карты - метрологический анализ масштаба продолжительности физических процессов. В качестве системного основания для проектирования когнитивной карты принимаем временные промежутки от года до существующего в Системе СИ
. л-24
наименьшего промежутка в 10 секунды с указанием соответствующего эксперимента или физического явления, подтверждающего длительность данного промежутка времени. При этом каждая координата представляет различный временной масштаб (или кластер узлов, объединенных в группу), благодаря чему когнитивная карта становится многомерной. В межкоординатные секторы с помощью мультикодового представления информации поместим элементы природных или технических процессов, которые наиболее образно представляют данный временной масштаб. Остановимся более подробно на этих процессах.
Когнитивная карта №2 “Как расщепляется мгновение"
К2 Твердое тело
0,000 001с. микрО'
Астрономический год
Впуск Сжатие Сгорание Выпуск Процесс сгорания топлива в ДВС
_ _______3.5 МеЧ/ Й0КГ0' 10 с.
п -В- 14.1 МеУ
Термоядерная реакция
К4 Ядро
Процесс поверхностной сегрегации
Вывод: Вместе с уменьшением размеров системы, уменьшается характерное время протекания разнообразных процессов в ней
0.001с
1с
Система СИ
Рис.2. Когнитивная карта «Как расщепляется мгновение»
Чтобы подчеркнуть космический масштаб оси времени, в первую четверть меж-координатного пространства когнитивной карты помещается астрономическое определение года, месяца, суток. (Заметим, что в результате раскопок исследователи
заключили, что люди считают дни в соответствии с фазами Луны, как минимум, с палеолита.)
Следующий диапазон - миллисекунды - очень близкий к нам временной диапазон, это понятие мига, который мы все ощущаем. В качестве примера данного временного диапазона во вторую четверть межкоординатного пространства когнитивной карты мы помещаем термодинамический процесс сжигания топлива в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), в результате которого химическая энергия углеводородного топлива преобразуется в механическую работу автомобиля. Таким образом, представленные выше технические процессы в ДВС имеют особое значение, ибо ДВС вывели цивилизацию на новый уровень развития.
Следующий диапазон - наносекунды. По мнению И.П. Иванова [5], в этом временном диапазоне мы изучаем материю, поэтому в качестве образной иллюстрации помещаем в третью четверть межкоординатного пространства когнитивной карты процесс поверхностной сегрегации вещества. Суть данного процесса, по мнению Г.П. Вяткина [2], заключается в изменении состава, структуры и свойств поверхностных слоев атомов вещества в конденсированном, то есть в твердом или жидком состоянии. Это и есть современная физика, та, что сейчас изучается в тысячах научных лабораторий и освещается сотнями журналов ежедневно. Для исследования столь быстро протекающих процессов движения микроскопических тел служит лазер.
Следующий - аттосекундный диапазон, - освоенный в последние годы учеными с помощью импульсов рентгеновского или ультрафиолетового излучения. Но на этом спектр диапазона времен не кончается: существуют еще более быстрые процессы, измеряемые зептосекундами, и в этих интервалах уже не существует никаких движений (ни атомов, ни электронов), кроме ядерных реакций. Интервал времени, меньший, чем зептосекунды, называется «йоктосекундой» - это масштаб элементарных частиц (ядра атомов можно считать замороженными), это самые последние дольные приставки, которые зафиксированы в Системе единиц СИ. Поскольку, согласно Гейзенбергу, чем меньше промежуток времени, тем больше требуется энергии для поддержания состояния системы, то для исследования во временных промежутках, меньших, чем йоктосекунды (10-24), на территории Швейцарии и Франции построен Большой адронный коллайдер LHC (ускоритель протонов, не имеющий аналогов в мире). Тысячи датчиков коллайдера должны фиксировать моменты столкновения протонов, что позволит исследователям еще глубже проникнуть в тайны материи.
Использование когнитивной карты с мультикодовым представлением информации позволяет подвести обучающихся к следующим выводам: во-первых, человечество стоит на пороге новых революционных открытий и технологических прорывов, мир готовится к зарождающемуся VI технологическому укладу, сулящему такие изменения в нашей жизни, которые трудно себе представить, но к которым необходимо быть готовым; во-вторых, в силу различных причин одновременно с уменьшением размеров системы сокращается и время протекания разнообразных процессов в ней, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие.
Когнитивная карта с мультикодовым представлением информации «Аллотропия углерода» (рис.3). Человечество знакомо с углеродом с незапамятных времен, в последние годы отмечается возрастание научного, промышленного и коммерческого интереса к новому классу углеродных материалов. Согласно заявленной выше парадигме, металлические системы можно рассматривать с естественно-философских позиций как фрагмент физической реальности, характеризующейся структурными уровнями организации. Наиболее интересным, с нашей точки зрения, является многомерное представлении металлической системы на атомарном уровне рассмотрения, для используем не только теоретическое
описание аллотропных форм углерода, но и однотипные числовые значения справочных величин конечных свойств материала - графита, алмаза и фуллерита - для аналитического осмысления и сравнения.
Представим аллотропные формы углерода графически с помощью когнитивной карты. При этом первая координата определяет характеристику атома углерода (или кластер узлов - справочных данных атома углерода, объединенных в группу), вторая, третья и четвертая представляют его природные аллотропные формы (благодаря чему когнитивная карта становится многомерной). В межкоординатные секторы помещаем с помощью муль-тикодового представления информации структуры графита, алмаза, фуллерена и диаграмму фазовых состояний фуллерита. В дальнейшем изложении проиллюстрируем лишний раз, что аллотропные модификации углерода оказывают влияние на физические свойства твердых тел на основе углерода - графита, алмаза и фуллерита.
Когнитивная карта №3 “Аллотропия углерода”
К2 Графит
Гексагональная структура графита
2,08-3,23 г/см' 0.24 6нм/0,67 1ні
Кубическая структура алмаза
Іпл 2,417
2 2S2 2р2 12С 6 углерода
0,143нм0 ,139нм а/с
1,7 г/см3 Р
= 1,415 нм.) -130с *4
4 000С
1,411 нм.) Открытие 19 85 г.
0.3567нм р Тв. по шк. Мооса
•7 КЗ ]
Диаграмма фазовых состояний фуллерита С <
К4 Фуллерен Сб 0
Структура выпуклого многогранника полой молекулы фуллерена С бС
Графит, алмаз и фуллерен являются аллотропными природными формами углерода. Причем алмаз и графит имеют на своей поверхности свободные связи, которые стремятся насытиться и захватывают посторонние атомы примеси, а в фуллерене свободных связей нет, все они замкнуты, поэтому он - наиболее чистый, беспримесный аллотроп углерода.
и
3 50 0 С
Р
к
Ядро
3.23 г/с
С
ГС
13
-1
Рис.3. Когнитивная карта «Аллотропия углерода»
В первой четверти межкоординатного пространства когнитивной карты приводим гек-согональную структуру графита, который используется в атомной и ракетной промышленности, в химическом машиностроении и многих других областях. Благодаря плоской структуре графита, электроны свободно двигаются в его слоях, чем обусловлена его высокая электро- и теплопроводность. Во второй четверти помещаем кубическую структуру алмаза, отличительная особенность которого - высочайшая (среди минералов) твердость и высокая теплопроводность, диэлектрические свойства. В третьей четверти представлена кубическая структура выпуклого многогранника полой молекулы фуллерена С60, где вершинами
служат атомы углерода, а ребрами - их валентные связи. Природа объединила в этом объекте многие противоречивые свойства: с одной стороны, по мнению С.Г. Тиходеева [11], С60 - это единственная молекулярная форма углерода, свободных связей у фуллерена С60 нет, и этим объясняются его большая химическая устойчивость и механическая прочность; с другой стороны, главной особенностью фуллеренов является их повышенная реакционная активность - они легко захватывают атомы других веществ и образуют материалы с принципиально новыми свойствами. Фуллерен представляет собой связующее звено между органической и неорганической материей. Фуллерен С60 - удивительная молекула:
Н.Г. Рамбиди [10] называет ее «вакуумным пузырьком», для которого не подходит общеизвестное утверждение, что природа не терпит пустоты, так как вакуум и материя - две основы мироздания - гармонично объединились в одной молекуле. Если «заглянуть» внутрь этого необычного шарика, то можно обнаружить пустоту, пронизанную электромагнитными полями. В четвертой четверти представлена диаграмма фазовых состояний кристаллического вещества на основе молекул фуллерена С60. Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами [10]. Наиболее изученная система такого рода - кристалл С60. Как показывают эксперименты, представленные Н.Г. Рамбиди, твердый фуллерен С60 без разложения сублимируется при 400°C. Причина малой прочности фуллерита в том, что атомы углерода в молекуле фуллерена связаны а- и п- связями, в то время как химической связи между отдельными молекулами фуллеренов в кристалле нет. На основании приведенных данных можно сделать вывод, что, с точки зрения материаловедения, графит, алмаз и фуллерен являются аллотропными природными формами углерода, открытие же фуллерена знаменовало появление класса соединений, представляющих собой новую необычную форму элементарного углерода.
Когнитивная карта с мультикодовым представлением информации «Углеродный нанобум» (рис.4). В настоящее время в развитых странах наблюдается рост производства в области углеродных нанотехнологий: по данным информационной компании «Scientifica» [3], пять лет назад объем продаж наноуглеродных материалов (не конечная продукция) составлял полторы сотни миллионов евро,а в 2010 году - три миллиарда евро. В Европе изготавливают около полусотни тонн нанотрубок в год, США и Япония производят до нескольких тысяч тонн. В России до настоящего времени углеродные наноматериалы производились лишь в небольших количествах на лабораторных установках академических и учебных институтов, поэтому представляем нанотехнологии в прагматическом аспекте.
Первая координата представляет особенности физических свойств легированного фуллерена Сб0 (или кластер узлов - химических символов и свойств материалов, объединенных в группу), вторая и третья координаты раскрывают физические и механические свойства углеродных нанотрубок, а четвертая освещает производство композитных наноматериалов на основе углеродных каркасных структур. В межкоординатные секторы помещаем с помощью мультикодового представления информации виды тех наноматериалов, которые наиболее явно характеризуют «углеродный нанобум».
В первую четверть помещаем однослойную углеродную нанотрубку, представляющую протяженную структуру, состоящую из свернутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах, полученную в 1991 году японским исследователем Иджимой. И.В. Золотухин [4], рассматривая однослойную углеродную нанотрубку как итог сворачивания плоской гексагональной сетки графита под разными углами относительно продольной оси, соотносит геометрические и электрические свойства нанотрубки, отмечая прежде всего характер ее проводимости. Типичным примером использования этой зависимости является создание нанотранзистора - структур типа «металл - полупроводник» или «полупроводник - полупроводник». Активно разрабатывается идея использовать одностенные углеродистые нанот-
рубки в качестве миниатюрных датчиков для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью, так как при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул ее электросопротивление изменяется. Такие нанодатчики могут широко использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических целях. Наконец, из однослойных нанотрубок можно сделать уникальные провода для микроприборов - электропроводимость их «баллистическая», т.е. электроны движутся от одного конца к другому, не встречая препятствий (как артиллерийский снаряд при стрельбе) и такой перенос заряда происходит без выделения тепла. Приведенные примеры свидетельствуют о перспективности применения однослойных нанотрубок в качестве основных материалов наноэлектроники.
Во вторую четверть помещаем многослойные нанотрубки, отличающиеся от однослойных большим разнообразием форм и конфигураций («матрешка», «свиток»). Нанотрубки имеют аномально высокую удельную поверхность, поскольку вся масса сосредоточена в поверхностном слое. Кроме того, расстояние между графитовыми слоями в многослойных системах (=0,34 нм) оказывается достаточным, чтобы некоторые вещества в атомарном виде (например, молекулы Н2) могли располагаться в межстенном пространстве, образующем уникальную емкость для хранения газообразных, жидких и даже твердых веществ. Таким образом, трубки рассматриваются как емкость, в которой можно хранить вещества, не пользуясь сосудами с толстыми стенками или оболочками для хранения агрессивных сред. Кроме того, внедренные элементы модифицируют свойства самих трубок, позволяя создавать разнообразные гетероструктуры на их основе [12].
В третью четверть помещаем нановолокно на основе нанотрубок. Отметим необычные механические свойства этого материала: несмотря на кажущуюся хрупкость и ажурность, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки также ведут себя крайне необычно: не «рвутся» и не «ломаются», а перестраиваются! Поражает прогнозируемые применения наноматериалов: в качестве модификаторов конструкционных материалов для авиации и космоса, для автостроения, в ветряных двигателях, в военной технике (легкие бронежилеты для солдат и броня для тяжелых машин из композитных материалов); для тормозных колодок скоростных транспортных средств наземного и авиационного транспорта (нанокомпозиты обладают повышенной теплоотдачей и износоустойчивостью). Все возможные применения нанотрубок можно долго перечислять, но на практике их использованию препятствуют две проблемы - малая длина и высокая стоимость, причем, если длина нанотрубок не всегда критична, то стоимость (от $7 за грамм) все еще слишком высока.
Когнитивная карта №4 “Углеродный нанобум”
К2 Н анотрубки
Структура однослойной нанотрубки
Ферромагнетик К3С6О Ш-подшипниК
СбоТДАЭ Сверхпроводник Сб0 F60
0,4 до 100 нм/ Виды многослойных нанотрубок 1мкм до 18,5 см.
Углеродный
нанобум
Е(н/т)/Е(сталь)
НПО “Сатурн"
г. Рыбинск Яросл. обл
“НаноТехЦентр"
Покрытие Т аунит
Структура графена
Нановолокно
К4 Производство
Вывод: Последовательное открытие и исследование фуллерена (1985), углеродной нанотрубки (1991), графена (2004) представляют значительный фундаментальный и прикладной интерес, обусловленный их необычной структурой и широким диапазоном изменения физико-химических свойств.
Хиральность
Нео 1 екПродакт Препрег
г. Санкт-Перербург
Рис.4. Когнитивная карта «Углеродный нанобум»
В четвертую четверть помещаем графен, представляющий «развернутую» нанотрубку, или пленку, толщиной в один атом углерода. Впервые графен получен в 2004 году группой российских физиков во главе с Константином Новоселовым, а 5 октября 2010 года совместно с Андреем Геймом Константин Новоселов был удостоен Нобелевской премии за выдающиеся эксперименты с графеном. Исследователи заявили: «Мы собираемся создать наноэлектронные устройства, которые не имеют ничего общего с современной микроэлектронной базой. Наша основная цель - создание наноэлектронных устройств, работающих на эффекте дифракции электронов, а не на обычном эффекте диффузии, использующемся повсеместно. Если нам удастся это сделать, то в нашем распоряжении будут быстродействующие устройства с низким энергопотреблением» [8]. Кроме того, серьезным преимуществом графена перед нанотрубками является простота производства интегральных схем на графеновой основе. Так, если интегральная микросхема, составлена целиком только из одного графена, то не будет иметь мест соединений с проводниками, что приведет к снижению тепловых потерь и энергопотребления. Однако, по мнению вышеупомянутых ученых, работа на «графеновом поле» только начинается.
Многомерное представление системы «Углеродный нанобум» в форме когнитивной карты позволяет студенту сориентироваться в представленном учебно-научном материале с учетом следующих замечаний: во-первых, последовательное открытие и исследование новейших аллотропных модификаций углерода - фуллерена (1985), углеродной нанотрубки (1991), графена (2004) - представляют значительный фундаментальный и прикладной интерес, обусловленный необычной структурой и широким диапазоном изменения физикохимических свойств этих наноматериалов; во-вторых, рынок наноструктурных материалов -
это динамично развивающийся сегмент экономики и в случае успешного развития «углеродного нанобума» мы станем свидетелями эффективного влияния фундаментальных исследований на научно технический прогресс.
Представленная в статье дидактическая разработка выполнена в Филиале государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет технологий и управления» имени К.Г. Разумовского в г. Мелеуз. Вуз был создан в 1998 году на базе профессионального института, он ориентирован на синтез традиций классической университетской школы и специфики высшего профессионального образования (Сертификат международной системы менеджмента качества ИСО 9001-2001). Представляется перспективной подготовка бакалавров по направлению «Нанотехнология», и наше исследование - первые шаги в направлении популяризации знаний в области нанотехнологии среди студентов технического вуза факультативно и самостоятельно изучающих нанонауку.
В заключение курса, отмечая вклад ученых с помощью системы когнитивных карт, мы приходим к следующим выводам:
1. Нанотехнология - самое передовое и многообещающее направление науки и техники, для развития которого в России необходимы профессиональные кадры с различным уровнем подготовки и соответствующее дидактическое обеспечение преподавания основ нанонауки.
2. Совершенствование теории развивающего обучения на основе совместного применения многомерно-деятельностного подхода (В.Э. Штейнберг) и учения об ориентировочных основах действий (П.Я. Гальперин) воплощается в многомерном представлении информации по нанотехнологии и в дедуктивно-синтетической логике учебного процесса с опорой на графические когнитивные карты с мультикодовым представлением информации. Их применение позволяет глубже раскрыть преемственность, взаимосвязь и дополнительность научной информации, упростить изложение учебного материала, повысить мотивацию и понизить познавательные барьеры при изучении новой, сложной науки - нанотехнологии.
3. Педагогические условия популяризации наноматериалов в техническом вузе при факультативном или самостоятельном изучении нанонауки заключаются в представлении содержания в многомерной, визуально-когнитивной форме, а учебного процесса - в дедуктивно-синтетической логике (для любознательных студентов рекомендуются многочисленные темы реферативных исследований).
Представленный в статье проект «Введение в нанотехнологию» - первые шаги в направлении создания системных дидактических основ нанонауки.
1. Алферов, Ж.И. Основы политики Российской Федерации в области науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу [Текст] / Ж.И. Алферов, А.Л. Асеев, С. В. Гапонов // Поиск. - 2002. - № 16 (19 апреля). - С. 20-25.
2. Вяткин, Г.П. Поверхностная сегрегация и десорбция при фазовых переходах в металлах [Текст] / Г.П.Вяткин,Т.П.Привалова : моногр. - Челябинск : Изд-во ЧГТУ, 1996. - 275 с.
3. Гурьянов, А. Трубки завтрашнего мира [Текст] / А. Гурьянов // Наука и жизнь. - 2010. - №2. - С. 16-20.
4. Золотухин, И.В. Замечательные качества углеродных нанотрубок [Текст] / И.В. Золотухин, Ю.Е. Калинин // Природа. - 2004. - №5. - С. 23-30.
5. Иванов, И.П. Как расщепляют мгновение [Электронный ресурс] // RuTube : http://rutube.ru (дата обращения: 28.05.2011).
6. Лауреаты Нобелевской премии в области физики [Электронный ресурс] // Википедия : http://ru.wikipedia.org/wiki/Нобелевская_премия_по_физике (дата обращения: 28.05.2011).
7. Малинецкий, Г.Г. Доклад о перспективах РФ [Электронный ресурс] // NANO NEWS NEN : сайт о нанотехнологиях в России. 2009. 30 июня : http://www.nanonewsnet.ru (дата обращения: 22.05.2011).
8. Нанотрубки или графен: битва за будущее электроники [Электронный ресурс] // Круглый стол «ИКТ в ТЭК 2010: проблемы и решения» 28 сентября : http://www.cnews.ru (дата обращения: 22.05.2011).
9. Посягина, Т.А. Формирование системных познавательных умений студентов технического вуза : дис. ...канд. пед. наук / Т.А. Посягина. - Уфа, 2009. - 165 с.
10. Рамбиди, Н.Г. Физические и химические основы нанотехнологий [Текст] / Н.Г. Рамбиди, А.В. Березкин : учеб. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 456 с.
11. Тиходеев, С.Г. С6о - футбольный мяч для физиков и химиков [Текст] / С.Г. Тиходеев // Наука и жизнь. -1992. - №7. - С. 8-11.
12. Шудегов, В.Е. Наноструктуры, наноматериалы и нанотехнологии. Пути применения в промышленности [Текст] / В.Е. Шудегов, Ю.С. Митрохин // Нанотехнологии. Экология. Производство. - 2009. - №2. - С. 110-114.
13. Третьяков, Ю. Д. Проблема развития нанотехнологий в России и за рубежом [Текст] / Ю.Д. Третьяков // Вестник Российской академии наук. - 2007. - №1(Т. 77). - С. 3-10.
14. Фельдштейн, Д.И. Психолого-педагогические основания современного образования [Текст] / Д.И. Фельдштейн // Профессиональное образование. Столица. - 2011. - №2. - С. 2-7.
15. Штейнберг, В.Э. Дидактические многомерные инструменты: Теория, методика, практика [Текст] / В.Э.Штейнберг. - М. : Народное образование, 2002. - 304 с.
