Место нанотехнологий в школьном курсе химии
Автор: Павлова Елена Сергеевна, Якушева Галина Ивановна
Журнал: Современная высшая школа: инновационный аспект @journal-rbiu
Рубрика: Инновационные технологии в вузе
Статья в выпуске: 3 (33), 2016 года.
Бесплатный доступ
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 нанотехнологического содержания в урок химии.
Нанотехнологии, нанотехнологическое образование, нанотехнологии в средней школе, урок химии, нанотехнологическое содержание, современные достижения науки, интеграция химии и нанотехнологий
Короткий адрес: https://sciup.org/14240056
IDR: 14240056
Текст научной статьи Место нанотехнологий в школьном курсе химии
В настоящее время деятельность многих ученых связана с такой областью науки, как нанотехнологии, уже сейчас широко используемой в промышленности и производстве. Нанотехнологическое 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 нанотехнологическим 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 нанотехнологий в общеобразовательной школе (И.В. Разумовская) [8]; пропедевтика нанотехнологий в школе с использованием метода проекта (О.П. Зайцева, Л.В. Моисеева) [4]; включение нанотехнологий в профильное обучение посредством элективных курсов, например «Введение в нанотехнологии» (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 нанотехнологий 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 «Нанохимия и нанотехнология») или включаться в содержание проектной и исследовательской деятельности учащихся (рис. 1).

Место нанотехнологий в школьном курсе химии
Рис. 1. Способы включения нанотехнологического содержания в учебный процесс
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 наночастиц 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).
Нанотехнологическое содержание

я о н ^
А ю о о я Я X я я
Е.С. Павлова, Г.И. Якушева
:Я О я о и я о и у я -ея яг и я

о д о Он я Ри я
и я н о я У о я я
Теоретическое

Применение наночастиц в различных областях человеческой деятельности
Д Я
я У о я Я я
-а
О Я т Я о У О
т о я X (D Я я р-X о о я я р. ч
я я я я я о 5
я ж о
№ О
1Я 0J
2 я к
и о я я я р X О
Я у я я X о
о я о
о я я и о м
я у я н и
о Я m
Рис. 2. Нанотехнологическое содержание на уроке химии
Первая содержательная линия показывает учащимся существование нанотехнологий еще до выделения их в отдельную
я р и н я о я
о я я я о
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 зондовой 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 наночастиц 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 нанотехнологического содержания, иллюстрирующим связь «строение - свойства - применение», является информация о наночастицах 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.
Место нанотехнологий в школьном курсе химии

Рис. 3. Нанотехнологическое и химическое содержание на примере алюминия, иллюстрирующее связь «строение – свойства – применение»
Сложность включения нанотехнологических знаний в курс химии заключается в невозможности увидеть нанообъекты с помощью обычного школьного оборудования. Для наглядности можно использовать многочисленные ролики, представленные в интернете, изображения объектов, полученные средствами электронного и зондового микроскопов.
Анализ содержания школьного курса химии показывает, что понятия нанотехнологий можно включать во все изучаемые разделы (общая, неорганическая, органическая химия). В качестве примера приведем интеграцию нанотехнологических знаний в курс общей химии (таблица 1).
Таблица 1. Интеграция нанотехнологического и химического содержания школьного курса химии (на примере общей химии)
Е.С. Павлова, Г.И. Якушева
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 нанотехнологии |
Значение нанотехнологий в современном мире |
|
Строение атома. Химическая связь |
|||
Строение атома |
Разработка электронного (1931 г.) и сканирующего зондового микроскопов (1986 г.) |
Изображения атомов, полученные методом сканирующей зондовой 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 нанотрубке, 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 гидроксида кальция и бария как основа защитных покрытий для реставрации живописи |
|
Соли |
Использование наночастиц 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 наночастиц, зависимость эффективности катализатора от наностроения его поверхностного слоя |
Углерод - универсальный катализатор (угольный фильтр для очистки от выхлопных газов). Применение нанокатализаторов. Реакции, катализируемые нанокластерами, - триме-ризация ацетилена при комнатной температуре, окисление SO 2 и др. |
|
Окислитель-но-восстано-вительные реакции. Химические источники тока. Электролиз. Коррозия металлов |
Образование наночастиц серебра при разложении галогенида серебра под действием света – основа фотографии (XVIII-XIX вв.) |
Особенность коррозии наночастиц |
Использование наноструктурных материалов в электродах. Наноаккумуляторы водорода на основе карбида титана. Нанобатареи |
Место нанотехнологий в школьном курсе химии
Химическое содержание |
Нанотехнологическое содержание |
||
Историческое |
Теоретическое |
Прикладное |
|
Дисперсные 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 |
Е.С. Павлова, Г.И. Якушева
Можно выделить следующие формы реализации интегрируемого нанотехнологического 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 KFe[Fe(CN)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 нанотехнологического 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 нанотехнологического 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 нанотехнологического 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.
Список литературы Место нанотехнологий в школьном курсе химии
- 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.
- Байтимирова А.Т. Характеристика процесса развития профессионального интереса учащихся гимназии//Современная высшая школа: инновационный аспект. -2013. -№1. С. 76-80.
- 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.
- Зайцева О.П., Моисеева Л.В. Пропедевтика нанотехнологий в школе с использованием метода проектов//Педагогическое образование в России. -2012. -№1. С. 33-36.
- Латухина Н.В., Спирина О.К. Введение в нанотехнологии: элективный курс для учащихся средней школы//Математическая физика и нанотехнологии: материалы и доклады Международной методологической школыконференции. -Сер. «Современные проблемы математической физики». -2010. -№1. С. 60-63.
- Никифоров В.Н. Медицинские применения магнитных наночастиц//Известия Академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. -2013. -№1. С. 23-34.
- Проблемы современной нанотехнологии: учебно-метод. пособие/сост. Н.В. Губина, И.Б. Морзунова, Е.Н. Тихонова. -М.: Дрофа, 2010. -270 с.
- Разумовская И.В. Социальная значимость изучения основ нанотехнологии в общеобразовательной школе//Молодой ученый. -2015. -14.1. С. 22-27.
- Уильямс Л., Адамс У. Нанотехнологии без тайн. -М.: Эксмо, 2010. -368 с.
- Чувелева Е.В., Козлова А.В. Нанотехнологии в учебном процессе. -М.: Центр Педагогический поиск, 2011. -128 с.