Актуализация научных основ и методов нанотехнологий в обучении физике
Актуализация научных основ и методов нанотехнологий в обучении физике
Аннотация
Ставится задача и раскрываются выявленные возможности актуализации научных основ и методов современных технологий в обучении физике посредством активизации его информационного и методологического ресурсов. Для активизации каждого из указанных ресурсов определяются и с дидактических и методологических позиций обосновываются ориентиры, подходы и методические приемы. В организационном плане в ряду выделенных как целесообразные средств обучения приоритет придается решению проблемных задач в логике исследовательской и проектной (проектно-исследовательской) деятельности. С опорой на предметный материал научных основ и методов нанотехнологий, используемых в технике и медицине, показываются открываемые реализацией предлагаемых рекомендаций возможности, имеющиеся проблемы и пути их преодоления.
1. Введение
Достижение одной из основных целей современного физического образования – создания базиса для освоения новых технологий с необходимостью требует актуализации их научных основ и методов в содержании и организации обучения. В настоящей работе предлагаются выработанные с дидактических и методологических позиций подходы к решению этой задачи применительно к обучению физике. Основанием для последнего является выдающаяся роль физических наук как теоретической основы, направляющей проектирования и инструментальной базы современных наукоемких технологий и разработанность методологии обучения физике в плане интеграции фундаментальной и прикладной составляющих его содержания .
В качестве опорного предметного материала в работе выступают научные основы и методы нанотехнологий, используемых в технике и медицине , , . Выбор этого предметного материала обусловлен высоким уровнем значимости и продуктивности нанотехнологий в современном научно-технологическом развитии и апробированностью их освоения в практике обучения физике в вузах и организации проектно-исследовательской деятельности обучающихся в системе довузовского образования.
В результате проведенного анализа выяснено, что необходимым условием и средством актуализации научных основ и методов нанотехнологий в обучении физике является активизация в ее интересах – информационного и методологического образовательных ресурсов. Изложим выявленные возможности и предлагаемые методические приемы конструктивного использования этих ресурсов последовательно.
2. Информационный ресурс
Основные предпосылки для активизации этого ресурса в контексте поставленной в работе задачи состоят в следующем. Во-первых, в том, что актуальные нанотехнологии в научном плане в значительной степени базируются на традиционно изучаемых в курсе физики представлениях. Во-вторых, в эффективности осуществления проектирования в развитии нанотехнологий на физическом уровне (например, ).
Активизация информационного ресурса обучения физике позволяет интегрировать в его содержание новый, требуемый для освоения материал без сколь-нибудь существенного увеличения учебного времени. Это обеспечивается рядом предлагаемых методических приемов, к основным из которых относятся следующие:
- ориентация в анализе традиционно изучаемых моделей на представляющие интерес объекты нанометровых размеров на предмет выявления особенностей и инженерного потенциала применения их свойств;
- расширение области применения осваиваемых методов анализа и прогнозирования свойств изучаемых структур на предмет овладения методами научной инженерии в разработке функциональных структур с требуемыми свойствами и освоения физических основ методов нанодиагностики;
- применение в формировании подлежащих освоению понятий и модельных представлений метода аналогий.
Спектр могущих быть сформированными с использованием указанных методических приемов знаний охватывает физику квантово-размерных структур, гетеропереходов, сверхрешеток, фотонных кристаллов, методов высокоразрешающей зондовой микроскопии , .
В плане выбора содержания обучения отметим несколько существенных моментов. Во-первых, необходимость его осуществления сообразно приоритетам профессиональной подготовки. Так, в подготовке инженеров основное внимание должно концентрироваться на научных основах и методах получения и диагностики функциональных материалов и приборных структур, а при подготовке медицинских кадров – на бионанотехнологиях, направленных на лечение заболеваний.
Во-вторых, предпочтение должно отдаваться знаниям, которые уже являются основополагающими в развитии технологий и с обоснованной уверенностью будут таковыми в ближайшей и отдаленной перспективах, что отвечает опережающему обучению.
В-третьих, наличие возможности представления нового содержания в предписываемой дидактикой задачно-деятельностной форме, что создает условия для личностно-смысловой включенности и самостоятельности обучающихся в познавательной деятельности, а также сущностного освоения ими представляемой информации.
Требуемая в интересах интеграции в содержание обучения физике научных основ и методов нанотехнологии активизация его информационного ресурса должна осуществляться в содержании обучения систематично, сообразно приоритетам преподаваемых дисциплин и познавательным возможностям обучающихся.
Так, преследуя цели обучения основам физики и технологии перспективных как функциональные элементы современных устройств электроники и фотоники квантовых точек на этапе обучения общей физике следует ограничиться отражением предопределяющих научный и практический интерес электронных свойств, а в следующих, профессионально ориентированных дисциплинах по физическим основам электроники – методов формирования и диагностики квантовых точек с требуемыми свойствами и направлений их практического применения. Активизации при этом подлежат соответственно фундаментальные модели квантовой физики и модельные представления, лежащие в основе принципа действия технических устройств и используемых в их проектировании методов научной инженерии.
3. Методологический ресурс
Будучи отвечающим сформированной в физике триаде – экспериментальная, теоретическая, компьютерная физика – содержание физического образования с необходимостью охватывает всю совокупность методов научно-технологического решения задач. Это предопределяет целесообразность активизации методологического ресурса обучения физике на предмет формирования у обучающихся требуемой в освоении, производстве и применении научных знаний культуры деятельности.
Для того чтобы активизация методологического ресурса была результативной, необходимо выполнение в практике обучения физике ряда следующих условий.
Во-первых, осуществления в содержании обучения детального анализа процессуальной структуры практикоориентированных научных исследований и проектов, приведших к профессионально значимым результатам. Разбор таких структур должен демонстрировать, с одной стороны, общность операциональных компонентов, а с другой стороны проявляемые отличия от отвечающей классической методологии научного познания логико-операциональной структуры – характерную для современной научно-технологической деятельности нелинейность методологии.
Во-вторых, выразительной предметной демонстрации в содержании обучения потенциала физических знаний в разработке научных основ, принятии и реализации технических решений. Центральное место здесь должны занимать осуществление выработки и конструктивное применение теоретической концепции, могущей служить основанием для таких решений и определения перспектив дальнейшего развития.
В-третьих, обучение методам решения проблемных задач. Особого внимания здесь заслуживает обучения моделированию реальных объектов и процессов как с необходимостью востребованного во всех методах и являющегося связующим между экспериментом, теорией и практикой , . Методологический ресурс моделирования может раскрываться не только в аналитическом, но и в экспериментальном решении задач как средство обоснования выбора метода эксперимента, интерпретации его результатов и выявления их практического значения.
Наконец, широкомасштабное использование в организации обучения исследовательского и проектного (проектно-исследовательского) методов как обеспечивающих полноту и целостность осваиваемой обучающимися методологии научно-технологической деятельности. В общем плане, это отвечает развитым в педагогике и психологии представлениям о цели образования как приобретения всего спектра существующих видов деятельности и самом образовании как постоянной реорганизации и перестройке опыта, в ходе чего формируются умения применения способностей к новым целям .
Реализация методологического ресурса обучения физике, как и информационного, требует систематичности в осуществлении, соблюдения отвечающей приросту у обучающихся знаний о деятельности динамики. На этапе обучения общей физике освоению должны подлежать базовые физические методы, а в преподавании последующих физических дисциплин должно быть востребовано конструктивное применение освоенных методов в решении профессионально значимых задач практикоориентированной познавательной деятельности.
Конкретизируем сказанное на примере обучения методам сканирующей зондовой микроскопии, ставшему доступным благодаря разработке и производству могущего быть использованным в образовательных целях оборудования . На этапе изучения общей физике предлагаемые обучающимся задания могут ограничиваться деятельностным освоением методов и средств туннельной и атомно-силовой микроскопии, обоснованием и реализацией различных режимов сканирующих микроскопов, что уже предполагает существенную активизацию теоретических знаний и метода моделирования. На этапе же изучения профессионально ориентированных физических дисциплин выполняемая в рассматриваемом контексте задания могут представлять собой полномасштабные учебные исследования реальных, практически значимых объектов и процессов. Это требует задействования совокупности функциональных возможностей изучаемых методов и, соответственно, расширения активизируемых физических знаний и подходов к практическому применению. Результатом такой деятельности, как показывает опыт, может быть выход на решение актуальных задач в таких ответственных технологиях как космические .
4. Заключение
В заключение, отметим некоторые проблемные зоны в актуализации научных основ и методов современных технологий в обучении физике. Одна из них состоит в его ресурсообеспечении, главным образом, в дефиците соответствующих учебно-информационного и материально-технического обеспечения. В этой связи первостепенное значение имеют создание учебной литературы по физике, которая в должной мере отражало бы фундаментальные основы, логику и методологию научно-технологической деятельности, использование в образовательном процессе авторитетных первоисточников, таких как, например, отражающие выдающиеся достижения научно-технологического развития Нобелевские лекции XXI века, современные коллективные монографии (например, ), и оснащение учебных учреждений современным аналитическим и технологическим оборудованием.
Другая проблемная зона – подготовка педагогических кадров к обучению научным основам и методам нанотехнологий. Здесь особенно существенна подготовка к практикоориентированному проблемному обучению, научно методическому сопровождению поисково-познавательной деятельностью обучающихся, формирование умений раскрытия, развития и реализации конструктивных способностей обучающихся.