28 Апр

ИНТЕГРАЦИЯ ХИМИИ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ КАК СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ УЧАЩИХСЯ О СОВРЕМЕННЫХ ДОСТИЖЕНИЯХ НАУКИ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Образование должно соответствовать современному уровню развития науки, техники и культуры. Согласно ФГОС ООО одним из личностных результатов освоения основной образовательной программы основного общего образования является «сформированность целостного мировоззрения, соответствующего современному уровню развития науки и общественной практики …». Анализ школьных учебников по химии показывает практически полное отсутствие в них информации о современных достижениях науки. Просветительская функция полностью ложится на плечи учителя.

В настоящее время деятельность многих ученых связана с такой областью, как нанотехнологии, появление которых называют третьей научно-технической революцией [3, с. 22]. Уже сейчас они широко используются в промышленности и производстве. Наш выбор пал именно на нанотехнологии, так как это междисциплинарная область, находящаяся на стыке таких наук, как физика, химия, биология, экология, информатика.

В школе нанотехнологии могут изучаться отдельно, в виде спецкурса, факультатива, элективного курса, или на уроках физики, химии, биологии. Можно включать нанотехнологическое содержание в исследовательскую деятельность учащихся, однако это не имеет массового характера и возникает сложность с постановкой эксперимента. Рассмотрим, как можно интегрировать химические и нанотехнологические знания на уроках химии.

Анализ содержания школьного курса химии показывает, что понятия нанотехнологий можно включать во все изучаемые разделы (общая, неорганическая, органическая химия) (таблица 1).

Таблица 1.

Анализ школьного курса химии и понятий нанотехнологии

Раздел курса химии Основные понятия курса химии Основные понятия нанотехнологии
Строение атома Атом, изотопы, строение атома, размеры атомов Нано-, наночастица, кластеры, квантовые точки, размеры, масса, свойства. Магические числа, процесс самоорганизации. Области применения кластеров
Химическая связь Ковалентная связь, орбитали, валентный угол, гибридизация Фуллерены, углеродные нанотрубки, графен (история открытия, строение, свойства, способы получения, области применения)
Химические реакции.

Скорость реакции, ее зависимость от различных факторов, катализ

Химическая активность, энергия активации, гомо- и гетерогенный катализ, катализаторы Высокая химическая активность наночастиц, углерод – универсальный катализатор (угольный фильтр для очистки от выхлопных газов), зависимость эффективности катализатора от наностроения его поверхностного слоя. Нанокатализаторы
Растворы Дисперсные системы, золи, гели, коллоиды Коллоидные растворы наночастиц золота и серебра, способы получения, свойства, области применения
Металлы Металлы I,IIA-группы, алюминий, железо; понятие о коррозии металлов, способы защиты от коррозии Способность наночастиц оксида цинка поглощать электромагнитное излучение. Высокая активность наночастиц алюминия; мембрана из ферроксана (керамики на основе оксидов железа) и алюмоксана (керамики на основе оксида алюминия) для очистки воды; ферромагнитные жидкости; защитные наноструктурированные покрытия
Неметаллы Неметаллы IV-VIIA-групп. Аллотропия углерода. Силикатная промышленность, керамика Аллотропные модификации углерода (фуллерен, углеродные нанотрубки, графен и другие). Нанокомпозиты на основе керамики. Нанокерамика, особые свойства наностекла
Органическая химия

Азотсодержащие соединения. Полимеры

Белки. Пластмассы, волокна, каучуки Моторы на основе ДНК, биосовместимые материалы. Нанокомпозиты на основе пластмасс
Химия окружающей среды Химическое загрязнение окружающей среды и его последствия, виды загрязнителей Токсичность наночастиц.

Альтернативные источники энергии, безотходное производство, новые способы утилизации отходов

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. Особое внимание следует уделять, на наш взгляд, вопросам применения достижений нанотехнологий в различных областях: медицина, энергетика, военное дело, охрана окружающей среды и др.

Остановимся на нескольких примерах включения нанотехнологических знаний при изучении отдельных тем курса химии.

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 размеры частиц и расстояние между ними имеют огромное значение для эффективности катализатора. Так, учеными было доказано, что упорядочение нанокристаллической платины высотой 15-20 нм на расстоянии 100 нм позволяет увеличить каталитическую способность в 20 раз по сравнению с таким же количеством сплошной платины [4, с. 185]. Такие открытия позволяют ученым создавать сверхэффективные катализаторы, что имеет большое значение для химической промышленности.

При изучении химии d-металлов (9 класс) 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 [2, с. 32].

В средней школе при изучении свойств дисперсных систем можно расширить представления учащихся о наночастицах железа, рассмотрев вопросы применения ферромагнитной жидкости – коллоидной системы, состоящей из наночастиц магнетита или ферритов, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой фазе, в качестве которой обычно выступают вода, этанол, углеводороды или силиконы. Магнитная жидкость находит широкое применение в современной промышленности: преобразование механической энергии в электрическую, отвод тепла от звуковой катушки в некоторых высокочастотных динамиках, создание жидких уплотнительных устройств, снижение трения и улучшение возможностей подвески в машиностроении и др. Следует обсудить с учащимися также перспективы применения магнитной жидкости. Например, в настоящее время ведутся эксперименты по использованию ферромагнитных жидкостей для удаления опухолей [2, с. 24].

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 как природные (лесные пожары, извержения вулканов, песчаные бури и т.д.), так 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, с. 6]. Обязательно следует отметить учащимся и современные исследования в области применения наноматериалов, например, мембран из ферроксана или алюмоксана, для очистки воды и воздуха от загрязнений [4, с. 143].

Проведенное анкетирование учащихся МОБУ «Лицей №5» г. Оренбурга показало, что они интересуются современными достижениями в науке, в том числе и в области нанотехнологий. К концу 11 класса осведомленность учащихся о конкретных исследованиях по нанотехнологиям значительно повысилась по сравнению с 8 классом.

Таким образом, включение нанотехнологического содержания в школьный курс химии позволяет сформировать у учащихся представления о современных достижениях науки, показывает возможные перспективы ее дальнейшего развития, в том числе, возможно, и с активным участием будущих выпускников.

Список литературы:

  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. Никифоров В.Н. Медицинские применения магнитных наночастиц // Известия Академии инженерных наук им. А.М. Прохорова. – 2013. – №1. – С. 23-34
  3. Разумовская И.В. Социальная значимость изучения основ нанотехнологии в общеобразовательной школе //Молодой ученый. – 2015. – 14.1. – С. 22-27
  4. Уильямс Л. Нанотехнологии без тайн. – М.: Эксмо, 2010. – 368 с.
    ИНТЕГРАЦИЯ ХИМИИ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ КАК СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ УЧАЩИХСЯ О СОВРЕМЕННЫХ ДОСТИЖЕНИЯХ НАУКИ
    Формирование представлений учащихся о современных достижениях в науке – важная задача учителя. Одним из способов ее решения является интеграция химии и нанотехнологии в школе. В статье представлен анализ школьного курса химии на возможность включения в него основ нанотехнологий и приведены конкретные примеры.
    Written by: Павлова Елена Сергеевна
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 12/19/2016
    Edition: euroasia-science_28.04.2016_4(25)
    Available in: Ebook