Современная система университетского образования требует

Содержание
№ п/п
1
Наименование
Стр.
Введение
2
Межпредметные связи в учебной деятельности техниче-
5
ских вузов
1.1.
Понятие и классификация межпредметных связей
7
1.2.
Типы междисциплинарных связей
9
1.3
Уровни организации учебного процесса на основе меж-
11
дисциплинарных связей
1.4
Планирование межпредметных связей
14
2.
Теоретические аспекты формирования профессиональной
17
компетентности студентов технических вузов
3.
Цели создания междисциплинарных учебных комплексов
22
4
Задачи междисциплинарных программ
26
Приложение Методика проведения лекционных занятий по разделу
1
29
"Наноматериалы и нанотехнологии" при изучении дисциплины "Материаловедение"
Приложение Учебная программа по дисциплине «Новые и перспектив2
ные авиационные материалы и технологии»
Приложение Учебная программа дисциплины дополнительного про3
63
74
фессионального образования «Перспективные материалы
для авиационной техники»
1
Введение
Человеку, неискушенному в скучных научных изысканиях, свойственно
верить в чудеса и искать универсальные средства для достижения всех своих
желаний. Сейчас в качестве своеобразной панацеи выступают нанотехнологии.
Исследовательские работы последних 10-15 лет действительно открыли важную роль нанотехнологий в различных областях науки и техники (информационных технологиях, медицине, физике, химии, материаловедении, биологии,
экологии и т. д.). Произошла своеобразная революция, поскольку нанотехнологический подход означает целенаправленное регулирование свойств объектов
на молекулярном и надмолекулярном уровне, что не было реализуемо еще несколько лет назад. Возникновение нанотехнологий и исследование наноматериалов глубоко закономерно. Сначала были путешествия, великие географические открытия и новые торговые пути. Человек изучил сполна два измерения
нашего пространства - географические широту и долготу. Затем разнообразные
капитаны Немо исследовали глубины океана, а Юрий Гагарин вышел за рамки
Земли - человек начал покорять Космос. Людям покорилось третье измерение.
Потом мы научились изучать геологические и космические события, длящиеся
миллиарды лет, а также фемтосекундные процессы, на порядки величины более
быстрые, чем выстрел или удар молнии. Это уже четвертое измерение, дающее
ключ к пониманию основных процессов мироздания. На рубеже ХХ и ХХI веков случилось, наконец, новое чудо мы вплотную приблизились к покорению
пятого измерения - Микромира, что и ознаменовалось возникновением нанотехнологий.
Осуществляемый российской экономикой переход на инновационный
путь развития ставит перед высшей школой задачу повышения качества образования. При этом инновационная экономика предъявляет особые требования к
подготовке выпускников технических вузов, которые должны способствовать
развитию высокотехнологичных производств.
2
Актуальной задачей, стоящей сегодня перед высшим профессиональным образованием, становится практическая реализация компетентностного подхода. С
введением новых образовательных стандартов третьего поколения ФГОС ВПО,
обеспечивающих взаимосвязь фундаментальной и практической подготовки, в
технических вузах требуется обновление содержания, форм, методов и средств
обучения с позиции компетентностного подхода.
В настоящее время среди исследователей есть понимание того, что формирование профессиональной компетентности выпускника технического вуза
невозможно без осуществления профессионально направленного (контекстного) обучения, при котором моделируется профессиональный и социальный контекст будущей инженерной деятельности, а также без применения междисциплинарной интеграции.
Важная роль междисциплинарной интеграции в обучении стала особенно
очевидна на фоне интеграционных процессов, происходящих в современной
науке и технике. В последние годы в результате междисциплинарного научного
синтеза, соединения знаний из различных областей науки появились фундаментальные научные достижения, которые способны стать основой инновационных технологий производства. Будущий инженер должен уметь комплексно
применять знания различных дисциплин в профессиональной деятельности.
Современная система университетского образования требует развития
междисциплинарных естественнонаучных связей, в первую очередь, разработки инновационных подходов преподавания в РФ науки о материалах, которая
чрезвычайно популярна в силу высокой инновационной отдачи исследований в
данной области.
Последнее десятилетие для высшей школы России принесло осознание
того, что цели, стоящие перед образовательной системой, определяются рынком труда. В научных исследованиях и нормативно-правовой документации,
регламентирующей образовательную деятельность, в качестве основной задачи
декларируется формирование профессиональных компетенций.
3
Компетенция представляет собой интегрированное понятие и выражает
способность применять элементы знаний и умений в самых различных ситуациях, способность делать что-либо компетентно, т.е. предвидя или прогнозируя
результат этой деятельности. Для этого в структуре учебного процесса должны
быть отражены сложность и многообразие профессионально значимых объектов и ситуаций, их принципиальную несводимость к сумме своих отдельных
предметных сущностей. К сожалению, сложившаяся предметная или дисциплинарная система профессионального обучения формирует определенные
противоречия между разрозненными по учебным предметам знаниями и противоречия между профессиональной компетентностью как интегральной характеристикой качества обучения и средствами ее формирования в рамках отдельных учебных предметов.
Указанные противоречия могут быть устранены лишь за счет педагогической интеграции содержания образования, за счет сознательного формирования
и усиления в учебном процессе междисциплинарных или межпредметных связей. Межпредметные связи (МПС) разрешают существующие в предметной системе обучения противоречие между разрозненным усвоением разнопредметных знаний и необходимостью их последующего синтеза и комплексного применения в практике и профессиональной деятельности. Однако анализ МПС,
способы их формирования и внедрения в учебный процесс в контексте компетентностного обучения в литературе практически отсутствуют.
«Наука о материалах» принципиально отличается от традиционного «материаловедения», являющегося прагматически ориентированной дисциплиной,
которую преподают исключительно в технических и технологических вузах с
целью подготовки узких специалистов, нацеленных на разработку и эксплуатацию определенного сорта техники и промышленных технологий.
Интерес к проблеме межпредметных связей не случаен: современные
требования рынка труда предполагают существенные изменения содержания и
методов обучения. Эти изменения вызваны важными процессами современного
развития наук - их интеграции и дифференциации. Фундаментальные знания,
4
заложенные общим образованием, развиваются по мере приобретения общих
представлений на производстве. Знание приобретает конкретное содержание
благодаря профессиональному образованию, несущему информацию о конкретных производственных процессах.
1. Межпредметные связи в учебной деятельности технических вузов
Межпредметные связи в профессиональном обучении являются конкретным выражением интеграционных процессов, происходящих сегодня в науке и
жизни общества. Эти связи играют важную роль в повышении практической и
научно-теоретической подготовки обучающихся, существенной особенностью
которой является овладение ими обобщенным характером познавательной деятельности. Обобщенность же дает возможность применять знание и умение в
конкретных ситуациях, при рассмотрении частных вопросов, как в учебной, так
и в производственной деятельности.
С помощью многосторонних межпредметных связей не только на качественно новом уровне решаются задачи обучения, развития и воспитания обучающихся, но также закладывается фундамент для комплексного видения, подхода и решения сложных проблем реальной действительности. Именно поэтому
межпредметные связи являются важным условием и результатом комплексного
подхода в обучении и воспитании обучающихся в учебных заведениях.
Соединение общего и профессионального образования составляет дидактическую основу межпредметных связей. Такие связи подготавливают обучающихся к овладению в совершенстве любой профессией.
Для того чтобы общеобразовательные и общетехнические предметы приблизить к целям и задачам учебного заведения, они должны носить профессиональную направленностью. Такое преподавание должно способствовать развитию у обучающихся способностей, необходимых для овладения профессиональными навыками, профессиональным опытом.
5
Определять профессиональную направленность общеобразовательных и
общетехнических дисциплин должно содержание профессиональной образовательной программы. Выделение в курсах общеобразовательных предметов материала, применяющегося на уроках специальных дисциплин и производственного обучения, насыщение занятий задачами, примерами, проблемными вопросами и ситуациями производственного характера будет способствовать воспитанию у обучающихся ценностного отношения к своей профессии. Каждый
предмет должен сохранять свою самостоятельность; связь должна быть систематической, пронизывающей весь учебно-воспитательный процесс; она призвана содействовать углублению и закреплению ранее полученных знаний обучающихся, развитию их познавательных интересов и активности мыслительной
деятельности, умению комплексно применять знания различных предметов в
процессе теоретического и производственного обучения.
Учебные программы должны учитывать цели и задачи базовых предприятий. Это даст возможность обучающимся в дальнейшем быстро адаптироваться
в производственных условиях.
Основой межпредметных связей должна являться профессиональноквалификационная характеристика будущего специалиста.
Обучающиеся старших курсов за короткий семестровый период получают большой объём знаний и информаций по ранее незнакомым спецдисциплинам. При этом им необходимо сконцентрировать и объединить разнообразные
знания, умения, навыки теоретического, лабораторного и практического курса.
Всё это обучающимися должно восприниматься как единый взаимосвязанный
комплекс.
Обучаемый должен соотносить знания, полученные в аудитории, по различным спецдисциплинам, и устанавливать связь между ними, что самостоятельно обучающемуся сделать достаточно трудно.
6
1.1. Понятие и классификация межпредметных связей
Прежде, чем приступить к рассмотрению этих направлений реализации
межпредметных связей в процессе обучения, было бы целесообразно определить содержание самого понятия «межпредметные связи». Анализ психологопедагогической литературы позволяет нам сделать вывод о том, что на современном этапе развития педагогической науки и практики нет единого толкования этого понятия. Это очевидно связано с тем, что оно относится к общедидактическим понятиям.
Психологи рассматривают это понятие, опираясь на специфику своего
предмета, дидакты и методисты определяют «межпредметные связи» либо как
дидактическое условие, либо как принцип дидактики, физиологи трактуют его
исходя из физиологических процессов в организме человека, и т.д.
Исходя из анализа данных подходов, межпредметные связи - общедидактическое понятие, имеющее различный статус в дидактике в зависимости от
уровня изучения окружающего мира, а именно:
- межпредметные связи являются отражением межнаучных связей в учебном процессе (на уровне дидактического явления);
- межпредметные связи являются средством, обеспечивающим взаимную
согласованность учебных программ и учебников по разным предметам с целью
повышения научного уровня преподавания основ наук, формирования диалектического мировоззрения учащихся, развития их творческих способностей (на
уровне дидактического условия).
- межпредметные связи являются фактором взаимодействия наук в процессе формирования диалектического мировоззрения учащихся и роста их
творческих способностей (на уровне дидактического процесса).
- межпредметные связи являются интегрирующим звеном в системе дидактических принципов: научности, систематичности, целостности, преемственности и т.д., так как определяют целевую направленность всех вышеперечисленных принципов на формирование в сознании человека целостной системы зна7
ний о природе и обществе и также как и принципы преемственности, единства
сознания, личности, деятельности являются основополагающими в целостной
системе дидактических принципов (на уровне дидактического принципа).
- межпредметные знания являются самостоятельной областью дидактических знаний, имеющей психолого-педагогическое обоснование и характеризующейся целостной структурой принципов, методов и средств обучения, с помощью которых формируется новый тип знаний - «межпредметных знаний», позволяющий развивать концептуальный стиль мышления учащихся, характеризующийся целостным видением окружающего мира (на уровне методологии).
Проведенные исследования показали, что в основе системы профессиональной подготовки будущего специалиста должен лежать дидактический принцип межпредметных связей с его нормативными и сущностными функциями и
психологический принцип единства сознания, личности и деятельности.
Следует подчеркнуть, что в самом определении принципа межпредметных связей уже заложено понятие системности, так как его нормативные функции составляют динамичную систему управления развитием концептуального
стиля мышления обучающихся, т.е. целостного видения мира, через методически обоснованное интегральное использование учебных и научных дисциплин,
позволяющее охватить все стороны изучаемого предмета, явления или процесса, все его связи и отношения с явлениями окружающего мира.
Особое значение приобретают межпредметные связи в системе профессионального образования, где учебный и познавательный процесс должен строиться в органической связи с общеобразовательными, общепрофессиональными и специальными дисциплинами.
Можно выделить три модели межпредметных связей:
1) общеобразовательные дисциплины – спецдисциплины;
2) общепрофессиональные дисциплины – спецдисциплины;
3) спецдисциплины – спецдисциплины.
Системное применение межпредметных связей общеобразовательных,
общепрофессиональных и спецдисциплин развивает кругозор, глубину мышле8
ния, способствует быстрому восприятию происходящих явлений изучаемого
материала и помогает развивать навыки использования потенциальных знаний
в прикладных дисциплинах.
При установлении и реализации межпредметных связей на том или ином
уровне необходимо:
1. Исходя из темы, четко формулировать учебно-познавательную цель и
образовательные, развивающие и воспитательные задачи, направленные на
усвоение ведущих положений и основных знаний изучаемой темы;
2. Обеспечивать активность обучающихся по применению знаний из других дисциплин;
3. Объяснять причинно-следственные связи, сущности изучаемых явлений и процессов;
4. Содержать выводы мировоззренческого, обобщенного характера, опирающиеся на связь знаний из разных дисциплин;
5. Нацеливать на обобщение определенных разделов учебного материала,
изучаемого в разных дисциплинах.
Целесообразно использовать разнообразные формы организации обучения, обеспечивающие функции межпредметных связей: комплексное домашнее
задание, урок-лекция, урок-путешествие, урок-экспедиция, урок-исследование,
урок-инсценировка, учебная конференция, урок-экскурсия, мультимедиа- урок,
проблемный урок.
1.2. Типы междисциплинарных связей
Для формирования системного знания и разработки интегрированных
курсов можно выделить следующие типы междисциплинарных связей:
1. Учебно-междисциплинарные прямые связи. Они возникают в случае,
если усвоение одной дисциплины базируется на знании другой. При изучении
определяется базисное ядро знаний по каждой дисциплине, ее тезаурус, структура связей дисциплин. Возможна разработка по каждой дисциплине пакета те9
стовых заданий входного контроля знаний; адаптивные программы автоматизированного обучения по восполнению пробелов базисных знаний обучающихся; пакет заданий итогового контроля по каждой дисциплине; методика сквозного контроля и восполнения пробелов знаний в течение всего курса обучения.
Например, гуманитарные дисциплины: история, литература, обществознание, культурология - тесно связаны между собой. Интегрированные занятия
по истории и литературе позволяют изучать исторические события через произведения литературы, через судьбы литературных героев.
2. Исследователъско-междисциплинарные связи проблемного характера.
Возникают тогда, когда две (или более) дисциплины имеют общий объект исследования или общие проблемы, но рассматриваются с разных дисциплинарных подходов, в различных аспектах.
3. Ментально-опосредованные связи возникают в том случае, когда средствами разных учебных дисциплин формируются одни и те же компоненты, интеллектуальные умения, необходимые в профессиональной деятельности. Здесь
используют методы анализа, системного мышления, пространственного воображения, образно-интуитивного мышления, методы решения эвристических задач. Ментально-опосредованные связи возникают при изучении общеинженерных и профессиональных дисциплин. Они касаются процессуальной стороны
преподавания, развивают профессионально-интеллектуальные умения.
4. Опосредованно-прикладные связи формируются тогда, когда понятия
одной науки используются при изучении другой.
Как показывает практика работы, межпредметные связи осуществляются
преподавателями:
- на отдельных занятиях (эпизодические) - первый уровень;
- в системе занятий (частно-системные) - второй уровень;
- постоянно (системные) - третий уровень.
Третий уровень наиболее оптимален и эффективен, так как очень важно,
чтобы обучающиеся видели в работе преподавателя и в его деятельности определенную систему. Однако важно учитывать то, что применение межпредмет10
ных связей не должно создавать перегрузок обучающимся, а способствовало бы
формированию у них естественнонаучного мировоззрения.
1.3. Уровни организации учебного процесса на основе междисциплинарных связей
Выделяются следующие уровни организации учебного процесса на основе междисциплинарных связей:
- урочный (обобщающие уроки, учебные темы);
- тематический - вся система занятий учебной темы подчиняется решению крупной междисциплинарной проблемы (связь с другими дисциплинами,
курсами);
- сквозной - система занятий, охватывающих несколько учебных тем разных курсов;
- внутрицикловой (например, одна и та же тема в разных дисциплинах);
- межцикловой (разные дисциплины = общие темы = дополняют друг
друга) - конкретизация учебного материала в ракурсе межпредметной системы.
Программа - основной документ, по которому организуется весь учебный
процесс на занятии. Она раскрывает цели и задачи изучения дисциплины, логику ее построения, регулирует преемственность отдельных ее частей, указывает
на тесную взаимосвязь с другими дисциплинами.
В содержание программы любой дисциплины входят:
- знания о природе, обществе, человеке и способах его деятельности;
- опыт осуществления известных способов деятельности, воплощающихся вместе со знаниями в навыки и умения личности;
- опыт творческой деятельности;
- опыт эмоционально-ценностных отношений к знаниям и действительности.
Все перечисленные элементы содержания образования присутствуют в
дисциплинах теоретического и профессиональных циклов. Каждый из них выполняет свою функцию в подготовке специалиста.
11
Так, овладение знаниями обеспечивает формирование целостной картины
мира, служит фундаментом мировоззрения, инструментом практической и познавательной деятельности человека. В содержание интегрированных программ
должны войти основные виды знаний, среди которых:
- основные понятия и термины, раскрывающие сущность конкретных
технических объектов и процессов;
- основные законы науки, раскрывающие связи и отношения между различными объектами и явлениями действительности;
- факты повседневной действительности, науки и техники, без знания которых невозможны убеждения;
- теории, содержащие систему научных знаний определенной совокупности объектов о связях между законами;
- знания о способах деятельности, методах познания и истории получения
знаний;
- оценочные знания, знания о нормах отношений в обществе .
Преподаватель должен обеспечить обучение различным видам знаний в
комплексе. Так как общетехнические дисциплины являются общими для целых
групп профессий, основными видами знаний в программе будут раскрытие
принципов, лежащих в основе производственных процессов, теоретические основы устройства и работы оборудования, свойства основных материалов, знания о системе машин, механизмов, аппаратов, о технологии и организации производства. Очень важно ознакомить обучающихся со знаниями о способах такой деятельности, как:
- анализ и проектирование технологических процессов;
- разбор и составление схем, выполнение расчетов, решение технических
задач, работа с технической литературой и нормативной документацией.
Специфика общетехнических дисциплин заключается в наличии тесной
связи с производственным обучением, а это значит, что полученные теоретические знания должны быть интегрированы в практическую деятельность обучающихся. Навыки и умения появляются у обучающихся только тогда, когда они
12
делают опыт, накопленный человечеством, своим в процессе собственной деятельности.
Результативность обучения на основе междисциплинарных связей выявляется на основании:
- умений обучающихся осуществлять междисциплинарный перенос знаний при решении познавательных и профессиональных задач, самостоятельно
решать крупные междисциплинарные проблемы (увидеть проблему, составить
план ее решения, отобрать нужные знания из разных предметов, обобщить их,
сделать выводы);
- мотивации учебно-познавательной деятельности обучающихся на основе междисциплинарных связей;
- степени трудности междисциплинарных заданий для обучающихся разных курсов и разной подготовки к установлению связей;
- степени осознанности междисциплинарных связей в обучении разным
дисциплинам.
Выявление и последующее осуществление необходимых и важных для
раскрытия ведущих положений учебных тем межпредметных связей позволяет:
а) доводить приобретенные знания до практического воплощения.
б) сосредоточить внимание преподавателей и обучающихся на узловых
аспектах учебных дисциплин, которые играют важную роль в раскрытии ведущих идей наук;
в) осуществлять поэтапную организацию работы по установлению межпредметных связей, постоянно усложняя познавательные задачи, расширяя поле действия творческой инициативы и познавательной самодеятельности
школьников, применяя все многообразие дидактических средств для эффективного осуществления многосторонних межпредметных связей;
г) формировать познавательные интересы обучающихся средствами самых различных учебных дисциплин в их органическом единстве;
д) осуществлять творческое сотрудничество между преподавателями и
обучающимися;
13
е) изучать важнейшие мировоззренческие проблемы и вопросы современности средствами различных дисциплин и наук в связи с жизнью.
ж) устранять дублирование при изучении одних и тех же вопросов на
уроках смежных дисциплин.
1.4. Планирование межпредметных связей
Содержание, объем, время и способы использования знаний из других
дисциплин можно определить только на основе планирования. Для этого необходимо тщательное изучение рекомендаций, данных учебными программами в
разделах “Межпредметные связи” по каждой учебной теме курса, а также изучение учебных планов и материала учебников смежных дисциплин.
В практике обучения сложились четыре основных способа планирования
межпредметных связей - сетевое, курсовое, тематическое и поурочное. Сетевое
планирование. Оно осуществляется председателем цикловой комиссии по
определенному циклу, группе дисциплин. Сетевое планирование имеет форму
графика или плана-карты, которые выявляют основные связи разных учебных
тем смежных курсов, показывают узловые темы с наибольшим числом связей с
другими дисциплинами. Сетевой график представляет собой модель учебного
процесса, которая ограждает содержание и объем учебной деятельности обучающихся в определенные отрезки времени и с учетом межпредметных связей.
Содержание и основные направления осуществления межпредметных
связей в образовательных учреждениях можно представить в виде следующей
системы:
1. Средства, при помощи которых осуществляются межпредметные связи:
а) сетевое планирование учебного процесса;
б) перспективно-тематическое планирование;
в) составление графиков взаимосвязи учебных дисциплин, производственного обучения;
г) группировка дисциплин в циклах.
14
2. Основные направления в осуществлении межпредметных связей:
а) разработка карточек – заданий;
б) изготовление наглядных пособий по межпредметным связям;
в) разработка комплексных заданий для прохождения производственного
обучения и практики.
3. Пути и формы осуществления межпредметных связей:
а) различные типы занятий;
б) кружки технического творчества;
в) комплексные экскурсии;
г) технические конференции, проводимые по новым технологиям, а также
групповые собрания по итогам производственной практики.
Применение межпредметных связей между специальными, общеобразовательными дисциплинами и производственным обучением способствует подготовке высококвалифицированных специалистов, конкурентоспособных на
рынке труда.
При изложении темы преподавателю необходимо рационально отбирать
учебный материал, опираясь на основополагающие законы и теории других
предметов и дисциплин.
Для достижения цели урока преподаватель может использовать не только
свои профессиональные, теоретические и практические знания, но и жизненный опыт.
Исходя из вышеизложенного, можно понять важность межпредметной
связи в формировании знаний студента. Каким образом на практике достичь
желаемого результата используя межпредметные связи?
Виды занятий с целью использования межпредметных связей.
1) бинарное занятие - учебное занятие, объединяющее содержание двух
предметов одного цикла (или образовательной области) в одном уроке. Особенностью такого занятия является то, что изложение, исследование проблемы
одного предмета находит продолжение в другом. При бинарном занятии меж-
15
предметные связи реализуются в процессе преподавания дисциплин одной образовательной области.
При проведении бинарного занятия одна и та же тема рассматривается
сразу двумя дисциплинами любого блока.
2) интегрированное занятие - учебное занятие, на котором обозначенная
тема рассматривается с различных точек зрения, средствами нескольких предметов (курсов). Ведут его два или даже несколько преподавателей.
При проведении интегрированного занятия тема по одной дисциплине
дополняется знаниями из другой дисциплины, но по теме, которая, опираясь на
предыдущие знания, дает более широкое познавательное формирование.
3) межпредметное занятие – эта форма занятий, при которой изучаемый
учебный материал иллюстрируется сведениями из других дисциплин, обеспечивая при этом синхронность обучения по пересекающимся темам нескольких
дисциплин, которые разделены по времени (семестры, курсы). Межпредметное
занятие, как правило, ведет один преподаватель.
4) производственная практика. Не надо забывать, что большую роль играют спецпредметы и производственное обучение. Когда теория и профессиональная практика ведутся в параллели это не что иное, как межпредметная связь.
Межпредметные связи позволяют:
1) развивать у обучающихся навыки использования знаний общеобразовательных и общепрофессиональных дисциплин для усвоения и понимания
спецдисциплин;
2) оптимизировать учебный процесс, используя элементы современных
педагогических и информационных технологий;
3) преподносить учебный материал, активизируя мыслительные способности обучаемых с использованием потенциала их знаний;
4) создавать возможности для интеграции наук, необходимых в будущей
деятельности специалистов в производстве и научной сфере.
Анализируя проблему межпредметных связей, можно сказать, что вся работа преподавателей по реализации межпредметных связей должна быть
16
направлена на создание у обучающихся продуктивной, единой по содержанию
и структуре системы знаний, умений, навыков – системы, которая помогала бы
им использовать всю сумму накопленных ими знаний при изучении любого
теоретического или практического вопроса.
Использование межпредметных связей в процессе подготовки к занятиям
требует значительного количества времени и взаимодействия всех преподавателей.
2. Теоретические аспекты формирования профессиональной компетентности студентов технических вузов
Компетентность можно определить как сформированное качество или совокупность качеств личности студента (знаний, умений и навыков, ценностносмысловых ориентаций, способностей, опыта), которые обеспечивают и усиливают его готовность успешно выполнять различные функции, связанные с профессиональной деятельностью.
Профессиональная компетентность - это сформированная совокупность
качеств личности студента технического вуза, которые в дальнейшем обеспечат
его готовность успешно выполнять функции, связанные с будущей профессиональной деятельностью.
К числу профессиональных компетентностей относится следующие качества личности:
1) способность применять знания из различных дисциплин в профессиональной деятельности;
2) уверенность студента в своих возможностях решать задачи профессиональной деятельности, комплексно применяя знания из различных дисциплин;
3) готовность к самообучению при изучении дисциплин;
4) опыт практического применения междисциплинарных задач в будущей
профессиональной деятельности.
Профессиональную компетентность необходимо развивать уже на
начальной стадии обучения студентов. В техническом вузе это можно выпол17
нить при помощи междисциплинарной интеграции. Междисциплинарная интеграция это взаимопроникновение содержания разных учебных дисциплин, как
объединение знания, убеждения и практического действия на всех этапах подготовки специалиста и создание единого образовательного пространства путем
использования инновационных педагогических методов, средств и организационных форм обучения.
Умение комплексного применения знаний, переноса идей и методов из
одной науки в другую, установление согласованности учебных программ и
учебного материала составляют требования по подготовке студентов к профессиональной деятельности. Эта проблема решается с помощью междисциплинарных связей. Выделим два вида междисциплинарных связей: 1. Фактические
(знания, умения, навыки учебного труда и познавательной деятельности, углубленное и расширенное восприятие студентами фактических данных); 2. Понятийные (осознанное усвоение теорий, входящих в содержание каждой изучаемой дисциплины).
Междисциплинарные связи профессиональной подготовки студентов в
вузе являются конкретным выражением интеграционных процессов, происходящих сегодня в науке и обществе. Эти связи играют важную роль в повышении практической и научно-теоретической подготовки студентов, существенной особенностью которой является овладение ими обобщенным характером
познавательной деятельности. С помощью использования междисциплинарных
связей не только на качественно новом уровне решаются задачи обучения, развития и воспитания студентов, но также закладывается фундамент для комплексного видения, подхода и решения сложных проблем реальной действительности. Именно поэтому междисциплинарные связи являются важным условием в обучении и воспитании студентов.
Междисциплинарная интеграция, однако, сталкивается с проблемой выявления и оценки междисциплинарных связей между дисциплинами. Важной
проблемой междисциплинарных связей является определение реального уровня
знаний студентов, получаемого ими на общенаучных кафедрах, требуемому
18
уровню их сформированности для изучения специальных дисциплин. Основы
общенаучных дисциплин служат знаниями, необходимыми для практического
использования специалистами только в том случае, если в вузовском обучении
будет соблюдаться преемственность между этими и специальными дисциплинами, если будет осуществляться междисциплинарная интеграция. Так, при переходе к техническим дисциплинам ранее усвоенные обучаемыми знания физико-математических понятий должны быть дополнены в новых логических связях, приближенных к получаемой ими специальности. Установление реального
уровня усвоения предмета или, проще говоря, оценки знаний является одной из
основных проблем педагогики. Поэтому предметом изучения количественной
оценки компетентности студентов является междисциплинарная интеграция.
На основе междисциплинарной интеграции была построена модель формирования профессиональной компетентности студентов технического вуза (рис. 1).
Эта модель состоит из следующих компонентов: целевого, содержательно-процессуального, диагностического, результативного и педагогических
условий. Целевой компонент определяет цель исследования, достижение которой позволяет определить завершенность процесса формирования профессиональной компетентности студентов технического вуза.
Содержательно – процессуальный компонент представляет собой совокупность организационных форм, реализуемых в целях формирования профессиональной компетентности студентов технических вузов. К ним относятся: практические занятия с использованием междисциплинарных задач, междисциплинарные
лабораторные
работы
с
использованием
ИКТ
(информационно-
коммуникационные технологии), междисциплинарные семинары – конференции.
19
Рис. 1. Модель формирования профессиональной компетентности студентов технических вузов
20
Диагностический компонент, основанный на установлении междисциплинарных связей в вузе. Диагностика проводится на наличие междисциплинарных связей в ФГОС ВПО (понятийные связи), в рабочих программах дисциплин вуза (понятийные связи). Фактические связи в процессе обучения студентов диагностирует преподаватель, имея возможность вносить коррективы в
обучение для более результативного развития профессиональной компетентности студентов, которых он обучает. При этом рассматриваются различные методы педагогического исследования для получения информации об уровне реализации междисциплинарных связей в обучении – фактически, об уровне их
усвоения студентами. Одним из методов получения информации такого рода
является метод корреляции оценок группы студентов по двум дисциплинам с
определенными междисциплинарными связями. При оценивании знаний студентов преподаватели учитывают как владениефактологическим материалом
(фактические связи), включая сюда понятия, теорию и методы наук, так и формирование навыков оперирования этими фактами, в том числе, умение строить
логические цели, связывающие факты и понятия из разных учебных дисциплин
(понятийные связи).
Важной составляющей модели формирования профессиональной компетентности студентов технических вузов являются педагогические условия. К
ним относятся: систематическое применение на практических занятиях междисциплинарных задач, промежуточная диагностика сформированных междисциплинарных связей (метод количественной оценки).
Результативный компонент определяет эффективность функционирования предлагаемой модели и учитывает формирование следующих качеств личности: сформированность знаний, умений и навыков из различных дисциплин;
способность и готовность применять знания из разных дисциплин в других
дисциплинах, а в дальнейшем и в профессиональной деятельности; сформированное позитивное личностное отношение к решению междисциплинарных задач; опыт практического применения междисциплинарных задач в будущей
профессиональной деятельности.
21
Таким образом, разработанная модель позволяет представить формирование профессиональной компетентности студентов технических вузов как целостный процесс, который может быть применен в любом вузе. Разработанная
модель стала основой для проведения опытно-экспериментальной работы по
формированию профессиональной компетентности студентов технических вузов, описанной во второй главе диссертации.
3. Цели создания междисциплинарных учебных комплексов
В российской педагогической литературе все компетенции делят на две
группы – универсальные и профессиональные. Под профессиональными компетенциями подразумевают возможность совершения профессионально значимых действий при выполнении изыскательских и проектно-конструкторских,
производственно-технологических, научно-исследовательских, производственно-управленческих, монтажных, эксплуатационных работ и решении соответствующих задач. Формирование и реализация профессиональных компетенций,
как показывает анализ научно-педагогической, учебно-методической литературы, происходит в процессе выполнения разнообразных видов деятельности на
основе базового компонента в структуре компетентности – когнитивного. Когнитивным фундаментом самых различных компетентностей являются обширные базы знаний, организованные в обобщенные схемы. Только опираясь на
них, можно осмыслить и компетентно решать профессиональные задачи и проблемы, возникающие в практической деятельности. Они определяют способ
осознанного взаимодействия индивида с окружающей средой.
Наличие в арсенале специалиста таких сформированных в процессе профессионального обучения или практической работы взаимосвязанных обобщенных схем знаний или когнитивных структур делает его профессионально
компетентным, т.е. способным принимать профессионально грамотные решения в неопределенных или неизвестных ситуациях. Эта глобальная цель на
каждом этапе учебного процесса имеет два уровня. Первый – это решение кон22
кретных дисциплинарных задач, обусловленных предметной структурой профессионального образования. Второй – формирование внутренних междисциплинарных связей. Другими словами, первый уровень – формирование средствами учебных дисциплин отдельных когнитивных схем, второй – создание
связей между ними и образование сети когнитивных структур.
Межпредметные связи при их целенаправленном формировании выступают как принцип конструирования учебного процесса. Они позволяют осуществить синтез разнопредметных знаний и реализовать системный подход в
профессиональном обучении. Межпредметные связи условно можно разделить
на несколько групп, различающихся причинами появления:
1) объектные связи, возникающие из-за общности объектов изучения,
описания и деятельности;
2) модельные связи, обусловленные общностью используемых физических и математических моделей;
3) системные связи, возникающие при отношениях вида «системаподсистема» между дидактическими единицами различных учебных дисциплин;
4) причинно-следственные связи, отражающие характер отношений между учебными элементами разных дисциплин;
5) методологические связи (общие методы экспериментальных и теоретических исследований, общность используемого математического аппарата);
6) семантические связи (общие определения и понятия);
7) исторические связи (совпадающая хронология открытий или общность
авторов);
8) ассоциативные связи, обусловленные чувственной общностью восприятия объектов изучения или их окружения.
Указанные виды МПС различаются по глубине, сложности и количеству
задействованных в них элементов. Основное предназначение МПС – в объединении разнопредметных знаний в целостные структуры, используемые в дальнейшем в качестве инструмента для анализа профессионально значимых объектов и ситуаций.
23
Результатом интеграции на основе внутренней взаимосвязи учебных дисциплин является создание укрупненных педагогических единиц – междисциплинарных учебных комплексов (МУК).
Цель МУК – формирование когнитивного шаблона, ориентированного на
решение профессионально значимых проблем и задач. Междисциплинарный
учебный комплекс представляет собой объединение нескольких учебных дисциплин или их относительно независимых составляющих частей, дидактические единицы которых обладают естественными или специально созданными
межпредметными связями. Комплекс может быть реализован как самостоятельная работа студентов с обязательным последующим контролем выполнения, как лабораторный междисциплинарный практикум или практикум по решению специально разработанных междисциплинарных задач, как самостоятельный учебный курс и, наконец, как комплекс дисциплин учебного плана, реализуемых разными преподавателями различных кафедр, но имеющих общий
понятийный аппарат, глоссарий, единые цели и общую методику изучения. Последний вариант рассматривается как наиболее реальный для внедрения
При проектировании комплекса необходимо исходить из выполнения
следующих основных дидактических требований:
1) соответствия содержательных элементов комплекса целевым профессионально значимым объектам изучения (технические системы, явления, процессы и др.);
2) дополнительности (внутренние учебные единицы комплекса дополняют друг друга, формируя представление об объекте изучения, как о целом);
3) системности структуры содержательных единиц; 4) внутренней структурно-функциональной связанности материала;
5) калибровки или нормировки понятий и используемых терминов.
Формирование МУК может проходить в несколько этапов. На первом
определяют педагогические цели, ради достижения которых и создается МУК.
Далее, исходя из поставленных целей, выделяют одну или несколько групп
МПС, на основе которых проводят интеграцию выявленных учебных дисци24
плин. Структура междисциплинарного учебного комплекса образована тремя
частями: целевой, содержательной и рефлексивной. В целевой части содержатся педагогические цели комплекса. Содержательная часть предназначена для
отражения учебной информации, сгруппированной около используемых межпредметных связей. Рефлексивная часть МУК содержит контрольные междисциплинарные задания, описание порядка их выполнения, критерии и рекомендации по коррекции полученного результата. На завершающем этапе формирования МУК обязательно должен быть рассмотрен экспертами – членами методической комиссии по специальности.
В процессе обучения самые значимые МПС – модельные, отражающие
наиболее существенные стороны изучаемых объектов или явлений и обусловленные общностью используемых в различных учебных дисциплинах физических и математических моделей. Они могут быть положены в основу проектирования МУК. Рассмотрим МУК «Деформации», целью введения которого является формирование связей между структурными, геометрическими, физическими особенностями деформаций различных тел и конструкций. Учебные
дисциплины, в которых рассмотрены вопросы деформаций тел, это физика, сопротивление материалов, материаловедение и технология конструкционных
материалов, строительная механика. При разработке программы комплекса
необходимо учесть усложнение используемых моделей и записи законов деформаций при постепенном переходе от самых простых моделей в физике к более сложным в сопромате, материаловедении и строительной механике. В состав комплекса должен быть включен междисциплинарный лабораторный
практикум, содержащий работы по физической механике, сопромату, материаловедению, строительной механике, объединенные общей методологией, физическими моделями и математическим аппаратом.
МУК при грамотном проектировании может стать эффективным системным воздействием различных кафедр на процесс обучения на единой методологической основе и на процесс формирования универсальных и профессионально значимых компетенций.
25
4. Задачи междисциплинарных программ
Задачами реализации образовательных программ инновационного типа в
области новых материалов и технологий являются:
• разработка и экспериментальное внедрение программ инновационного
типа по наноматериалам и нанотехнологиям, относящихся к приоритетным
направлениям развития науки, технологий и техники РФ;
• развитие академической мобильности магистрантов и преподавателей за
счет научно-исследовательской работы и учебно-педагогической практики за
рубежом, а также научного сотрудничества с ведущими зарубежными лабораториями и фирмами, специализирующимися в области наноматериалов и нанотехнологий;
• создание междисциплинарного Центра переподготовки специалистов с
высшим образованием по направлению наноматериалов, новых и перспективных материалов;
• обеспечение организации экспериментальных площадок в школах для
непрерывного образования школа - ВУЗ, обеспечение экспертных и консультационных услуг сторонним организациям по вопросам инновационной деятельности в области наук о материалах, наноматериала.х и нанотехнологий;
• разработка программ повышения квалификации для преподавателей РФ,
осуществляющих ведение магистерских программ по наноматериалам и нанотехнологиям.
Инновационные образовательные программы повышают конкурентоспособность образования в силу активного привлечения студентов в рамках проекта к научной работе на передовых рубежах мировых исследований, публикации
ими статей в ведущих научных журналах, а также достижения необходимых
компетенций в области наук о материалах.
Инновационность внедряемых программ заключается в:
- междисциплинарности;
- большой роли ранней научно-исследовательской работы в психологиче26
ской, социально личностной и профессиональной подготовке студентов;
- сбалансированном сочетании фундаментально-теоретического и практико-ориентированного аспектов образования;
- непрерывном подходе к подготовке выпускников самого высокого
уровня в цепочке «школа - вуз - аспирантура - докторантура - работа по специальности.
Нанотехнологии - детище современной фундаментальной науки. Последние достижения свидетельствуют о возможности создания новых поколений
функциональных материалов, и проекты возможного использования нанотехнологий затрагивают практически все области человеческой деятельности. В то
же время постепенно происходит переосмысление научных фантазий, которые
приобретают черты реалистичности. Нанотехнологии - капиталовложение человечества на долгие годы, но только если им разумно распорядиться и позволить ученым, а не политикам или менеджерам, использовать нанограммы высокотехнологичной продукции для будущих мега открытий.
Основная идея новой образовательной системы, которая становится еще
более важной в период развития современных нанотехнологий, заключается в
том, чтобы обеспечить фундаментальную подготовку будущих исследователей
в области химии, физики, математики и механики, одновременно давая возможность творчески воплотить теоретическую подготовку в практику экспериментальной работы по получению и исследованию новых материалов.
Студенты уже на первом курсе получают темы будущей работы, все
большее число которых в последнее время оказывается закономерно связанно с
нанотехнологиями, и далее начинали посещать те курсы, которые, по мнению
их персональных кураторов, необходимы для полного и цельного развития студента, его эффективного научного роста и успешного выполнения дипломной
работы. При этом необходимо подчеркнуть, что студенты-материаловеды в
условиях индивидуальной подготовки преуспевают также в искусстве принятия
решений, которое является важнейшей компонентой самостоятельной и плодотворной работы любого современного специалиста в области наноматериалов.
27
В основе программы обучения положен междисциплинарный подход, и
именно он делает студентов универсалами, способными эффективно работать в
области воплотить теоретическую подготовку в практику экспериментальной
работы по получению и исследованию новых материалов.
Каждый выпускник в процессе обучения овладевает:
1. Обширной фактической базой фундаментального материаловедения и
нанотехнологий, с акцентом на технологические аспекты создания и эксплуатации материалов, что подразумевает фундаментальную подготовку по специальным дисциплинам;
2. Теорией физических явлений на макро, микро- и наноуровнях, определяющих свойства материалов, что предполагает фундаментальную подготовку
по физике твердого тела;
3. Необходимыми знаниями в области математического моделирования,
достаточными для сознательного конструирования материалов и их направленного синтеза;
4. Методологией системного подхода к созданию, исследованию и применению материалов, навыками эксперимента.
28
Приложение 1
Методика проведения лекционных занятий по разделу
"Наноматериалы и нанотехнологии" при изучении дисциплины "Материаловедение"
Введение
Подготовка лекций по дисциплине "Материаловедение" непосредственно
начинается с разработки структуры рабочего лекционного курса по данной
дисциплине. Руководством здесь служит рабочая программа, учитывающая
специфику содержания образования в общем и среднем профессиональном образовательном учреждении. Рабочая программа динамична, и каждый преподаватель имеет возможность внести в нее свои изменения.
Особая роль наноматериалов в научно-техническом прогрессе на современном этапе и научных представлений о нанообъектах и взаимосвязанных с
ними явлениях в современном машиностроении определяют целесообразность
и необходимость внедрения элементов знаний о нанотехнологиях в общее и
среднее профессиональное образование.
Целью работы является разработка лекций по теме "Наноматериалы и
нанотехнологии" при изучении дисциплин «Материаловедение» и «Технология
конструкционных материалов».
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать литературу по проблеме развития нанотехнологий и
наноматериалов для гражданской авиации.
Разработать тематический план по дисциплине "Материаловедение".
Разработать фрагмент календарно-тематического плана по теме "Наноматериалы и нанотехнологии".
Разработать планы-конспекты занятий.
Провести методический анализ разработанного занятия.
29
1.1 Типы лекционных занятий при проведении занятий по теме "Наноматериалы и нанотехнологии"
Лекция (от лат. lectio) - систематическое, последовательное, монологическое устное изложение преподавателем (лектором) учебного материала, как
правило, теоретического характера. Как одна из организационных форм обучения и один из методов обучения лекция традиционна для учреждений, где на ее
основе формируются курсы по многим предметам учебного плана.
Подготовка лекции непосредственно начинается с разработки преподавателем структуры рабочего лекционного курса по конкретной дисциплине. Руководством здесь должна служить рабочая программа, учитывающая специфику содержания образования в конкретном образовательном учреждении. Рабочая программа динамична, и каждый преподаватель имеет возможность внести
в нее свои изменения. Учебный план и рабочая программа служат основой разработки рабочего лекционного курса.
Структура лекционного курса обычно включает в себя вступительную,
основную и заключительную части. Количество лекций в той или иной части
определяется с учетом общего количества часов, отведенных для лекционной
работы, и специфики структуры изучении нанотехнологий в авиаестроении.
После определения структуры лекционного курса можно приступить к
подготовке той или иной конкретной лекции. Методика работы над лекцией
предполагает примерно следующие этапы:
- отбор материала для лекции;
- определение объема и содержания лекции;
- выбор последовательности и логики изложения;
- подбор иллюстративного материала;
- выработка манеры чтения лекции.
Отбор материала для лекции определяется ее темой. Для отбора материала необходимо ознакомиться с нанотехнологиями в авиастроении. Далее лектору следует тщательно ознакомиться с содержанием темы в базовой учебной ли30
тературе, которой пользуются студенты, чтобы выяснить, какие аспекты изучаемой проблемы хорошо изложены, какие данные устарели и требуют корректировки. Следует обдумать обобщения, которые необходимо сделать, выделить
спорные взгляды и четко сформировать свою точку зрения на них. Лектору
необходимо с современных позиций проанализировать состояние проблемы,
изложенной в учебнике, составить план лекции и приступить к созданию расширенного плана лекции.
Лекции присущи три основные педагогические функции, которые определяют ее возможности в учебном процессе: познавательная, развивающая и
организующая.
Познавательная функция выражается в возможности средствами лекции
обеспечить слушателей основной научной информацией, необходимой для их
профессиональной и исследовательской деятельности.
Развивающая функция лекции реализуется в непосредственном контакте
студента с преподавателем, становлении у студентов творческой мыслительной
деятельности, обеспечивающей их профессионально-личностное развитие.
Организующая функция предусматривает управление самостоятельной
работой студентов, как в процессе занятия, так и во внеаудиторное время.
Лекция - экономный по времени способ сообщения студентам учреждений общего и среднего профессионального обучения значительного объема
информации. Индивидуальность лектора и тот факт, что он может постоянно
совершенствовать содержание лекции благодаря собственным исследованиям,
знакомству с вновь принятыми нормативными актами и их проектами, актуальной литературой, научному общению с коллегами и т.п., делает лекцию практически незаменимой другими источниками учебной информации, которые, как
правило, "работают" в учебном процессе с определенным запаздыванием. Так,
например, в отличие от учебника лекция:
- дает непосредственное общение с лектором;
- представляет разные точки зрения;
- дает возможность повторения того, что нужно студентам и преподавателю;
31
- учитывает особенности ситуации;
- способствует установлению живой связи студентов с изучаемой дисциплиной.
Объем и содержание лекции зависят и от ряда классификационных характеристик лекционного занятия. Существуют классификации лекций по различным основаниям:
- месту в лекционном или учебном курсе (вводная, установочная, обзорная, итоговая и др.);
- преимущественной форме обучения (лекции при очном, заочном обучении);
- частоте общения лектора с аудиторией (разовая, систематическая, цикловая и т.п.);
- степени проблемности изложения материала (информационная, проблемная, дискуссия и т.п.).
Установочная лекция включает обзор основного материала предмета, дает студентам общие установки на самостоятельное овладение содержанием
курса или его части. Лекция такого типа, как правило, носит объяснительный
характер, возможно, с использованием демонстрационного материала. Лектор
обобщает современные представления об изучаемом объекте, акцентирует внимание студентов на нерешенных проблемах, высказывает собственную точку
зрения, дает научный прогноз относительно дальнейшего развития изучаемой
отрасли. В работе на заочном отделении рекомендуется применение проблемного метода чтения данной разновидности лекций, при этом преподаватель всегда может предложить студентам найти ответы на поставленные проблемы в
своей практической деятельности. Кроме того, обязательным элементом установочной лекции должна стать та или иная форма обратной связи с аудиторией.
Следует указать на необходимость четкой градации материала, представленного вниманию студентов, по степени важности.
В педагогической практике понятие "установочная лекция" может иметь
и другой смысл. Нередко установочными называют "фондовые" лекции, которые составляются преподавателями по всему курсу и передаются в "фонд" ка32
федры как базовый материал, на основе которого могут создаваться авторские
курсы по данной или близкой дисциплине.
Обзорная лекция близка по своей сути к установочной, но имеет более
информативный характер. На ней преобладает монолог преподавателя, материал подается в расчете на самостоятельную работу студентов. Однако, внимание
студентов будет снижено, если им будет представлена только структура подлежащего изучению материала. Необходимо в конспективной форме предлагать
их вниманию также базовые дефиниции, которые помогут уже на лекции составить представление об изучаемом предмете.
Итоговая (заключительная) лекция, как правило, завершает изучение курса, обобщает пройденное за весь период. При подготовке указанной разновидности лекции целесообразно учесть пробелы в знаниях студентов, выявленные на
семинарских занятиях, в процессе фронтальных опросов и, как минимум, дать
им установку на пути устранения пробелов, а также дальнейшее усовершенствование своей подготовки в данной области. На итоговой лекции преподаватель
выделяет основные идеи курса, показывает, каким образом можно использовать
полученные знания на практике и при изучении других дисциплин. Подводятся
итоги изучения дисциплины, показывается ее значение в формировании научного мировоззрения, обсуждаются особенности зачета или экзамена по предмету.
Проблемная лекция представляет собой лекционное занятие, предполагающее привлечение преподавателем аудитории к решению научной проблемы,
определяющей тему занятия. Например, могут быть прочитаны лекции на тему:
"Понятие нанотехнологии и история развития", "Нанотехнологии в авиастроении". В каждом учебно-установочном материале лектор касается сущности той
или иной научной проблемы, раскрывает возможные пути ее решения, показывает теоретическую и практическую значимость достижений, то есть каждая
лекция носит проблемный характер. И, тем не менее, целенаправленное включение в лекционный курс хотя бы одной проблемной лекции желательно. Это
просто необходимо в тех случаях, когда научный коллектив кафедры на протяжении многих лет занимается изучением той или иной научной проблемы.
33
Естественно, он располагает оригинальными, а возможно, и уникальными
научными данными.
Возможны и другие схемы построения проблемной лекции. Студенты могут участвовать в решении проблемного вопроса, предлагая свои гипотезы или
анализируя результаты. Но даже в том случае, когда решение излагается только
самим преподавателем, студенты будут участниками решения.
Целостность лекции обеспечивается созданием единой ее структуры, основанной на взаимосвязи задач занятия и содержания материала, предназначенного для усвоения студентами. В тех случаях, когда на одном занятии достигнуть такой целостности не представляется возможным, это должно быть
специально обосновано лектором ссылками на предыдущее или последующее
изложение, на литературные и другие источники.
Научность лекции предполагает соответствие материала основным положениям современной науки, абсолютное преобладание объективного фактора и
доказательность выдвигаемых положений. Каждый тезис должен быть четко
сформулированным и непротиворечивым. Прежде чем приступить к доказательству, необходимо выяснить, насколько тезис усвоен студентами. В ходе
всего доказательства тезис должен оставаться неизменным.
Ну и, наконец, ценность лекционной формы обнаруживается также в том,
что в лекции возможно учесть и отразить то новое, что появилось в нанотехнологиях в последнее время.
1.2 Дидактические принципы лекционного занятия и методы его изложения
Дидактический принцип в обучении основан на том, что ознакомление
студентов с каким-либо новым явлением или предметом начинается с конкретного ощущения и восприятия. Исследования показывают, что человек за счет
зрения получает 70-80% всей информации, а лишь 20-30% за счет остальных
органов чувств.
34
Несмотря на разнообразие наглядных пособий, при их использовании
следует соблюдать некоторые общие правила. Массированное применение их
на лекции ведет к повышенному утомлению студентов. Преподаватель должен
очень четко представлять, на каком именно этапе лекции он будет использовать
ту или иную наглядность, а также случаи отсутствия возможности ее использования по независящим от него причинам.
Демонстрационный материал во всех случаях должен играть подчиненную роль, быть одним из аппаратов лектора, а не подменять содержания лекции. В каждый момент лекции необходимо демонстрировать только тот
наглядный материал, который иллюстрирует излагаемые положения. Поэтому,
например, таблицы в аудитории нужно повесить стопкой и обратной стороной.
Нецелесообразно их развешивать по всей аудитории. Это отвлекает внимание
студентов и, как следствие, не включает механизмы запоминания информации.
Подбор иллюстративного материала по теме "Наноматериалы и нанотехнологии" может быть немаловажным этапом подготовки лекции. Таблицы,
диапозитивы, рисунки, схемы необходимо не только тщательно отобрать, но
определить и зафиксировать их последовательность при чтении лекции. При
этом такие материалы предназначены для осмотра студентами, более тщательное изучение их во время лекции не предполагается.
Принцип научности обучения предполагает соответствие содержания образования уровню развития современной науки и техники, опыту, накопленному мировой цивилизацией. Принцип научности требует, чтобы содержание образования, реализуемое на лекционных занятиях по дисциплине "Материаловедение" было направлено на ознакомление обучаемых с объективными научными фактами, явлениями, законами, основными теориями и концепциями, приближаясь к раскрытию ее современных достижений и перспектив развития.
Имея прямое отношение к содержанию образования, принцип научности
требует использования дополнительного материала, содержащего сведения о
глобальных проблемах и современных достижениях. Последовательное осуществление принципа научности означает ориентацию процесса обучения на
35
формирование у учащихся концептуального видения мира и создание его адекватного и реалистического образа.
Принцип научности имеет отношение и к методам обучения. В соответствии с ним педагогическое взаимодействие должно быть направлено на развитие у учащихся познавательной активности, креативного мышления, творчества.
Принцип фундаментальности и прикладной направленности обучения
требует основательной теоретической и практической подготовки студентов. В
традиционной дидактике он формулировался как связь обучения с жизнью,
теории с практикой.
Фундаментальность в обучении предполагает научность, полноту и глубину знаний. Она обусловлена характером современной научно-технической революции, требующей от человека высокоинтеллектуальной мобильности, исследовательского склада мышления, желания и умения постоянно пополнять свои
знания по мере происходящих в жизни и деятельности изменений. Фундаментальные знания обладают способностью медленнее устаревать, чем знания конкретные. Они апеллируют не столько к памяти, сколько к мышлению человека.
Фундаментальность обучения требует систематичности содержания по
основным отраслям знаний, оптимального соотношения их теоретичности и
практичности, а практическая направленность - моделирования и экстраполяции этих знаний на реальные ситуации в жизни и деятельности человека.
Организация и методика проведения лекционного занятия не могут избираться произвольно. Они регламентированы действием закономерностей психологического и педагогического характера, знание которых позволяет сформулировать организационно-методические принципы обучения: преемственности, последовательности и систематичности; единства группового и индивидуального
обучения; соответствия обучения возрастным и индивидуальным особенностям
обучаемых; сознательности и творческой активности; доступности при достаточном уровне трудности; наглядности; продуктивности и надежности.
36
Выбор последовательности и логики изложения материала – один из этапов работы над лекцией. Определяя логику построения лекции, следует четко
определить, каким методом изложения вы будете пользоваться - методом индукции, дедукции или аналогии.
Индуктивный метод состоит в движении от частного к общему. Индукция
может быть полной, когда обобщение делается из анализа всех без исключения
характеристик, параметров или других данных об изучаемом явлении или
предмете. Недостатком ее является громоздкость, так как приходится иногда
оперировать с большим числом данных. Поэтому более распространена индукция неполная, когда обобщения делают на основании некоторых (не исчерпывающих, но достаточных) данных.
Дедуктивный метод изложения состоит в движении от общего к частному. Дедукцией пользуются в том случае, если известна какая-либо общая закономерность и на ее основе подлежит анализу отдельные проявления этой закономерности.
Метод аналогии основан на вынесении заключения об изучаемом явлении
по сходству с другими известными явлениями. Это сходство может быть установлено по нескольким признакам, которые должны быть существенными и характеризовать явление с различных сторон.
Вместе с тем, не должно быть чрезмерного увлечения в лекции "критическим анализом", для этого имеются научные конференции и научная литература, которую следует предложить студентам для дополнительного изучения.
2. Методика проведения занятий по теме "нано материалы и нанотехнологии" со студентами учреждений общего и среднего профессионального обучения
2.1 Методика организации лекционного занятия по теме "Наноматериалы
и нанотехнологии"
37
В педагогической литературе рекомендуется использовать лекционную
модель (расширенный план лекции), которая используется при чтении лекции.
Лекционная модель может печататься в нескольких экземплярах, в ней расставляются все обходимые логические ударения, помещаются нужные иллюстрации.
Вводную часть лекции целесообразно начинать с формулировки ее темы
и цели, чтобы избежать ее декларативности и неопределенности в изложении
материала. Сообщение плана лекции обеспечивает на 10-12% более полное запоминание материала, чем на той же лекции, но без оглашения плана.
Основная часть лекции. Необходимо максимально использовать первые
15-20 минут - период "глубокого" внимания слушателей. Далее наступают
утомление и снижение внимания. Максимальное падение работоспособности
студентов отмечается многими исследователями примерно к 40-й минуте лекции. Чтобы преодолеть этот критический период, в арсенале лектора должны
быть свои приемы. Возможен переход на шутливый тон изложения. Можно задать вопрос аудитории и попросить любого студента ответить на него. Можно
прочесть какую-либо цитату и в это время позволить слушателям сделать минутную гимнастику для пальцев и даже поговорить с соседом.
Затем необходимо вернуть аудиторию к прежнему ритму работы. Целесообразно предварительно рассчитывать скорость подачи информации. Задача
лектора состоит в том, чтобы увлечь слушателей и превратить непроизвольное
внимание в произвольное. Это обычно достигается через пробуждение и поддерживание у слушателей интереса к лекции и предполагает:
- включение всех теоретических суждений в систему конкретных примеров и понятий, знакомых студентам, иллюстрирующих связь излагаемого материала с практикой;
- обращение к параллельно читаемым дисциплинам;
- иллюстрацию значения конкретной дисциплины в системе научного
знания;
38
- апелляцию к непосредственным интересам аудитории ("Курсовые работы будут строиться на основных положениях сегодняшней лекции..."); "Материал по данной тематике отсутствует в имеющихся учебниках, по которым вы
готовитесь к экзаменам..." и т.д.).
Необходимо отметить, что и поныне важным и во многом универсальным
средством наглядности остается меловая доска, использование которой также
имеет свои правила и преимущества. Важно помнить, что аудитория сначала
обращает внимание на то, как написано, а потом - что написано на доске. Заполнять доску следует слева направо и сверху вниз так, как мы пишем на листе
бумаги. Обычные размеры досок таковы, что при использовании самой нижней
ее части некоторые студенты в большой аудитории (более 70 человек) вынуждены приподниматься с мест, поэтому эту часть доски следует использовать по
возможности реже.
Проводить горизонтальные или слабонаклонные линии лектору труднее,
чем вертикальные или круто наклонные. Объясняется это тем, что он расположен относительно чертежа несимметрично. В противном случае лектор должен
был бы стоять спиной к аудитории, а это недопустимо. Надо следить за тем,
чтобы горизонтальная линия не "ушла" вверх или вниз, и чтобы в ней не появился излом. Прямоугольник изобразить проще, чем окружность. Последнюю
не рекомендуется вычерчивать полностью, не отрывая мела от доски. Удобнее
составить ее из двух полуокружностей. Периодически следует контролировать
свое написание на доске, отходя на несколько шагов назад и в сторону, чтобы
увидеть доску в отдалении.
Следует помнить, что изображенное на доске, как правило, переносится
слушателями в конспекты. Поэтому представляемая на доске информация
должна быть в виде упрощенных схем, уменьшающих шансы аудитории запутаться в них и неправильно скопировать. Наиболее важные слова необходимо
выделять рамкой, другим цветом или иным образом.
Вести запись молча нежелательно, так как при этом теряется контакт, с
аудиторией и не рационально расходуется время. Более целесообразно начать
39
объяснение одновременно с вычерчиванием. Необходимо, чтобы студенты вначале уяснили суть изображенного, а лишь после этого начали перерисовывать в
конспект. Вытирать доску следует лишь слегка влажной тряпкой (поролоном),
одновременно продолжая свою речь.
Для повышения познавательной активности студентов лектор может использовать ряд приемов:
- постановка перед студентами вопросов - риторических или требующих
реального ответа;
- включение в лекцию элементов беседы;
- предложение сформулировать те или иные положения или определения;
- разбивка аудитории на микро группы, которые проводят краткие обсуждения и обмениваются их результатами;
- использование раздаточного материала, в том числе конспектов с печатной основой и др.
Повышению познавательной активности студентов способствует умение
лектора доходчиво отвечать на вопросы. На лекции при ответах на вопросы не
снижается значение особенностей публичного выступления: ответ лучше дать
сразу, четко, и в расчете на реакцию всей аудитории, в значительной мере экспромтом. Один неудачный ответ может ухудшить впечатление от всей лекции.
У студентов не без оснований распространено мнение, что в ответах на вопросы наиболее отчетливо проявляется эрудиция преподавателя.
Тщательно надо продумать заключительную часть лекции, повторить ее
положения, а на следующей лекции начать именно с них. Заключительная часть
лекции предполагает подведение итогов, обобщение прочитанного и уже знакомого из самостоятельно изученного студентами материала, формулировку
выводов и т.д. Здесь преследуется цель ориентировать студентов на самостоятельную работу. Для этого может быть рекомендована литература по изучаемой
проблематике, разъяснено, какие вопросы выносятся на семинарские занятия, а
какие необходимо изучить самостоятельно. В самом конце лекции следует ответить на вопросы студентов, возможно поступившие в форме записок (о такой
40
возможности надо предупредить студентов заранее). Со студентами, проявившими интерес к теме лекции, желательно побеседовать после ее окончания,
пригласить их на консультацию для продолжения разговора. Отвечая на наивные или нелепые вопросы надо щадить самолюбие студента, малейшая бестактность при этом может привести к потере контакта с аудиторией. Научить
же людей чему-либо можно лишь, сохраняя с ними хорошие отношения.
Обратная связь лектора и аудитории осуществляется с целью контроля
прочности усвоения знаний. Первая функция такого контроля - способ получения лектором представления об учебном процессе с целью внесения необходимых корректив. Вторая - способ психологического воздействия на студентов,
активизирующий их продуктивную деятельность.
При чтении лекций текущий контроль осуществляется спонтанно по типу
несловесной, подсознательной обратной связи, то есть тех сигналов, которые
слушатель предлагает лектору, не осознавая это (взгляды, выражение удивления, припоминания).
В аудиториях, оборудованных современными компьютерными системами, организация такой работы не вызывает особых трудностей. В случае отсутствия подобных условий можно использовать раздаточный материал (карточки,
тесты, шаблоны и т.д.), которые лектор раздает перед опросом и собирает после
него. Раздача и сбор карточек в потоке из 100 студентов, как показывает опыт,
продолжается всего 5 минут, выполнение студентами контрольных заданий 10-12 минут, восстановление обстановки для прочтения лекции - 1-3 минуты.
Организация текущего контроля успеваемости требует расчленения учебного материала на сравнительно небольшие дозы. При определении рационального размера этих доз руководствуются двумя факторами: интервалом между
смежными опросами (частота опросов) и содержанием задания в соответствии с
системой разбивки курса лекций на темы. Опыт показывает, что рациональный
интервал соответствует в среднем одному опросу за 6-8 часов лекций. В тоже
время желательно, чтобы каждый опрос включал одну тему целиком или одну
ее часть, имеющую самостоятельное значение.
41
Важно очень внимательно проанализировать круг вопросов, которые
должны быть усвоены студентами. К их числу следует отнести всю новую информацию, а также известную студентам, которую вы объединили в качественно новую систему.
После заключительной лекции преподаватель может подвести итоги своей работы по отзывам студентов о лекциях, а также по структуре данной оценки, с помощью которой можно в дальнейшем целенаправленно совершенствовать лекционный курс. Для достижения этого можно провести анкетирование
студентов, посещавших все лекции, дающее возможность сравнительно объективно оценить основные качества всех ваших лекций.
С этой целью готовится нужное количество анкет с указанием в них всех
названий лекций в той последовательности, в которой они читались. Общая
оценка лекции может представлять собой сумму пяти дифференцированных
оценок (1-научность, 2-доступность, 3-связь с практикой, 4-манера чтения, 5активность аудитории). Графа "Ваши пожелания" дает слушателям возможность высказать дополнительно и нестандартные мнения о лекции. Если лекционный курс читали разные лекторы, то в анкету после графы "Название лекции"
вводится графа "Фамилия лектора". На семинаре преподаватель предлагает
студентам на следующее занятие принести конспекты лекций. К анкетированию лекции допускают только студентов, которые присутствовали на ней и
имеют ее конспект.
Преподаватель объясняет, как нужно провести анкетирование, обратив
внимание на структуру дифференцированной оценки. Высшим баллом каждой
из пяти дифференцированных оценок является 1. Оценивающие могут делить
его на десятые доли в зависимости от их мнения. Высшим общим баллом каждой из лекций будет 5 (отлично). Одну анкету лучше давать на всю группу. Это
дает возможность студентам обсудить каждый параметр лекции и избежать необъективного суждения.
42
2.2. Тематическое планирование курса
При разработке тематического плана по курсу "Материаловедение" необходимо опираться на Государственный образовательный стандарт. Ниже представлен примерный тематический план для среднего профессионального образования в учебных учреждениях машиностроения.
Таблица 1. Тематический план курса "Материаловедение"
№
Наименование темы занятия
п/п
Количество
часов
1
Физико-химические основы материаловедения
6
2
Методы измерения параметров и свойств материалов
4
3
Области применения материалов. Основные сведения о 6
производстве черных и цветных металлов и сплавов
4
Основные сведения о кристаллизации и структуре рас- 4
плавов
5
Диаграммы состояния сплавов. Фазовые превращения
6
Классификация, маркировка и область применения раз- 6
10
личных сплавов
7
Порошковые и композиционные материалы. Способы 10
обработки материалов
8
Неметаллические конструкционные материалы на орга- 4
нической и неорганической основе
43
9
Материалы со специальными свойствами
6
10
Новые перспективные материалы. Наноматериалы.
10
11
Способы обработки материалов
6
12
Электрические методы обработки металлов
4
13
Термическая обработка
4
Итого
80
2.3 Планы-конспекты занятий
План- конспект занятия № 1.
Тема: Введение в наномир.
Цель: Предоставить информацию о истории развития нанотехнологий.
Задачи:
- Обучающая: Дать понятия о нанотехнологиях.
- Развивающая: развивать у учащихся память, логическое мышление, трудовые навыки, интерес к предмету.
- Воспитывающая: способствовать воспитанию целеустремленности,
инициативы, самостоятельности; умению логически мыслить, самостоятельно
высказывать и отстаивать свою точку зрения; сознательной дисциплины.
Тип занятия: Лекция.
Оснащение:
- МТО: компьютер
- МО: Конспект занятия, учебное пособие "Голубая мечта Доналда Рамсфелда" Аксёнов П.Н.
Структура занятия:
Организационный этап (2-3 минуты)
Этап объяснения нового материала (55 минут)
44
Этап закрепления изученного материала (15 минут)
Заключительный этап (5 минут).
Ход занятия:
1. Организационный момент.
Преподаватель приветствует студентов. Происходит отметка присутствующих на занятии и постановка темы занятия.
2.Этап объяснения нового материала
Преподаватель:
Английский термин "Nanotechnology" был предложен японским профессором Норио Танигучи в средине 70-х гг. прошлого века и использован в докладе "Об основных принципах нанотехнологии" (On the Basic Concept of
Nanotechnology) на международной конференции в 1974 г., т. е. задолго до
начала масштабных работ в этой области. По своему смыслу он заметно шире
буквального русского перевода "нанотехнология", поскольку подразумевает
большую совокупность знаний, подходов, приемов, конкретных процедур и их
материализованные результаты – нанопродукцию.
Как следует из названия, номинально наномир представлен объектами и
структурами, характерные размеры R которых измеряются нанометрами (1нм =
10–9м = 106 мм = 10–3 мкм). Сама десятичная приставка "нано-" происходит от
греческого слова νανοσ – "карлик" и означает одну миллиардную часть чеголибо. Реально наиболее ярко специфика нанообъектов проявляется в области
характерных размеров R от атомных (~ 0,1 нм) до нескольких десятков нм. В
ней все свойства материалов и изделий (физико-механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические и др.) могут
радикально отличаться от макроскопических. Существует более десятка причин
специфичного поведения и особых свойств наноструктурных материалов и
нанообъектов. Причем, их свойства существенно зависят от размеров морфологических единиц и могут быть изменены в необходимую сторону путем добавления и удаления атомов (молекул) одного сорта. Нанотехнология
совокуп-
ность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым об45
разом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие
осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Данная технология подразумевает умение работать с такими
объектами и создавать из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой молекулярной организацией. Наноструктуры, построенные "из
первых принципов", с использованием атомномолекулярных элементов, представляют собой мельчайшие объекты, которые могут быть созданы искусственным путем. Они характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами и связанными с ними явлениями. В связи с этим возникли понятия нанонауки, нанотехнологии и наноинженериии (нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в
нанометровом масштабе, нанотехнология – созданием наноструктур, наноинженерия – поиском эффективных методов их использования) (см. Приложение
1)
Наноматериалы материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и
обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;
Наносистемная техника полностью или частично созданные на основе
наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и
устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.
Нанотехнологии - это принципиально новый, надотраслевой приоритет,
он един для всех отраслей науки и промышленности. Фактически переход к
нанотехнологиям знаменует переход цивилизации в ближайшие 10-20 лет к
принципиально новому экономическому укладу.
Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:
46
изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными
элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;
разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу;
непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них
всего существующего.
Сегодня львиная доля производственных затрат человека идут, как это ни парадоксально, на производство отходов и загрязнение окружающей среды. Если же
мы будем целенаправленно создавать необходимые нам материальные объекты,
конструируя их из атомов и молекул, с помощью нанотехнологий, это приведет радикальному снижению материальных и энергетических затрат общества в целом.
Таким образом, нанотехнологии - это, во-первых, технологии атомарного
конструирования, во-вторых, - принципиальный вызов существующей системе
организации научных исследований, и, в-третьих, - философское понятие, возвращающее нас к целостному восприятию мира на новом уровне знаний.
Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества.
Примером первого использования нанотехнологий можно назвать – изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который впоследствии
основал известную компанию Kodak.
Один нанометр (от греческого "нано" - карлик) равен одной миллиардной
части метра. На этом расстоянии можно вплотную расположить примерно 10
атомов. Пожалуй, первым ученым, использовавшим эту единицу измерения,
был Альберт Эйнштейн, который в 1905 г. теоретически доказал, что размер
молекулы сахара равен одному нанометру.
Но только через 26 лет немецкие физики Эрнст Руска, получивший Нобелевскую премию в 1986 г., и Макс Кнолл создали электронный микроскоп,
обеспечивающий 15-кратное увеличение (меньше, чем существовавшие тогда
47
оптические микроскопы), он и стал прообразом нового поколения подобных
устройств, позволивших заглянуть в наномир.
1932 г. Голландский профессор Фриц Цернике, Нобелевский лауреат 1953
г., изобрел фазово-контрастный микроскоп - вариант оптического микроскопа,
улучшавший качество показа деталей изображения, и исследовал с его помощью живые клетки (ранее для этого приходилось применять красители, убивавшие живые ткани). Интересно, что Цернике предлагал свое изобретение
фирме "Цейс", но менеджеры не осознали его перспективности, хотя сегодня
такие микроскопы активно применяются в медицине.
1939 г. Компания Siemens, в которой работал Руска, выпустила первый
коммерческий электронный микроскоп с разрешающей способностью 10 нм.
Днем рождения нанотехнологий считается 29 декабря 1959 г. Профессор
Калифорнийского технологического института Ричард Фейман выступил с лекцией на ежегодной встрече Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте. В этом докладе, названном "На дне много
места", он выразил идею "управления и контроля материалов на микроскопическом уровне", подчеркивая, что речь идет не только о миниатюризации, но и о
таких возможностях, как размещение всей Британской Энциклопедии на кончике булавки. По мнению Ричарда, достигнуть этого можно уменьшая обычные
размеры в 25 000 раз без потери разрешения. Он предполагал, что используя
подобные технологии, можно уместить все мировое собрание книг в одну брошюру. "Такое возможно, — сказал Фейман, — в силу сохранения объектами
свойства размерности, несмотря на то, что речь идет об атомном уровне".
Хотя Фейман никогда не упоминал понятие "нанотехнологии", он обратил внимание на возможность создания микроскопических приборов и невероятно маленьких компьютеров, которые как хирурги могли бы проникать в наши
тела и выполнять определенные задачи. Многие ученые восприняли идеи
Ричарда как шутку, учитывая его знаменитое чувство юмора. Однако, он предложил награду в 1000 $ тому, кто первым уменьшит страницу к 1/25 000 ее первоначального размера так, чтобы ее можно было прочитать с помощью элек48
тронного микроскопа. В 1985 году выпускник Стэнфорда Том Ньюмэн, используя электронный луч, записал первую страницу "Истории двух городов" Чарльза Диккенса на кончике булавки. Отправив результаты своего труда Фейману,
он в течение двух недель получил от него чек.
Многие ученые до сих пор удивляются, на сколько точны были предположения Ричарда Феймана. В своей оригинальной речи он подчеркивал те
огромные возможности, появляющиеся при работе на молекулярном уровне.
Фейман хотел подтолкнуть людей в нужном направлении, чтобы в будущем,
"Оглядываясь на наше время, — говорил он, — Все удивлялись, почему только
в 1960 году кто-либо начал серьезно задумываться над этим вопросом".
3. Этап закрепления изученного материала.
Преподаватель: теперь давайте коротко повторим то, что мы сегодня изучили.
Преподаватель задает вопросы по теме занятия, а учащиеся отвечают.
Список основных вопросов – Что такое нанотехнологии, определение наноматериалы, в каком году был выпущен коммерческий электронный микроскоп.
4.Заключительный этап.
Подводятся итоги занятия, оговариваются основные понятия, изученные
на занятии, и примерный перечень вопросов, которые будут рассмотрены на
лабораторной работе.
План- конспект занятия № 2.
Тема: Наноматериалы и технологии их получения.
Цель: Предоставить учащимся информацию информацию о технологиях
получения наноматериалов.
Задачи:
- Обучающая: Сформировать представление о наноматериалах, их разнообразии, технологиях получения и уникальных свойствах. Познакомить учащихся с разнообразием наноматериалов и их свойствами.
- Развивающая: развивать у учащихся память, логическое мышление, трудовые навыки, интерес к предмету.
49
- Воспитывающая: способствовать воспитанию: целеустремленности, инициативы, самостоятельности, умение логически мыслить, самостоятельно высказывать и отстаивать свою точку зрения, сознательной дисциплины, усердие.
Тип занятия: Комбинированный.
Оснащение:
- МТО: компьютер, проектор просмотр презентации 1.
- МО: Конспект занятия, учебное пособие "Очарование нанотехнологии"
Хартманн У.Г.
Структура занятия:
1. Организационный этап (2-3 минуты)
Этап объяснения нового материала (55 минут)
Проведение теста (10 минут)
Этап закрепления изученного материала (15 минут)
Заключительный этап (5 минут).
Ход занятия:
1. Организационный момент.
Преподаватель приветствует студентов. Происходит отметка присутствующих на занятии и постановка темы занятия.
2. Этап объяснения нового материала
Обсуждение вопроса о классификации наноматериалов нужно начать с
экскурса в развитие человеческой цивилизации, тесно связанное с освоением
новых материалов и технологий их получения. Определения понятий "структура" и "наноматериалы" имеет смысл продиктовать учащимся для записи. Важно
обратить внимание учащихся на взаимосвязь между размерами вещества и его
свойствами, особенно при достижении размеров частиц менее 100 нм. Изменения свойств связаны с двумя основными причинами: увеличением доли поверхности и изменением электронной структуры в силу квантовых эффектов.
Излагая материал о разнообразии наноматериалов, важно отметить, что современная наука выделяет следующие виды наноматериалов: наночастицы, фул-
50
лерены, нанотрубки и нановолокна, нанопористые структуры, нанодисперсии,
наноструктурированные поверхности и пленки, нанокристаллические материалы.
Наночастицами называют частицы, размер которых меньше 100 нм. Наночастицы состоят из 108 или меньшего количества атомов, и их свойства отличаются от свойств объемного вещества, состоящего из таких же атомов. Наночастицы, размер которых меньше 5-10 нм, называют нанокластерами. Слово
"кластер" произошло от англ. cluster – скопление, гроздь. Обычно в нанокластере содержится до 1000 атомов.
Фуллерены – кластеры из более чем 40 атомов углерода, по форме представляющие собой шароподобные каркасные структуры, напоминающие футбольный мяч. Фуллерены получили свое название в честь архитектора Фуллера,
который придумал подобные структуры для использования их в архитектуре.
В 1991 году были обнаружены длинные углеродные структуры, получившие название нанотрубок. Нанопористые вещества представляют собой пористые
вещества с нанометровым размером пор. Размеры нанопор находятся в пределах
1-100 нм. При уменьшении размеров пор у наноматериалов появляются новые
способности к фильтрации и сорбции различных химических элементов.
Нанодисперсии – системы, состоящие из жидкой фазы с равномерно растворенными в ней наночастицами. Сегодня нанодисперсии в основном применяются в медицине и косметике.
Пленки, или слои, собранные из полупроводниковых материалов, называют гетероструктурами. Самая тонкая пленка состоит из одного атомного слоя
вещества, нанесенного на твердую или жидкую поверхность. Такие пленки
называют пленками Ленгмюра – Блоджетта. Гетероструктура может состоять из
последовательности десятков полупроводниковых слоев толщиной в несколько
нанометров. Полупроводниковые гетероструктуры используются для создания
ярких светодиодов, лазеров и других полупроводниковых приборов современной микроэлектроники.
Важно обратить внимание учащихся на то, что российский ученый Ж.И.
Алферов в 2000 году получил Нобелевскую премию по физике за разработку тех51
нологий создания гетероструктур. Гетероструктуры создают методом молекулярно-лучевой, газофазной, жидкостной эпитаксии, а также методом самосборки.
Разъяснитяется, что на современном этапе сформировалось 2 подхода к
получению наноматериалов: "сверху-вниз" и "снизу-вверх". Технология "сверху-вниз" основана на уменьшении размеров тел механической или иной обработкой, вплоть до получения объектов нанометрового размера. Технология
"снизу-вверх" сводится к получению наноразмерного объекта путем сборки из
отдельных атомов и молекул.
Последующее за лекцией семинарское задание может быть представлено
выступлениями групп учащихся по предложенным вопросам. Все вопросы
необходимо осветить с разных сторон, с использованием разных источников.
После заслушивания докладов нужно провести обсуждение и анализ, высказать
критические замечания и пожелания. По окончанию урока представитель каждой из групп предлагает окончательный проект. Учитель оценивает работу
участников дискуссии.
3.Тесты
Сопоставьте определения:
наночастицы; частицы, размер которых меньше 5-10 нм;
нанокластеры; частицы, размер которых меньше 100 нм;
нанопленки; кристаллические вещества, размер которых меньше 100 нм;
нанокристаллы. вещества, состоящие из одного и более атомных слоев.
Что такое фуллерены?
длинные углеродные структуры;
кластеры из более чем 40 атомов углерода, по форме представляющие
шароподобные каркасные структуры;
наночастицы, растворенные в жидкой фазе;
шарообразные молекулы, содержащие атомы, размером меньше 100 нм.
Что такое нанодисперсии?
системы, состоящие из жидкой фазы с равномерно растворенными в ней
наночастицами;
52
системы, состоящие из нанокластеров;
системы, состоящие из нанопористых веществ;
системы, состоящие из нанопористого вещества.
Какие технологии относятся к технологии "сверху-вниз"?
литография;
эпитаксия;
литография и конденсация;
механическая обработка (измельчение).
Поставьте в правильной последовательности этапы литографии:
экспонирование;
химическое травление;
нанесение фоторезистора.
В чем заключается технология "снизу-вверх"?
основана на уменьшении размеров тел механической или иной обработки,
вплоть до получения объектов нанометрового размера;
сводится к получению наноразмерного объекта путем сборки наноматериалов из отельных атомов и молекул.
Что такое эпитаксия?
наращивание оксидной пленки на кристалле;
ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого;
получение наночастиц путем испарения из макроскопического тела атома;
создание наноструктур на поверхности твердого тела.
Что такое синергетика?
наука о самоорганизующихся системах;
наука о нанокристаллических материалах;
наука о хаосе;
наука об экономии энергии.
4.Этап закрепления изученного материала.
Преподаватель: теперь давайте коротко повторим то, что мы сегодня изучили.
53
Преподаватель задает вопросы по теме занятия, а учащиеся отвечают.
Список основных вопросов – Дайте определение понятию "наноматериалы"?
Какие виды наноматериалов вы знаете? Что называют наночастицами и нанокластерами? Чем обусловлены особые свойства наноматериалов? Приведите
примеры технологии "сверху-вниз".
5.Заключительный этап.
Подводятся итоги занятия, оговариваются основные понятия, изученные
на занятии, и примерный перечень вопросов, которые будут рассмотрены на
лабораторной работе.
План- конспект занятия № 3
Тема: Нанотехнологии вокруг нас.
Цель: Познакомить учащихся с современным состоянием дел и ближайшими перспективами применения нанотехнологических методов в быту, в медицине, промышленности и военном деле.
Задачи:
- Обучающая: Рассказать учащимся о применении нанотехнологий в повседневной жизни.
- Развивающая: развивать у учащихся память, логическое мышление, трудовые навыки, интерес к предмету.
- Воспитывающая: способствовать воспитанию целеустремленности,
инициативы, самостоятельности; умению логически мыслить, самостоятельно
высказывать и отстаивать свою точку зрения; сознательной дисциплины.
Тип занятия: Комбинированный.
Оснащение:
- МТО: компьютер, проектор, видеофильм "нанотехнологии"
- МО: План-конспект лекции, учебное пособие "Голубая мечта Доналда
Рамсфелда" Аксёнов П.Н.
Структура занятия:
1. Организационный этап (2-3 минуты)
54
2. Этап объяснения нового материала (55-60 минут)
3. Проведение теста (10 минут)
4. Этап закрепления изученного материала (10 минут)
5. Заключительный этап (5 минут).
Ход занятия:
1.Организационный момент.
Преподаватель приветствует студентов, отмечает присутствующих и сообщает тему занятия.
2. Этап объяснения нового материала.
Рассмотрение вопроса перспектив использования нанотехнологий в повседневной жизни следует начать с определения получивших наибольшее распространение нанотехнологических методов: нанопокрытий и золь-гель методов. Необходимо сконцентрировать внимание учащихся на принципиальных
отличиях различных физических свойств покрытий из наночастиц от свойств
непрерывных покрытий. Следует подчеркнуть, что различные виды наночастиц
в составе нанопокрытий позволяют управлять механическими, оптическими и
иными свойствами материалов, на которые они нанесены.
Далее следует дать учащимся представление об использовании особых
свойств наноструктурированных материалов. Как пример можно привести использование золотых наночастиц в качестве катализаторов и поглотителей запахов. Далее, от основных объектов нанотехнологий следует перейти к примерам использования нанотехнологий в повседневной жизни:
в медицине: антисептики, транспортировочные наноконтейнеры, и др.;
в парфюмерной и пищевой промышленности;
при производстве спортивных товаров;
при производстве одежды и обуви.
При рассмотрении конкретных областей применения наночастиц и нанопокрытий следует обращать внимание учащихся на то, какие именно их свойства используются в данном случае. Так, в медицине используются в основном
малые размеры наночастиц, позволяющие им проникать вместе с кровотоком
55
через клеточные мембраны. При использовании наноматериалов в качестве катализаторов и фильтров в автомобильной и парфюмерной промышленности используется большая площадь поверхности наноструктурированной среды, резко увеличивающая эффективность взаимодействия. При изготовлении сверхпрочных и сверхлёгких материалов, используемых в производстве спортивных
товаров, актуальными становятся особые механические свойства наноматериалов. При производстве одежды и обуви используются особые структурные
свойства, обеспечивающие содержание воздуха в материале до 99,8%, что обуславливает отличные теплоизолирующие свойства.
Вторую часть урока следует посвятить изучению применения нанотехнологий в военном деле. Необходимо подчеркнуть, что в военном деле, как правило,
используются наиболее передовые разработки, лишь некоторое время спустя получающие распространение и в других областях человеческой деятельности. В качестве примера можно рассмотреть костюм солдата будущего. Спектр используемых свойств нанообъектов также весьма широк. Например, при производстве так
называемой "мягкой брони" используются особые механические свойства нанообъектов, причём "подсмотренные" у живой природы. В конструкции костюма
будут использоваться специально сконструированные наномашины-усилители,
которые смогут увеличить силу солдата на 300%. Будут использованы также полупроводниковые и медицинские нанотехнологические методы.
Следует особо отметить перспективное применение комплексов простых
микро- и наноустройств ("умная пыль"), которые, взаимодействуя между собой,
могут обладать возможностями, намного превосходящими возможности отдельных объектов. Также следует подчеркнуть, что одним из наиболее перспективных направлений считается создание новых материалов со сложной структурой для военной техники. Кроме уже рассмотренного примера нанокомпозитной брони, следует отметить создание специальной "электромеханической
краски", которая позволит менять цвет подобно хамелеону, а также предотвратит коррозию и сможет "затягивать" мелкие повреждения на корпусе машины.
56
"Краска" будет состоять из большого количества наномеханизмов, которые
позволят выполнять все вышеперечисленные функции.
Нанопокрытие – покрытие, состоящее из наночастиц и обладающее
вследствие этого особыми свойствами.
Наноконтейнер – капсула, содержащая действующее вещество. Может
доставляться прямо к источнику заболевания, не подвергая воздействию весь
организм и сводя к минимуму побочные эффекты.
"Мягкая броня" – условное название тканых и нетканых материалов, обладающих гибкостью, но в то же время стойкостью к механическому воздействию.
"Умная пыль" – комплекс микроустройств, способных к коллективным
действиям.
Электромеханическая краска – покрытие, состоящее из большого количества наномеханизмов, позволяющее изменять цвет. (Приложение 3)
3. Тесты
Разработано покрытие для стекла, состоящее из полимерных слоев и наночастиц кварца. Что происходит при попадании воды?
вместо крошечных капель, рассеивающих свет, вода покрывает стекло
большими каплями
вместо крошечных капель, рассеивающих свет, вода покрывает стекло
ровным прозрачным слоем
вместо крошечных капель, рассеивающих свет, вода полностью стекает
со стекла
вместо крошечных капель, рассеивающих свет, вода покрывает стекло
средними каплями
Могут ли нанотехнологии применяться в качестве катализаторов и фильтров?
могут только в качестве катализаторов
могут только в качестве фильтров
могут в качестве катализаторов и фильтров
не могут
57
Наночастицы какого элемента хорошо подходят для обеззараживания ран?
золота
серебра
платины
железа
Швейцарская компания изготовила для соревнований Tour de France–2005
спортивный велосипед с рамой из композиционного материала на основе углеродных нанотрубок. Его вес составлял:
2 кг
5 кг
4 кг
1 кг
Наночастицы, состоящие из золотого "ядра" и палладиевой оболочки используются
в пищевой промышленности в качестве катализаторов
в военной технике в качестве защиты от пуль
в косметической промышленности для улучшения пудры
в медицине как мощный антисептик
4. Этап закрепления изученного материала.
Преподаватель: теперь давайте коротко повторим то, что мы сегодня изучили. Преподаватель задает вопросы по теме занятия, а учащиеся отвечают.
Список основных вопросов – Приведите примеры использования нанотехнологии в производстве спортивных товаров? Приведите примеры использования
нанотехнологий в медицине? Приведите примеры "умной одежды" для экстремальных условий? Перечислите нанотехнологии, применённые в костюме солдата будущего?
5. Заключительный этап.
Подводятся итоги занятия, оговариваются основные понятия, изученные
на занятии, и примерный перечень вопросов, которые будут рассмотрены на
лабораторной работе.
58
2.4. Анализ проведенных занятий
Для методического анализа занятий по теме "Наноматериалы и технологии их получения" определяем роль каждого занятия в современных технических устройствах, которые применяются практически во всех сферах нашей
жизни. Определяем тип занятия, какие вопросы при подготовке к занятию были
учтены (особенности психических процессов учащихся, внимания и его устойчивости (кие приемы использовал преподаватель: рассказ, беседу, объяснение,
демонстрацию наглядных пособий, в частности, презентации, конспектирование, чередовал их с учетом наиболее эффективного восприятия их учащимися),
особенности мышления студентов средне - профессиональных учебных заведений). Важным элементом проведенного занятия является его структура: организационный этап - изучение нового материала - закрепление материала - заключительный этап.
Для оценки проведенных занятий можно использовать показатели, приведенные в таблице 2, с выставлением оценки по 5 балльной шкале.
Таблица 2 Показатели успешности занятия
№ Показатели
1
Критерии успешности
Оценка
Оснащение заня- Оформление доски
тия
Наличие ТСО
Наличие дидактических средств (плакатов,
карточек и т.д.)
Средняя оценка:
2
Содержание заня- Соответствие содержания занятия протия
грамме
Работа с формированием понятийного аппарата
59
Осуществление межпредметных связей
Средняя оценка:
3
Организация
нятия
за- Начало занятия (своевременность, расход
времени на организационную часть и т.д.)
Готовность преподавателя и учащихся к занятию
Оценка структуры занятия и целесообразности разбивки времени на каждый этап
Выполнение плана занятия
Достижение поставленных целей занятия
Своевременность окончания занятия
Средняя оценка:
4
Проведение заня- Постановка целей и мотивация учащихся,
тия
разъяснение значимости изучаемого материала
Логика перехода от одного этапа к другому
Актуализация знаний учащихся, связь нового материала с ранее изученным и имеющимся опытом
Средняя оценка:
5
Реализация прин- Принцип сознательности и активности
ципов обучения
Принцип научности
Принцип доступности обучения
Принцип наглядности
Принцип систематичности и последова60
тельности
Характер познавательной деятельности
учащихся (репродуктивный, творческий)
Принцип индивидуализации и дифференциации обучения
Средняя оценка:
6
Методы обучения
Методы активизации познавательной деятельности
Выбор методов в соответствии с целями и
задачами урока
Учет возрастных особенностей учащихся
Методы развития самостоятельности
творческой активности
и
Методы воспитания учащихся
Методика инструктирования (вводный, текущий, заключительный)
Методы организации эффективного показа
трудовых приемов (расчленение на отдельные действия, замедление темпа, сочетание
с наглядностью и объяснением и т. п.)
Средняя оценка:
7
Контроль
Непрерывность контроля
Организация само- и взаимоконтроля учащихся
Объективность оценки
Учет всех критериев оценки
Комментирование оценки
61
Дополнительный контроль работы отстающих учащихся
Средняя оценка:
8
Поведение препо- Внешний вид
давателя на занятии
Умение владеть коллективом
Речь преподавателя
Педагогический такт
Средняя оценка:
9
Работа учащихся
Активность
Организованность
Дисциплинированность
Средняя оценка:
Полученные данные позволяют увидеть и оценить качество проектирования занятия, наглядно продемонстрировать успехи и недостатки выполненной
разработки.
62
Приложение 2
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине
«НОВЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ АВИАЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»
1. Целевая установка и организационно – методические указания.
Дисциплина имеет цель:
- дать студентам фундаментальные знания и практические навыки в области новых и перспективных авиационных материалов;
- ознакомить с технологией получения новых и перспективных материалов, с методами их контроля в процессе производства;
- дать студентам знания и практические навыки в области разработки и
применения технологических процессов изготовления и восстановления при повреждениях деталей авиационной техники из новых и перспективных материалов.
В результате изучения дисциплины студенты должны:
ЗНАТЬ:
- основные направления и принципы создания новых и перспективных
материалов;
- свойства и особенности применения новых и перспективных материалов
по сравнению с традиционными;
- свойства и особенности зарубежных авиационных материалов, в том
числе и перспективных;
- методы контроля новых и перспективных материалов для авиационной
техники;
- технологию получения новых и перспективных материалов и деталей из
них;
- основные технологические процессы изготовления деталей авиационной
техники из новых и перспективных материалов;
63
- особенности применения новых и перспективных материалов в конструкции авиационной техники;
- экономическую эффективность новых и перспективных материалов и
технологий;
- экологические требования к новым и перспективным материалам и технологиям.
УМЕТЬ:
- оценивать эксплуатационные свойства материалов конструкций авиационной техники;
- определять основные свойства перспективных материалов;
- правильно выбирать технологические процессы по обработке материалов и изготовлению из них деталей авиационной техники;
- организовывать контроль внедрения в производство прогрессивных
технологических процессов, предусматривающих применение новых и перспективных материалов в конструкции авиационной техники;
- проводить анализ экономической эффективности применения перспективных материалов и прогрессивных технологических процессов;
БЫТЬ ОЗНАКОМЛЕННЫМ:
- с экономическими требованиями применения новых и перспективных
материалов и прогрессивных технологических процессов;
- с перспективными методами контроля физико-механических свойств
новых материалов;
- с организацией метрологического обеспечения опытного и серийного
производства.
Изучение дисциплины «Новые и перспективные авиационные материалы
и технологии» базируется на знаниях, полученных при обучении в технических
ВУЗах.
Данная дисциплина обеспечивает изучение дисциплин «Управление качеством авиационной техники на стадиях жизненного цикла», «Современное
64
состояние и перспективы развития авиационной техники», а так же выполнение
курсовых и дипломных работ.
Преподавание дисциплины базируется на последних достижениях науки
и техники в области материалов и технологии.
Теоретическими и научными основами дисциплины являются фундаментальные положения физики твердого тела, физической и коллоидной химии, а
так же знания влияния условий эксплуатации материалов на их структуру, фазовый и химический состав.
На изучение дисциплины выделяется 60 часов, из них: на теоретическое
обучение 30 часов и практическое обучение 30 часов.
Дисциплина изучается на лекциях, семинарах, практических и лабораторных занятиях. На лекциях даются фундаментальные основы научных знаний в
области новых и перспективных материалов и технологии. На практических и
лабораторных занятиях осуществляется практическое изучение строения и эксплуатационных свойств конструкционных материалов. На семинарах рассматриваются физические основы технологических процессов, организации производства и ремонта техники из новых и перспективных материалов.
На самостоятельное изучение дисциплины слушателям отводится 40 часов.
Методическая
подготовка
слушателей
осуществляется
в
темах
1,2,3,4,5,6,7 в объеме 3 часов: из них 1 час отводится на общую подготовку и 2
часа на индивидуальную.
Способы формирования умений и навыков осуществляются в процессе
практических занятий на ведущих предприятиях по разработке, производству и
применению новых материалов, занятий в лаборатории и проведения семинаров.
По дисциплине предусмотрен экзамен. К экзамену допускаются студенты, сдавшие отчеты по лабораторным и практическим работам.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ И ТЕМ.
Введение.
Цели и задачи дисциплины. Роль дисциплины в системе специальных
дисциплин. Структура дисциплины.
65
РАЗДЕЛ 1. Новые и перспективные материалы в конструкции летательного аппарата.
Тема 1. Требования к авиационным материалам.
Требования к материалам цельной конструкции. Дополнительные требования к комплексу свойств материалов самолетных конструкций. Методы
определения основных свойств материалов. Критерии оценки качества материалов. Принципы выбора материала.
Тема 2. Материалы для обшивки летательных аппаратов.
Дуралюмины для клепанной обшивки Д16 и Д19. Сверхчистые сплавы.
Зарубежные алюминиевые сплавы. Алюминий – литиевые сплавы 1420, 1421,
1430, 1440, 1450, 1451, 1460. Алюминий – скандиевые сплавы. Сплав 1570. Бериллиевые сплавы.
Стеклопластики ВФТ-Ц, СК9ФА, СТМ-Ф, ВПС-19М, ВПС-27. Углепластики КМУ1 … КМУ11. Влияние климатических факторов на их свойства. Органопластики 2Т, 5Т, 6ТКС, 7ТКС, 11Т, кевлары. Применение сотовых панелей
в конструкции летательных аппаратов. Радиопоглощающие материалы для самолетов системы «СТЕЛС».
Тема 3. Материалы в конструкции силового набора планера.
Высокопрочные сплавы В93, В96, В96Ц. Титановые сплавы ВТ5-1, ВТ20,
ВТ22, ВТ25У, ВТ35. Сверхпластичность. Сплавы с эффектом памяти механической
формы ТМ1, ТНМ3, ВСП-1. Металлические сплавы в аморфном состоянии. Высокопрочные стали перлитного, мартенситного и аустенитного класса.
РАЗДЕЛ 2. Новые и перспективные материалы в конструкции двигателя.
Тема 4. Материалы для компрессора ГТД.
Общая характеристика материалов для ГТД. Титановые сплавы ВТ18У,
ВТ3-1, ВТ8, ВТ25, ВТ33. Интерметаллидные титан-алюминиевые сплавы. Жаропрочные стали ЭИ961, ЭП517, ЭП866, ЭП718, ВЖ39, ЭП700ВД. Алюмоторные композиции для деталей компрессора ВКА1, ВКА2. Магнийборная композиция ВКМ-1. Армированные композиционные материалы с металлической
матрицей, получаемые методом пропитки. Ситаллы.
66
Тема 5. Материалы для высокотемпературной охлаждаемой турбины.
Требования к материалам для дисков турбин. Деформируемые сплавы ЭИ
698, ЭП 742, ЭП 741, ЭП975. Диски турбин, получаемые из гранул. Пути повышения сопротивления малоцикловой усталости.
Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток турбин ЖС6К, ЖС6У,
ЖС6Ф, ВЖЛ12У, ЖС30М, ЖС32, ЖС36, ЖС40 и их зарубежные аналоги
PWA 1484, SC-150, CMSX-4.
Эвтектические сплавы ВКЛС-10, ВКЛС-20. Пути повышения жаропрочности.
Защитные покрытия для лопаток турбин. Алитирование, хромоалитирование, комплексное диффузионное покрытие. Вакуумно-плазменные, электроннолучевые, комбинированные покрытия. Теплозащитные покрытия.
Высокотемпературные керамические материалы. Кислородные керамические материалы. Керамические материалы на основе оксидов металлов. Свойства карбидной, нитридной и силицидной керамик. Технологические схемы получения деталей из керамики.
Прогрессивные методы защиты от коррозии авиационной техники. Механизм коррозии. Разрушение при межкристаллитной и питтинговой коррозии.
Коррозионное растрескивание. Методы защиты деталей из алюминиевых сплавов. Методы защиты от коррозии стальных деталей. Рациональное конструирование. Сохранность авиационной техники. Технико-экономическая эффективность противокоррозионных мероприятий. Экологические проблемы коррозии.
67
ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
изучения дисциплины
«Новые и перспективные материалы и технологии»
11. ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ ПО ВИДАМ УЧЕБНЫХ ЗАНЯТИЙ
№
Виды учебных Кол-во
Тема и учебные вопросы занятия
п/п
занятий
часов
1
2
3
4
1
Лекция № 1
2
Введение. Цели и задачи дисциплины. Роль
дисциплины в системе специальных дисциплин. Структура дисциплины.
РАЗДЕЛ 1. Новые и перспективные материалы
в конструкции летательного аппарата.
Тема 1. Требования к авиационным материалам. Требования к материалам цельной конструкции. Дополнительные требования к комплексу свойств материалов самолетных конструкций.
Методы
определения
основных
свойств материалов. Критерии оценки качества
материалов. Принципы выбора материала.
2
Лекция № 2
2
Тема 1. Требования к авиационным материалам. Методы определения основных свойств
материалов. Критерии оценки качества материалов. Принципы выбора материала.
3
Семинар № 1
2
(по теме 1)
4
Лекция № 3
Тема 1. Требования к авиационным материалам.
2
Тема 2. Материалы для обшивки летательных
аппаратов. Дуралюмины для клепанной обшивки Д16 и Д19. Сверхчистые сплавы. Зарубежные алюминиевые сплавы. Алюминий –
68
литиевые сплавы 1420, 1421, 1430, 1440, 1450,
1451, 1460. Алюминий – скандиевые сплавы.
Сплав 1570. Бериллиевые сплавы.
5
Лекция № 4
2
Тема 2. Материалы для обшивки летательных
аппаратов. Стеклопластики ВФТ-Ц, СК9ФА,
СТМ-Ф, ВПС-19М, ВПС-27. Углепластики
КМУ1…КМУ11. Влияние климатических факторов на их свойства. Органопластики 2Т, 5Т,
6ТКС, 7ТКС, 11Т, кевлары. Применение сотовых панелей в конструкции летательных аппаратов. Радиопоглощающие материалы.
6
Лабораторное
2
занятие № 1 (по
Изучение структуры композиционных материалов и изучение стекло-, угле-, боропластиков.
теме 2)
7
Лекция № 5
2
Тема 3. Материалы в конструкции силового
набора планера.
Высокопрочные сплавы В93, В96, В96Ц. Титановые сплавы ВТ5-1, ВТ20, ВТ22, ВТ25У,
ВТ35. Сверхпластичность. Сплавы с эффектом
памяти механической формы ТМ1, ТНМ3,
ВСП-1. Металлические сплавы в аморфном состоянии. Высокопрочные стали перлитного,
мартенситного и аустенитного класса.
8
Лабораторное
2
Металлографическое исследование алюминие-
занятие № 2 (по
вых сплавов и изучение композиционных ма-
теме 2)
териалов: КАС1, ВКА, ВКМ1 и бериллиевых
сплавов.
9
Практическое
занятие №1
6
Анализ применения новых материалов в конструкции летательного аппарата.
69
(по темам 1,2,3)
11
Лекция № 6
2
РАЗДЕЛ 2. Новые и перспективные материалы
в конструкции двигателя.
Тема 4. Материалы для компрессора ГТД. Общая характеристика материалов для ГТД. Титановые сплавы ВТ18У, ВТ3-1, ВТ8, ВТ25,
ВТ33. Интерметаллидные титан-алюминиевые
сплавы. Жаропрочные стали ЭИ961, ЭП517,
ЭП866, ЭП718, ВЖ39, ЭП700ВД.
12
Лекция № 8
2
Тема 5. Материалы для компрессора ГТД.
Алюмоторные композиции для деталей компрессора ВКА1, ВКА2. Магний-борная композиция ВКМ-1. Армированные композиционные
материалы с металлической матрицей, получаемые методом пропитки. Ситаллы.
13
Лабораторное
2
занятие № 3 (по
сплавов и изучение сплавов ВТ16, ВТ25, ВТ23.
теме 3,4)
14
Семинар № 2
прочность. Рекристаллизация.
2
(по темам 2-5)
16
Лабораторное
Металлографическое исследование титановых
Технологические методы изготовления деталей
АТ из композиционных материалов.
2
занятие № 4 (по
Металлографическое исследование сталей и
изучение цементируемых сталей и сталей КВК.
теме 3,5)
17
Лекция № 10
2
Тема 6. Материалы для высокотемпературной
охлаждаемой турбины. Требования к материалам для дисков турбин. Деформируемые сплавы ЭИ 698, ЭП 742, ЭП 741, ЭП975. Диски
турбин, получаемые из гранул. Пути повышения сопротивления малоцикловой усталости.
70
18
Лекция № 11
2
Тема 7. Материалы для высокотемпературной
охлаждаемой турбины. Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток турбин ЖС6К, ЖС6У,
ЖС6Ф, ВЖЛ12У, ЖС30М, ЖС32, ЖС36,
ЖС40 и их зарубежные аналоги PWA 1484, SC150, CMSX-4. Эвтектические сплавы ВКЛС-10,
ВКЛС-20. Пути повышения жаропрочности.
19
Лабораторное
2
Изучение структуры никелевых сплавов.
2
Тема 7. Материалы для высокотемпературной
занятие № 5 (по
теме 7)
20
Лекция № 12
охлаждаемой турбины. Защитные покрытия
для лопаток турбин. Алитирование, хромоалитирование, комплексное диффузионное покрытие. Вакуумно-плазменные, электроннолучевые, комбинированные покрытия. Теплозащитные покрытия.
21
Лабораторное
2
занятие № 6 (по
Изучение структуры и свойств защитных покрытий лопаток турбин
теме 7)
22
Лекция № 13
2
Тема 7. Материалы для высокотемпературной
охлаждаемой турбины. Высокотемпературные
керамические материалы. Кислородные керамические материалы. Керамические материалы
на основе оксидов металлов. Свойства карбидной, нитридной и силицидной керамик. Технологические схемы получения деталей из керамики.
23
Лекция № 14
2
Тема 7. Материалы для высокотемпературной
71
охлаждаемой турбины. Углеродные композиционные материалы. Получение материалов
углерод-углерод. Защита от окисления. Области применения материалов и изготовления из
них деталей авиационной техники.
24
Лекция № 15
2
Тема 7. Материалы для высокотемпературной
охлаждаемой турбины. Прогрессивные методы
защиты от коррозии авиационной техники.
Механизм коррозии. Разрушение при межкристаллитной и питтинговой коррозии. Коррозионное растрескивание. Методы защиты деталей из алюминиевых сплавов. Методы защиты
от коррозии стальных деталей. Рациональное
конструирование. Сохранность авиационной
техники. Технико-экономическая эффективность
противокоррозионных
мероприятий.
Экологические проблемы коррозии.
25
Лабораторное
2
занятие № 7 (по
тодов защиты авиационных сплавов от корро-
теме 7)
26
Практическое
занятие №2 (по
Изучение электрохимической коррозии и мезии и изучение лакокрасочных материалов.
6
Новые и перспективные материалы для авиационных двигателей
темам 5,6,7)
3. ЛИТЕРАТУРА.
1. Братухин А.Г., Язов Г.К., Карасев Б.Е., Крымов В.В., Елисеев Ю.С. Современные технологии в производстве газотурбинных двигателей. – М: Машиностроение, 1997 г.
72
2. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С., Крымов В.В., Авиационное материаловедение и технология обработки металлов. - М: Высшая школа, 1998 г.
3. Елисеев Ю.С., Абраимов Н.В., Крымов В.В. Химико-термическая обработка и защитные покрытия в авиадвигателестроении. - М: Высшая школа,
1999 г.
4. Братухин А.Г. Современные авиационные материалы. Технологические
и функциональные особенности. - М: Авиаинформ, 2001 г.
73
Приложение 3
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
дисциплины дополнительного профессионального образования
«Перспективные материалы для авиационной техники»
Введение
В настоящее время одним из актуальных требований подготовки специалистов в области материаловедения является углубление их знаний о современных материалах авиационной техники, технологии их получения и обработки, о физических основах управления структурой и свойствами материалов различного класса. Дисциплина «Перспективные материалы для авиационной техники» формирует технический кругозор специалистов и является
составной частью подготовки специалистов-материаловедов, способных решать прикладные и научно-исследовательские задачи.
1. Цель и задачи изучения дисциплины
Целью изучения дисциплины является формирование у студентов перечисленных ниже компетенций.
в производственно-технологической деятельности
Код компетенции
ПТ 1
Содержание компетенции
Коды занятий
Знать об особенностях строения новых Л1,
перспективных конструкционных мате- Л6…Л8
Л2,
ЛР1,
риалов, о связи структуры и эксплуата- ВР, СРС
ционных свойств различного класса материалов.
ПТ 2
Знать марки и классификацию метал- Л2…Л5,
Л11,
лических, неметаллических, интерме- Л12, СРС, ВР,
таллидных и композиционных матери- П31, ПЗ2
алов.
ПТ 3
Уметь назначать необходимое техноло- Л6…Л9, СРС,
74
гическое обеспечение при изготовлении ВР, ПЗ1, ПЗ2
различных изделий для авиационной
техники с использованием перспективных технологических процессов
ПТ 4
Владеть принципами разработки науч- Л10, 13…Л15,
но-обоснованных
технологических ПЗ1, СРС, ВР
процессов изготовления деталей авиационной техники из новых перспективных материалов
ПТ 5
Знать о перспективах разработки новых Л16…18,
конструкционных материалов и пер- ЛР2, ЛР3
спективных технологиях их обработки
СРС, ВР
в проектно-конструкторской деятельности
Код компетенции
ПК 1
Содержание компетенции
Коды занятий
Знать о перспективах разработки но- Л1…Л8, ЛР1,
вых конструкционных материалов и СРС
перспективных технологиях их обработки
ПК 2
Уметь выбирать новые конструкцион- Л5, Л6, ЛР2,
ные материалы для авиационной тех- ЛР1, ВР
ники на основе анализа комплекса
свойств и технических заданий
ПК 3
Уметь выбирать основное, вспомога- ЛР1,
ЛР2,
тельное и дополнительное оборудова- ПЗ1, ВР
ние для технологических процессов
в научно-исследовательской деятельности
Код компетенции
НИ 1
Содержание компетенции
Коды занятий
Знать основные принципы выбора ма- Л1…Л18, ЛР1,
териалов и технологий для использова- ЛР2, ПЗ1, ПЗ2,
75
ния в авиационной технике,
структуры
и
о связи ВР, СРС
физико-механических
свойств композиционных, интерметаллидных и керамических материалов
2. Виды и объем учебной работы
Виды занятий и аттестаций
Объем занятий и количество аттестаций
всего
Всего занятий, час
100
Всего аудиторных занятий, час.
48
в том числе
лекции, час.
36
практические занятия, час.
4
лабораторный практикум, час.
8
Всего самостоятельной работы 52
студента, час.
в том числе
курсовой проект, час.
курсовая работа, час.
расчетная
работа,
(расчетно-
графическая работа, реферат и
т.п.), час.
контрольная работа, час.
3. Содержание дисциплины и требования к уровню его усвоения
3.1. Содержание разделов дисциплины, виды занятий и их объем
№
Наименование разделов дисци-
п.п. плины
Объем занятий, час.
Лек-
Практ.
Лаб. прак- СРС
ции
занятия
тикум
76
1
Строение, свойства и технологи- 6
8
ческие способы изготовления деталей из волокнистых композиционных материалов
2
Армированные волокнами угле- 6
8
родные (углерод-углерод) композиционные материалы
3
Гибридные, комбинированные и 6
интеллектуальные
8
волокнистые
композиционные материалы
4
Интерметаллидные
сплавы. 8
4
8
4
8
Сплавы с эффектом памяти
формы.
5
Техническая керамика. Структу- 6
ра, свойства, методы получения.
6
Использование
наноматериалов 4
4
8
и нанотехнологий в авиационной
технике.
Всего
36
4
8
52
77
3.2. Содержание и требования к уровню усвоения теоретической части дисциплины
Наименование
Изучаемые дидактические
раздела дисци-
единицы
плины
Объем занятий в ча- Коды фор- Коды уровней
сах
Номер
Лек СРС
лекции ций
Строение,
Определение композиционных материалов. Мат- 1…3
6
8
мируемых
формируемых
знаний
знаний и уме-
и умений
ний
ЗУ1, ЗВ1
ПТ1, ПК1
свойства и тех- рица, армирующий элемент. Классификация комнологические
позитов. Основные схемы армирования. Дисперс-
способы изго- но-упрочненные композиционные материалы и
товления дета- композиционные материалы, армированные чалей из волок- стицами. Эффективное межчастичное расстояние.
нистых компо- Средний свободный промежуток между частицазиционных ма- ми. Микроструктура и свойства. Перспективные
териалов
системы дисперсно-упрочненных материалов и
методы
их получения. Применение дисперсно-
упрочненных композитов. Композиты, армированные частицами. Длинноволокнистые и слоистые композиционные материалы. Непрерывные
78
и дискретные волокна, слои. Расчет нагрузки на
волокно при растяжении. Зависимость свойств от
схемы армирования. Объемная доля упрочнителя.
Модуль упругости композиционного материала.
Усталостное разрушение. Композиты с волокнами
конечной длины. Композиты с ультратонкими волокнами и слоями. Адгезия волокна к матрице.
Вискеризация волокон. Виды и свойства упрочнителей. Прочность на разрыв различных волокнистых материалов. Нитевидные кристаллы. Максимальная
прочность усов. Модули упругости
усов. Масштабный фактор. Влияние температуры
на прочность. Влияние поверхностных слоев. Волокна. Физические и механические свойства различных волокон. Металлические упрочнители.
Стальная и бериллиевая проволока. Борные волокна
Армированные
Углерод-углерод
композиционные
материалы 4…6
6
8
ЗВ2, УО1
ПТ2, ПК1
79
волокнами угле (УУКМ). Классификационные признаки: состав
родные
(угле- исходных компонентов (коксо-пековые компози-
род-углерод)
ции, саженаполненные пековые
или феноло-
композицион-
формальдегидные композиции и т.д.); технология
ные материалы
получения (газофазная, жидкофазная, твердофазная); характеристика структуры (молекулярная,
кристаллическая, пористая, а для УУКМ схема
армирования); функциональное назначение (конструкционные теплозащитные, антифрикционные
и др.); области применения. Армирующие каркасы. Углеродные волокна. Низкомодульные высокомодульные, высокопрочные волокна и волокна
с повышенным удлинением. Свойства углеродных волокон. Технологические методы воздействия на поверхность волокон. Методы изготовления объемных структур углеродных каркасов.
Управление анизотропией свойств УУКМ. Коэффициенты
армирования
структур.
Матрицы
80
УУКМ. Жидкофазная и газопиролитическая технология, Пропитка. Применение УУКМ. Типичные эксплуатационные свойства УУКМ
Гибридные,
Гибридные, комбинированные и интеллектуаль- 7…9
комбинирован-
ныемы, трехслойные системы с заполнителем,
ные и интел- метало-полимерные
и
6
8
ЗВ3, УО2
ПТ3, ПТ4, ПК2
10
ЗУ2, УП1
ПТ3, ПТ4, ПК3
полимер-керамические
лектуальны во- композиты. «Интеллектуальные» композиционлокнистые
ные материалы (ИКМ) и композитные конструк-
композицион-
ции. Новые адаптирующиеся, активные, управля-
ные материалы
емые и сенсорные ИКМ. Проектирование и расчет
конструкций из ИКМ. Технология изготовления,
сборки и испытаний конструкций из ИКМ. Информационно-измерительные и управляющие системы в ИКМ и конструкциях. Нанотехнологии
при разработке новых материалов для аэрокосмической техники.
Интерметалидные
Интерметаллидные соединения. Основные опре- 10…13 8
сплавы. деления. Дальтониды, бертоллиды и фазы Курна81
Сплавы с эф- кова. Кристаллическая структура упорядоченных
фектом памяти фаз. Структура и свойства упорядоченных фаз со
формы.
структурой В2. Структура и свойства упорядоченных фаз со структурой L10 и L12. Фазы на основе титана, железа, никеля и меди (TiAl, Ti3Al,
Ni3Al, PtCu). Структура и свойства. Синтез, свойства и применение алюминидов титана. α2 и γ
сплавы. Интерметаллидные сплавы с эффектом
памяти формы. Обратимые и необратимые микромеханизмы деформации. Движущие силы возврата деформации. Термоупругий мартенсит.
Прямое и обратное мартенситное превращение.
Методы обработки интерметаллидных соединений. Динамическая рекристаллизация в интерметаллидах. Обработка интерметаллических соединений в условиях сверхпластичности.
Техническая
Керамические материалы. Физикохимия исходных 14…16 6
керамика.
компонентов. Оксидные системы (оксид алюминия,
10
ЗВ4,
ЗУ3, ПТ4,
УО3, УИ1
ПК2,
НИ1
82
Структура,
диоксидциркония, двойные и тройные оксиды).
свойства, мето- Бескислородные тугоплавкие соединения и сиалоды получения.
ны (карбид кремния, нитрид кремния и сиалоны).
Физико-механические свойства керамики. Теплофизические, электрофизические и механические
свойства. Химическая стойкость, оптические и
магнитные свойства. Перспективные технологии
получения керамик. Процессы с участием паровой
и жидкой фазы. Синтез в твердой фазе. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез.
Процессы с участием жидкой фазы. Методы обработки керамик. Обработка давлением в условиях
сверхпластичности. Техническая керамика. Инструментальная керамика. Физико-химические основы технологии инструментальной керамики. Методы соединения керамик с другими материалами.
Диффузионная
сварка керамики. Особенности
структуры и методов обработки.
83
Использование
Наноструктурные материалы. Технология полу- 17…18 4
Наноматериа-
чения и свойства нанопорошков. Химические ме-
6
ЗВ5,
ЗУ4, ПТ5, НИ1
УИ2
лов и нанотех- тоды синтеза нанопорошков. Физические методы
нологий
в получения нанопорошков. Механические методы
авиационной
получения нанопорошков. Объемные нанострук-
технике.
турные материалы. Особенности модели наноструктур. Необычные свойства наноструктурных
материалов и области их применения.
3.3. Перечень практических (семинарских) занятий и требования к уровню усвоения их содержания
Наименование разде- Наименование занятия
Объем занятий в часах
ла дисциплины
Коды форми- Коды
руемых
уров-
зна- ней формиру-
ний и умений
емых знаний
и умений
Номер
Аудит.
занятия
занятий
Использование нано- Решение задач по определению сте- 1…2
материалов и нано- пеней деформации в заготовках при
4
СРС
2
ЗВ1,
УП1, ПТ3,
УИ1, УС1
ПК2,
ПК3
84
технологий в авиаци- интенсивной пластической дефоронной технике.
мации (4 часа)
3.4. Перечень занятий лабораторного практикума и требования к уровню усвоения их содержания
Наименование раздела дисци- Наименование занятия
Объем занятий в часах
плины
Коды форми- Коды
руемых
уров-
зна- ней формиру-
ний и умений
емых знаний
и умений
Интерметаллидные
сплавы. Исследование
Номер
Аудит.
занятия
занятий
эффекта 1
4
СРС
2
УН4, УП4
Сплавы с эффектом памяти памяти формы монокриформы.
ПТ4,
ПК1
сталлических сплавов
Техническая керамика. Струк- Твердые сплавы
тура, свойства, методы получе-
ПТ3,
2
4
2
УН5, УП5
ПТ3,
ПТ4,
ПК1
ния.
85
4. Методическое, информационное и материально-техническое обеспечение дисциплины
4.1. Рекомендуемые учебно-методические издания и иные информационные источники
Основная литература
1. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: МИСИС, 2005 .- 432 с.
2. Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение. – М.: Логос, 2006 .- 400 с.
3. Костиков В.И., Варенков А.Н. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы. – М.: Интермет Инжиниринг, 2003 .- 560 с.
4. Кербер М. Полимерные композиционные материалы. Структура,
свойства, технологии. – СПб.: «Профессия», 2008. – 560 с.
5. Прокофьева В.В., Багаутдинов З.В., Котова В.Г. Керамика. Сырье и
материалы для керамической промышленности. Том 1. – СПб.: Ютас, 2007. 224 с.
6. Поздняков В.А. Физическое материаловедение наноструктурных материалов: Учебное пособие. – М.: МГИУ, 2007. - 424 с.
7. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. – М.:
Физматлит, 2007. - 414 с.
8. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с.
9. Новые материалы /Под ред. Карабасова Ю.С. – М.: МИСИС, 2002. –
736 с.
86
Дополнительная литература и иные информационные источники
1. Костиков В.И., Варенков А.Н. Композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов, армированных углеродными волокнами. – М.: Интермет Инжиниринг, 2000. - 446 с.
2. Шейдеман И.Ю., Вишневский Г.Е., Калачихина З.В. Конструкционные неметаллические материалы / Под ред. А.Ф.Белова. – М.: Изд-во МАИ,
1981. - 69с.
3. Валиев, Р.З.. Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. – М.: Логос, 2000. - 272с.
4. Попов В.А., А.Г. Кобелев, В.Н. Чернышев Нанопорошки в производстве композитов. – М.:Интермет Инжиниринг, 2007. - 336 с.
87