eng
Разработанные и апробированные автором новые методики преподавания, которые реализованы на базе серийного микроскопа СММ-2000, позволяют проводить интересные и понятные учебные курсы по зондовой микроскопии и нанотехнологиям.
УДК 620.187; ВАК 01.04.01; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.81.2.174.179
УДК 620.187; ВАК 01.04.01; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.81.2.174.179
Теги: atomic resolution cканирующая зондовая микроскопия scanning probe microscopy vocational guidance атомное разрешение профессиональная ориентация
Уникальный курс обучения, включающий сборку микроскопа своими руками, проводится автором с 2008 года. После его прохождения с микроскопами может работать подавляющее большинство учащихся группы (без сборки могли бы лишь единицы). Курс развивает уверенность учащихся в своих силах и формирует доверие к отечественной технике. Собрав прибор, студенты не боятся дорабатывать его для проведения конкретных экспериментов, например, для сканирования докрасна раскаляемой током проволоки с нанесенными наночастицами. Тем самым развиваются навыки работы на нестандартных приборах в специальных областях, где выше вероятность совершения новых открытий. Простота микроскопа-конструктора СММ-2000, состоящего всего из 16 соединяемых без пайки деталей, позволяет осваивать его школьникам; расчет конструкции и сборка этого микроскопа вошли в предпрофессиональный экзамен школьных инженерных классов [1].
АТОМНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ НА ПАРТЕ
Обучение зондовой микроскопии начинается с истории о получении Нобелевской премии за достижение атомного разрешения, после чего у учащихся возникает желание проверить эту возможность. Уникальная конструкция микроскопа СММ-2000 обеспечивает достижение атомного разрешения и позволяет непосредственно на парте продемонстрировать получение изображений атомов, что укрепляет доверие учащихся.
ПУТЬ В НАУКУ
Преподаватель, имея в своем распоряжении включенные в государственный реестр средств измерений России микроскопы СММ-2000, на которых для учебных целей достигнуто надежное атомное разрешение в режимах сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ), может предложить знакомым и незнакомым ученым присылать образцы для исследования. После сканирования учащиеся отсылают полученные изображения по электронной почте. 72-часовая программа курса зондовой микроскопии позволяет реализовать такую схему сотрудничества [2], что способствует вовлечению учащихся в научную деятельность. Вместе с образцами ученые передают "искру" своего научного поиска, полученные изображения часто включают в свои научные публикации и даже указывают учащихся в числе соавторов, закладывая начало их научного пути. Наличие публикаций позволяет учащимся, например, участвовать в конкурсах на гранты или именные стипендии. Весьма полезным оказывается также умение оформлять результаты в соответствии с требованиями для научных статей [3]. Напечатав сборник лучших из этих статей, педагог повышает самооценку учащихся и формирует их профориентацию.
ПРОЕКТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
После объяснения сути режимов работы зондовых микроскопов преподаватель может доверить самим учащимся генерацию тем для проектных, курсовых и дипломных работ. Направив их на путь самостоятельного научного поиска, он одновременно решает проблему обычной нехватки тем для таких работ.
Кроме базовых режимов СТМ и контактной, полуконтактной и бесконтактной АСМ, микроскоп СММ-2000 предоставляет возможность использования еще более чем 25 дополнительных режимов [4]. Они позволяют с нанометровой точностью в широком диапазоне температур (от –40 до 150°С и выше) получать карты распределения на рельефе различных физических свойств: электропроводности, электрических потенциалов, емкости, намагниченности, электролюминесценции, фоточувствительности, электронной плотности, концентрации примесей и других полупроводниковых свойств, теплопроводности, трения, адгезии, упругости, вязкости, акустических свойств, широкого спектра пьезоэлектрических и магнитных свойств и даже молекулярного состава [5]. Задача учащегося при этом – подобрать для полученного образца режим, выявляющий его специфичные качества, и переконструировать микроскоп под этот режим. Умножив число исследуемых в разных режимах свойств на количество возможных типов объектов исследования, мы получаем практически неограниченное число тематик современного физического эксперимента. Например, оно далеко не исчерпано автором за годы преподавания в МИФИ (с 2006 года) и в МИЭТ (с 2008 года).
УДАЛЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Функция удаленного управления микроскопом СММ-2000 открывает перед учащимися новую возможность выполнения лабораторных и проектных работ. Установив в учебное время в микроскоп образец [5], учащиеся могут управлять прибором с любого компьютера из дома или из другого места в любое время суток. При этом на компьютере микроскопа педагог контролирует активность учащихся и определяет, кто нуждается в индивидуальной помощи. А учащиеся могут получать первый опыт коммерциализации знаний и умений, выполняя оплачиваемые заказы на сканирование образцов, и это во всех смыслах приносит им пользу.
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ИГРЫ И 3D-ПРИНТЕРЫ
В настоящее время большое внимание уделяется профориентации школьников, создаются детские образовательные центры и технопарки. Но, хотя школьников и отправляют в них целыми классами, в итоге эффективными оказываются только те образовательные программы, которые посещаются из интереса. Микроскоп СММ-2000 с 2017 года имеет уникальные опции [4] для начального привлечения школьников, которые хорошо зарекомендовали себя на практике, причем уже есть опыт организации платных курсов. Например, распечатав рельеф полученного изображения на 3D-принтере, учащийся может буквально прикоснуться руками к "наномиру", загадочному и непохожему на привычный для нас макромир. Особенно интересно "пощупать" атомы. Интересно и понаблюдать за работой 3D-принтера. Также есть возможность [5] транслировать полученный в микроскопе кадр в компьютерные игры (Minecraft и другие) и поиграть в "наномире", как бы уменьшившись до его размеров – строить, сражаться, летать, в том числе в виртуальной реальности с использованием 3D-шлема, что привлекает школьников и является мостиком к их профориентации.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Московский центр качества образования, 2017. http://mcko.ru/pages/m_n_d_pre-professional_exam.
Moskovskij centr kachestva obrazovaniya, 2017. http://mcko.ru/pages/m_n_d_pre-professional_exam.
2. Логинов Б.А. Учебная программа курса "Сканирующая зондовая микроскопия", 2011. http://www.z-proton.ru.
Loginov B.A. Uchebnaya programma kursa "Skaniruyushchaya zondovaya mikroskopiya". [The curriculum of the course "Scanning probe microscopy"] 2011. http://www.z-proton.ru.
3. Логинов Б.А. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия: Учебно-методическое пособие. – М.: МИФИ, 2008. 224 с.
Loginov B.A. Skaniruyushchaya tunnel'naya i atomno-silovaya mikroskopiya: uchebno-metodicheskoe posobie. [Scanning tunnel and atomic force microscopy: teaching aid]. M.: MEPhI, 2008. 224 p.
4. Логинов Б.А. Физическое образование в вузах. 2017. Т. 23. № 4. С. 71–78.
Loginov B.A. Fizicheskoe obrazovanie v vuzah. [Physical education in universities]. 2017. Vol. 23. No. 4. P. 71–78.
5. Сканирующий зондовый микроскоп СММ-2000. 2018. www.microscopy.su; www.микроскоп.su.
CMM-2000 scanning probe microscope. 2018. www.microscopy.su.
АТОМНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ НА ПАРТЕ
Обучение зондовой микроскопии начинается с истории о получении Нобелевской премии за достижение атомного разрешения, после чего у учащихся возникает желание проверить эту возможность. Уникальная конструкция микроскопа СММ-2000 обеспечивает достижение атомного разрешения и позволяет непосредственно на парте продемонстрировать получение изображений атомов, что укрепляет доверие учащихся.
ПУТЬ В НАУКУ
Преподаватель, имея в своем распоряжении включенные в государственный реестр средств измерений России микроскопы СММ-2000, на которых для учебных целей достигнуто надежное атомное разрешение в режимах сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ), может предложить знакомым и незнакомым ученым присылать образцы для исследования. После сканирования учащиеся отсылают полученные изображения по электронной почте. 72-часовая программа курса зондовой микроскопии позволяет реализовать такую схему сотрудничества [2], что способствует вовлечению учащихся в научную деятельность. Вместе с образцами ученые передают "искру" своего научного поиска, полученные изображения часто включают в свои научные публикации и даже указывают учащихся в числе соавторов, закладывая начало их научного пути. Наличие публикаций позволяет учащимся, например, участвовать в конкурсах на гранты или именные стипендии. Весьма полезным оказывается также умение оформлять результаты в соответствии с требованиями для научных статей [3]. Напечатав сборник лучших из этих статей, педагог повышает самооценку учащихся и формирует их профориентацию.
ПРОЕКТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
После объяснения сути режимов работы зондовых микроскопов преподаватель может доверить самим учащимся генерацию тем для проектных, курсовых и дипломных работ. Направив их на путь самостоятельного научного поиска, он одновременно решает проблему обычной нехватки тем для таких работ.
Кроме базовых режимов СТМ и контактной, полуконтактной и бесконтактной АСМ, микроскоп СММ-2000 предоставляет возможность использования еще более чем 25 дополнительных режимов [4]. Они позволяют с нанометровой точностью в широком диапазоне температур (от –40 до 150°С и выше) получать карты распределения на рельефе различных физических свойств: электропроводности, электрических потенциалов, емкости, намагниченности, электролюминесценции, фоточувствительности, электронной плотности, концентрации примесей и других полупроводниковых свойств, теплопроводности, трения, адгезии, упругости, вязкости, акустических свойств, широкого спектра пьезоэлектрических и магнитных свойств и даже молекулярного состава [5]. Задача учащегося при этом – подобрать для полученного образца режим, выявляющий его специфичные качества, и переконструировать микроскоп под этот режим. Умножив число исследуемых в разных режимах свойств на количество возможных типов объектов исследования, мы получаем практически неограниченное число тематик современного физического эксперимента. Например, оно далеко не исчерпано автором за годы преподавания в МИФИ (с 2006 года) и в МИЭТ (с 2008 года).
УДАЛЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Функция удаленного управления микроскопом СММ-2000 открывает перед учащимися новую возможность выполнения лабораторных и проектных работ. Установив в учебное время в микроскоп образец [5], учащиеся могут управлять прибором с любого компьютера из дома или из другого места в любое время суток. При этом на компьютере микроскопа педагог контролирует активность учащихся и определяет, кто нуждается в индивидуальной помощи. А учащиеся могут получать первый опыт коммерциализации знаний и умений, выполняя оплачиваемые заказы на сканирование образцов, и это во всех смыслах приносит им пользу.
КОМПЬЮТЕРНЫЕ ИГРЫ И 3D-ПРИНТЕРЫ
В настоящее время большое внимание уделяется профориентации школьников, создаются детские образовательные центры и технопарки. Но, хотя школьников и отправляют в них целыми классами, в итоге эффективными оказываются только те образовательные программы, которые посещаются из интереса. Микроскоп СММ-2000 с 2017 года имеет уникальные опции [4] для начального привлечения школьников, которые хорошо зарекомендовали себя на практике, причем уже есть опыт организации платных курсов. Например, распечатав рельеф полученного изображения на 3D-принтере, учащийся может буквально прикоснуться руками к "наномиру", загадочному и непохожему на привычный для нас макромир. Особенно интересно "пощупать" атомы. Интересно и понаблюдать за работой 3D-принтера. Также есть возможность [5] транслировать полученный в микроскопе кадр в компьютерные игры (Minecraft и другие) и поиграть в "наномире", как бы уменьшившись до его размеров – строить, сражаться, летать, в том числе в виртуальной реальности с использованием 3D-шлема, что привлекает школьников и является мостиком к их профориентации.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Московский центр качества образования, 2017. http://mcko.ru/pages/m_n_d_pre-professional_exam.
Moskovskij centr kachestva obrazovaniya, 2017. http://mcko.ru/pages/m_n_d_pre-professional_exam.
2. Логинов Б.А. Учебная программа курса "Сканирующая зондовая микроскопия", 2011. http://www.z-proton.ru.
Loginov B.A. Uchebnaya programma kursa "Skaniruyushchaya zondovaya mikroskopiya". [The curriculum of the course "Scanning probe microscopy"] 2011. http://www.z-proton.ru.
3. Логинов Б.А. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия: Учебно-методическое пособие. – М.: МИФИ, 2008. 224 с.
Loginov B.A. Skaniruyushchaya tunnel'naya i atomno-silovaya mikroskopiya: uchebno-metodicheskoe posobie. [Scanning tunnel and atomic force microscopy: teaching aid]. M.: MEPhI, 2008. 224 p.
4. Логинов Б.А. Физическое образование в вузах. 2017. Т. 23. № 4. С. 71–78.
Loginov B.A. Fizicheskoe obrazovanie v vuzah. [Physical education in universities]. 2017. Vol. 23. No. 4. P. 71–78.
5. Сканирующий зондовый микроскоп СММ-2000. 2018. www.microscopy.su; www.микроскоп.su.
CMM-2000 scanning probe microscope. 2018. www.microscopy.su.
Отзывы читателей
