Инновации на практике: как устроены школьные лаборатории по нанотехнологиям

Инновации на практике: как устроены школьные лаборатории по нанотехнологиям

В начале 2018 года резидент Технопарка Университета ИТМО, компания «НТ-СПб» завершила оснащение пяти региональных кванториумов оборудованием собственного производства. Оборудование объединено в «Школьную лабораторию по нанотехнологиям», где школьники могут не только наглядно изучать новую область, но и выполнять междисциплинарные проекты, в основе которых — реальные задачи из наноиндустрии. Как создать высокотехнологичное оборудование, которое не опасно давать в руки даже детям, какие задачи решают лаборатории по нанотехнологиям и почему школьники подчас могут предложить лучшее решение, чем их наставники — рассказали профессор кафедры нанофотоники и метаматериалов Александр Голубок и научный сотрудник лаборатории метаматериалов Иван Мухин.

Университет ИТМО стал федеральным тьютором программы «Агентства стратегических инициатив» по созданию новой модели дополнительного образования для детей еще в прошлом году. Именно с этого времени вуз активно включился в  разработку концепции наноквантумов, являющихся частью кванториумов — детских технопарков, которые с 2016 года начали открываться по всей стране. В Университете решается комплексная задача, включающая в себя как разработку образовательных программ для федеральных проектов дополнительного школьного образования и обучение преподавателей для работы в наноквантумах, так и разработку и производство на базе Технопарка ИТМО специального оборудования для образовательных программ в области нанотехнологий.

«В Университете ИТМО нанотехнологиями стали заниматься еще до того, как это стало модным. Сначала на базе кафедры нанотехнологий и материаловедения, а в настоящее время на физико-техническом факультете. Еще 15 лет назад была организована Компания “НТ-СПб (“Нанотехнологии Санкт-Петербург”), которая уже более 10 лет функционирует в Технопарке Университета ИТМО и совместно с компанией “ЛМТ”, также являющейся резидентом Технопарка, разрабатывает различные типы сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ). Эти приборы являются одним из базовых инструментов современных нанотехнологий и уже многие годы используются в Университете ИТМО. Поскольку с самого начала разрабатываемое оборудование применялось не только в научных исследованиях, но и в образовательном процессе, мы накопили большой опыт, который лег в основу Учебно-методического комплекса на базе СЗМ и получил название NanoEducator. Этим комплексом оснащены многие университеты, он также нашел применение и в школах, в том числе в Санкт-Петербурге. Конечно, имея опыт апробации в учебном процессе в ИТМО, мы постоянно развиваем этот проект, и сейчас он выпускается под брэндом “NanoTutor”. Относительно недавно появился научно-образовательный центр “Сириус”, где также есть направление “нанотехнологии”, а позже по всей стране стали создаваться детские технопарки — кванториумы. И впоследствии оказалось, что наше оборудование, да и в целом концепция УМК “NanoTutor” очень хорошо подходит для задач, решаемых в Сириусе и детских технопарках», — рассказывает Александр Голубок, профессор кафедры нанофотоники и метаматериалов.

Александр Голубок

Александр Голубок

В настоящее время в общей сложности в России работает уже более 500 единиц оборудования. Были также поставки в Европу (Нидерланды, Италия). В конце прошлого года — начале этого компания «НТ-СПб», выиграв конкурс, завершила оснащение пяти кванториумов в регионах — в Сколково, Королеве, Рязани, Рыбинске и Пензе. Таким образом, здесь появились полноценные «Школьные лаборатории по нанотехнологиям».

Опираясь на опыт работы с образовательными учреждениями, компания разработала приборы, адаптированные к студенческой  аудитории, которые подходят для выполнения разного типа задач и с которыми могут работать как студенты, так и школьники. Главная идея, от которой отталкивались разработчики, — сделать высокотехнологичные приборы безопасными и дать возможность школьникам самим поработать на оборудовании и «почувствовать» наномир.

«Нанооборудование — как правило, сложное, дорогое, а иногда и небезопасное. Мы же задались целью сделать такое оборудование, которое не требует дорогих расходных материалов и которое школьники могут использовать ежедневно в своих проектах. Такой подход мы называем “шагом за шагом в наномир”, поскольку он действительно формирует совершенно иное мировоззрение – наномировозрение. Ведь 15 лет назад специалист с высшим инженерным образованием едва ли бы поверил в то, что сейчас доступно даже школьнику. А сегодня ребята, которые только приходят в университет, должны  знать, что можно работать внутри микрона и даже на атомном уровне. Скорость развития технологий такова, что учить надо не тому, что есть, а тому, что будет», — говорит Александр Голубок.

Как устроены школьные лаборатории по нанотехнологиям

Школьные лаборатории по нанотехнологиям представляют собой единую замкнутую систему, каждый элемент которой служит для выполнения общей задачи. В максимальной комплектации это широкий спектр оборудования для проведения междисциплинарных исследований — сканирующий зондовый микроскоп NanoTutor, оснащенный как кремниевыми зондами-кантилеверами, так и вольфрамовыми зондами и технологической установкой для их изготовления, оптический микроскоп с СЗМ-приставкой MicProbe, прибор ProBeam, представляющий собой настольный электронный микроскоп, совмещенный с СЗМ модулем, рентгенофлуоресцентный спектрометр, программный тренажер для обучения работе на СЗМ, комплект учебно-методических материалов, а также комплект образцов для исследования.

«В тех же ФабЛабах тоже существует комплекс из различного оборудования: это и 3D-принтеры, и лазерные граверы, и другие приборы. В целом все они являются инструментарием для реализации больших проектов. Когда мы создавали школьные лаборатории по нанотехнологиям, мы исходили из этой же идеологии, поэтому наша лаборатория — это своего рода нанофаблаб, где с помощью системы оборудования можно выполнить конкретный завершенный проект», — рассказывает Иван Мухин, научный сотрудник лаборатории метаматериалов.

Важная особенность: все приборы не опасны для детей, кроме того, они не предполагают использования дорогих расходных материалов, что ограничивает школьников в работе.

Какие задачи можно выполнять в лабораториях

Задачи могут быть самые разные. Прежде всего здесь на простых примерах, используя специальное оборудование, ребята могут понять, как устроен окружающий мир. Почему лепестки лотоса не впитывают влагу? От чего зависит окраска бабочки? И как устроен человеческий волос? Это лишь неполный перечень вопросов, на которые можно ответить, начав изучать нанотехнологии.

С одной стороны, обучаясь работе на приборах школьной нанолаборатории, школьники могут на практике ощутить, как работают важнейшие физические законы. Например, увидеть, как используется квантовый туннельный эффект в работе туннельного микроскопа, как с помощью пьезоэффекта осуществить механические перемещения с «атомным» шагом, узнать, как с помощью закона Гука, лазера, фотодиода, оптического рычага измерить сверхмалую силу, а также, понять, как электрохимическая реакция помогает изготовить сверхострую металлическую иглу или как с помощью компьютера можно улучшить зашумленное изображение и сделать его квази-трехмерным и многое другое. Важно, что школьники видят, как на практике «оживают» различные разделы физики, химии, математики, информатики, говорит Александр Голубок. С другой стороны, возможности школьной нанолаборатории не ограничены какой-либо одной областью — учащиеся одновременно работают над решением задач из физики, химии, биологии и IT.

«Как мы в принципе ставим задачи для школьников? Мы не говорим им, что это дано, а это надо найти. Мы предлагаем им решить задачу и спрашиваем, как они будут это делать. И они это делают, — продолжает Иван Мухин. — Например, в Сириусе мы предложили ребятам решить проблему приживляемости титановых имплантов. Как известно, это очень серьезная и актуальная на сегодняшний момент задача. При этом ребята подошли к проблеме комплексно и предложили два решения: они подобрали не только такие условия, при которых обработка поверхности приводит к максимальной приживляемости титановых имплантов, но и проработали ситуацию, при которой, напротив, взаимодействия с клетками не происходит, что очень важно для временных имплантов».

Многие задачи, которые решаются в лабораториях, могут приходить как из научных центров, так и от индустриальных партнеров. Яркий пример: проект по защите информации. Например, школьники уже предложили решение, как с помощью нанотехнологий защитить документы от подделок. Благодаря нанотехнологиям создается метка, по уникальности сравнимая с отпечатком пальца. Подделать ее практически невозможно, но при этом она проста в использовании, и ее можно считать с помощью обычного оптического микроскопа.

В итоге ребята получают целый комплекс навыков: они учатся работать с высокотехнологичным оборудованием, выполнять с помощью компьютера математическое моделирование, использовать научную информацию и в целом — вести проектно-исследовательскую деятельность.

Как показывает практика, здесь могут обучаться школьники, начиная с пятого класса, говорит Иван Мухин. С этого возраста ребята приступают к выполнению простых лабораторных работ, которые позволяют освоить оборудование. Таким образом, начиная со средней школы постепенно создается база, которая впоследствии позволяет им продолжить естественнонаучное образование.

Однако наиболее вовлеченно в лабораториях обучаются школьники 9-11 классов, которые прошли в школе базовый курсы физики, химии, математики. Они уже приступают к выполнению проектов, а также могут существенно расширить условия, которые предлагаются в заданиях. Особую роль в процессе работы выполняют наставники, которые, с одной стороны, должны давать дополнительные знания, а с другой — предоставлять школьникам свободу действий и возможность творчески подойти к реализации проекта.

Кто обучает в школьных лабораториях по нанотехнологиям

Подготовкой региональных наставников для лабораторий нанотехнологий также занимается команда Университета ИТМО. Обучение преподавателей проходит два раза в год на базе инжинирингового центра и нанокласса, недавно открывшегося  на физико-техническом факультете. Наставники посещают лекции и мастер-классы, где учатся работать с оборудованием, вести проектную деятельность, а также эффективно взаимодействовать со школьниками. При этом в обучении учитывается специфика каждого конкретного региона. Например, часть кванториумов сотрудничает с университетами и предприятиями, поэтому они, как правило, заинтересованы в том, чтобы учитывать в проектной деятельности запросы партнеров. Кроме того, Университет ИТМО регулярно проводит вебинары, в течение которых наставники из регионов могут более оперативно уточнить возникающие вопросы.

Как отмечает Александр Голубок, в будущем для подготовки наставников для кванториумов перспективно организовать и специальные магистерские программы.

«Если смотреть на вопрос шире, то давайте определимся: кто такой наставник в наноквантуме? Если говорить старым языком, это учитель труда. Только это инновационный учитель, который должен знать физику, химию, биологию, информатику, проектирование и уметь вести проектную деятельность. Такого специалиста можно подготовить за два года в магистратуре, идеальный кандидат — это студент, который окончил бакалавриат по техническим наукам. По такому же принципу, например, уже готовят преподавателей для ФабЛабов. Поэтому в перспективе, учитывая актуальность этого направления, следует организовать подготовку наставников именно на базе специализированных магистерских программ», — говорит профессор кафедры нанофотоники и метаматериалов.

Отметим, что в 2018 году, согласно планам, кванториумы появятся еще в 25 регионах России. Об этом ранее сообщала гендиректор АСИ Светлана Чупшева. Таким образом, сеть детских технопарков будет представлена 80 объектами в 61 регионе страны.

Статья Елены Меньшиковой, Новостной портал ITMO.NEWS


Другие новости

Нанофильтры крови и газовые сенсоры на графене — как школьники обучаются науке в «Сириусе»

Сотрудники физико-технического факультета Университета ИТМО обучили воспитанников образовательного центра «Сириус» методикам научно-исследовательской работы в области нанотехнологий. Под их руководством школьники реализовали два проекта: создание массивов упорядоченных наноструктур для приборов нового ...

Эффективные стратегии project-based learning в ВУЗе

24 мая команда физико-технического факультета провела мастер-класс «Эффективные стратегии project-based learning в ВУЗе» в рамках проекта ITMO.Expert — программы профессионального развития для преподавателей и научных сотрудников Университета ИТМО. Участники мастер-класса ...

НТ-СПб в программе EdTech Предакселератора ED2

Команда НТ-СПб приняла участие в программе EdTech Предакселератора ED2. Совместно с экспертами Предакселератора развиваем проект «Интерактивный тренажер сканирующего зондового микроскопа (e-learning) – базового инструмента диагностики и исследований в нанотехнологиях» ...



Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики
Телефон: +7 (812) 251-26-05

По всем вопросам обращайтесь к администратору сайта:
ntspb@corp.ifmo.ru

Технопарк. ООО «НТ-СПб»
199034, Санкт-Петербург, Биржевая линия В. О., д. 14-16