Организация и проведение занятий по изучению вопросов нанотехнологии в рамках основной и вариативной программы обучения студентов педагогического вуза

Министерство образования и науки Российской Федерации 

Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего профессионального образования 
«Дальневосточный федеральный университет» 

Шарощенко В.С. 

 

ОРГАНИЗАЦИЯ И ПРОВЕДЕНИЕ 
ЗАНЯТИЙ ПО ИЗУЧЕНИЮ ВОПРОСОВ 
НАНОТЕХНОЛОГИИ В РАМКАХ 
ОСНОВНОЙ И ВАРИАТИВНОЙ 
ПРОГРАММЫ ОБУЧЕНИЯ СТУДЕНТОВ 
ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ВУЗА  

Методическое пособие для преподавателей педагогических вузов 

 

Vladimir S. Sharoshchenko  

ORGANIZING AND CONDUCTING COURSES 
IN NANOTECHNOLOGY IN THE FRAMEWORK 
OF THE MAIN AND VARIABLE TRAINING PROGRAM 
FOR STUDENTS OF A PEDAGOGICAL UNIVERSITY  

Moscow, BIBLIO-GLOBUS, 2018 

 

 

Москва 
БИБЛИО-ГЛОБУС 
2018 

УДК 378.147 
ББК74.48 
Ш26 

Рецензенты: 

Шаронова Н.В. – доктор пед. наук, профессор кафедры теории и методики 
обучения физике им. А.В. Перышкина ФГБОУ ВО «Московский педагогиче-
ский государственный университет». 
Синько В.Г. – врио заведующего кафедрой математики, физики и методики 
преподавания школы педагогики Дальневосточного федерального университета. 

Шарощенко В.С. 

Ш 26 

Организация и проведение занятий по изучению вопросов нанотехно-
логии в рамках основной и вариативной программы обучения студен-
тов педагогического вуза: учеб. пособие / В.С. Шарощенко – М.: 
БИБЛИО-ГЛОБУС, 2018. – 182 с. 

ISBN 978-5-907063-26-6 
DOI 10.18334/9785907063266 

Значение нанотехнологии для современной науки трудно недооценить. Это 

ключевая технология XXI века, прогресс в которой позволит обществу сущест-
венно преобразовать многие сферы деятельности человека с целью улучшения ка-
чества, экономичности, экологичности операций, производимых современным че-
ловеком и механизмами. Важность включения вопросов и понятий сферы нано-
технологии в образовательную среду школы и ВУЗа диктуется временем. Акту-
альным на сегодняшний день становится подготовка будущих учителей в области 
нанотехнологии.  Отбор материала для изучения студентами в области нанотехно-
логии должен осуществляться с учётом современных достижений и прогресса 
в данной области. Важно включить в обучение «свежие», проверенные данные и 
результаты, которые позволят активизировать познавательную деятельность, за-
интересовать студентов в поиске новой информации. 

Данное методическое пособие призвано помочь преподавателям вузов 

включить в свои занятия понятия и явления нанотехнологической направленности, 
рассмотреть устройства и приборы, уже использующие в своей работе нанотехнологические 
элементы, а также проводить исследовательскую и проектную работу 
совместно со студентами в рамках интерактивных форм обучения, программирования 
и моделирования нанотехнологических процессов, исследования свойств и 
структуры нанообъектов. 

ISBN 978-5-907063-26-6            © Шарощенко В.С., 2018 
© Оформление и дизайн обложки,  
ООО Издательский дом «БИБЛИО-ГЛОБУС», 2018 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие ................................................................................................ 7 

1. Методика включения понятий нанотехнологии  
в инвариантную часть обучения физике студентов педвузов ............. 12 

1.1. Нанотехнология и молекулярная физика ........................................ 12 

1.2. Нанотехнология и электродинамика ............................................... 40 

1.3. Нанотехнология и оптика ................................................................. 63 

1.4. Нанотехнология и квантовая физика .............................................. 92 

2. Методика включения нанотехнологических понятий  
в вариативную часть обучения студентов ........................................... 110 

2.1. Спецкурс «Нанотехнология» как важное звено  
в формировании представлений о нанотехнологии  
в современности ...................................................................................... 110 

2.2. Использование интерактивных технологий при обучении  
студентов основам нанотехнологии ..................................................... 126 

2.3. Использование возможностей различных средств  
программирования для визуализации и моделирования  
нанотехнологических процессов .......................................................... 143 

2.4. Проектная и исследовательская деятельность студентов  
в области нанотехнологии ..................................................................... 148 

2.5. Возможности и использование интернет ресурсов в области  
нанотехнологии ....................................................................................... 151 

2.6. Итоговый тест контроля знаний студентов в области  
Нанотехнологии ...................................................................................... 157 

Список рекомендуемых источников и литературы ............................ 168 

Приложение ....................................................................................... 179 

 

Vladimir S. Sharoschenko 

CONTENTS 

Foreword ................................................................................................ 7 

1. Methods of incorporating the concepts of nanotechnology  
into the invariant part of teaching physics to students  
of higher education institutions ........................................................... 12 

1.1. Nanotechnology and Molecular Physics ...................................... 12 

1.2. Nanotechnology and Electrodynamics ......................................... 40 

1.3. Nanotechnology and Optics ......................................................... 63 

1.4. Nanotechnology and quantum physics ......................................... 92 

2. Methods of incorporating the nanotechnology concepts  
in the variable part of student training .............................................. 110 

2.1. Special course «Nanotechnology», as an important link  
in the formation of ideas about nanotechnology in modern times .... 110 

2.2. The use of interactive technologies in teaching students  
the basics of nanotechnology ............................................................ 126  

2.3. The use of various programming tools' capacities  
for visualization and modeling of nanotechnological processes ...... 143 

2.4. Project and research activities of students  
in the field of nanotechnology .................................................................... 148 

2.5. Capacities and use of Internet resources in nanotechnology ..... 151  

2.6. The final test control of students’ knowledge  
in the field of nanotechnology ........................................................... 157  

Recommended sources and literature ................................................ 168 

Annexes ............................................................................................. 179 

 

The importance of nanotechnology for modern science is difficult to 

underestimate. This is a key technology of the XXI century, the progress 
in which will allow society to significantly transform many spheres of 
human activity in order to improve the quality, efficiency, environmental 
friendliness of procedures performed by modern man and mechanisms. 
The importance of including issues and concepts of nanotechnological 
sphere in the educational environment of the school and the university is 
dictated by time. Nowadays, training of future teachers in the field 
of nanotechnology is becoming topical.  The selection of material for the 
training of students in the field of nanotechnology should be carried out 
taking into account modern achievements and progress in this field. It is 
important to include in the training programs the verified up-to-date data 
and results that will allow intensifying cognitive activity and motivating 
students to search for new information. 

This handbook is designed to help university teachers incorporate 

concepts and phenomena of nanotechnology into their courses, consider 
devices already using nanotechnological elements in their work, and con-
duct research and design work with students in the framework 
of interactive forms of teaching, programming and modeling nanotechno-
logical processes, studies of the properties and structure of nanoobjects. 
 
Keywords: nanotechnologies, education, teacher, new technologies, 
industry, project activities, new educational standards, research activities. 

 

 

 

 

 

 

 
 

Предисловие 

Целью данного методического пособия является оказание помощи 
преподавателям педагогических вузов при рассмотрении вопросов 
нанотехнологии. 

Образовательный процесс в педагогическом вузе подчиняется 

всем закономерностям и принципам, свойственным процессу обучения 
в высшей школе в целом; в частности, при подготовке будущего 
учителя должен соблюдаться принцип профессиональной направленности 
в изучении всех дисциплин. Стандарты для общеобразовательной 
школы требуют особого внимания к формированию у обу-
чающихся представлений о современном уровне развития науки и 
техники. Поэтому можно утверждать, что изучение основ нанотех-
нологии в курсах физического содержания в педагогическом вузе 
отвечает принципу профессиональной направленности обучения и 
способно существенно повлиять на формирование у будущих учите-
лей знаний методологических основ современной науки. 

Значение нанотехнологии для современной науки трудно недо-

оценить. Это ключевая технология XXI века, прогресс в которой по-
зволит обществу существенно преобразовать многие сферы деятель-
ности человека с целью улучшения качества, экономичности, эколо-
гичности операций, производимых современным человеком и меха-
низмами. Поэтому отбор материала для изучения студентами в об-
ласти нанотехнологии должен осуществляться с учётом современ-
ных достижений и прогресса в данной области. Важно включить 
в обучение «свежие», проверенные данные и результаты, которые 
позволят активизировать познавательную деятельность, заинтересо-
вать студентов в поиске новой информации. 

Высока важность связи образовательных процессов в школе и 

педвузе. В школах в рамках основной образовательной программы и 
элективных курсов уже сегодня можно наблюдать большое количе-
ство примеров, свидетельствующих о том, что внимание к нанотех-

нологии растет. Созданы элективные курсы нанотехнологической 
тематики для профильных классов. Поэтому несомненно важным 
является получение знаний будущими учителями о нанотехнологиях 
ещё в вузе. В процессе педагогической практики на старших курсах 
и дальнейшей работе в общеобразовательной школе знания, полу-
ченные студентами, будут востребованы и актуальны. 

Специфика педагогического образования накладывает свои 
требования к отбору материала по нанотехнологии при обучении 
студентов – будущих учителей. Любая инженерная специальность 
предполагает изучение узкого круга представлений из области нано, 
который важен для будущей специальности инженера.  В педагоги-
ческой деятельности важным является широта полученных знаний 
из различных областей науки и техники, в том числе нанотехноло-
гии. Учитель физики в школе должен одинаково хорошо представлять 
себе разные области нанотехнологии и возможности их применения. 

При отборе материала по нанотехнологии при подготовке бу-
дущего учителя физики важно пользоваться следующими критериями: 

– значение в современной науке, технике и технологиях, 

– значение для школьного курса физики, 

– доступность в предметной и понятийной области. 

Критерии отбора материала для изучения студентами опреде-
ляются, прежде всего, принципом профессиональной направленно-
сти, незнание основных понятий нанотехнологии в дальнейшем не 
позволит молодому учителю понять основные связи и закономерно-
сти, происходящие в наномире, и в доступной форме познакомить 
с ними обучающихся. 

К базовым вопросам, которые обязательно должны быть изуче-
ны студентами педвуза, относится прежде всего размерный эффект 
«нано», отличие наномира от макро-  и микромира. После того, как 
введены основные понятия и даны ответы на ключевые вопросы, 

можно переходить к рассмотрению связи нанопроцессов и техноло-
гий с основными понятиями и законами, которые изучаются студен-
тами в рамках общеобразовательного курса физики (молекулярной 
физики, электродинамики, оптики, квантовой физики и физики кон-
денсированного состояния вещества). 

Если первый этап (получение первичных знаний о наномире и 
осознание актуальности его изучения) происходит, как правило, 
у студентов стихийно (из жизненных наблюдений, СМИ, на основе 
школьных знаний и т. п.), то второй этап (при изучении общего кур-
са физики) должен протекать целенаправленно и системно. Важно 
создать условия для того, чтобы студенты получили как можно 
больше знаний из области нанотехнологии, изучая курс вузовский 
физики. 

Этого можно достичь, если осуществить дифференциацию по-
нятий нанотехнологии по различным разделам общего курса физики. 
Одни и те же понятия и формулировки законов из области наномира 
могут быть одинаково хорошо использованы при изучении различ-
ных разделов курса общей физики. В качестве иллюстраций ряда 
физических явлений и процессов можно обсуждать соответствую-
щие явления и процессы из области нанотехнологии. Термины и 
принципы нанотехнологии необходимы при рассмотрении перспек-
тив развития различных областей современной науки: молекулярной 
технологии, перехода микроэлектроники в наноэлектронику, при 
изучении квантовых явлений и процессов. 

Здесь особое значение приобретает совместная работа препода-
вателей, ведущих занятия по разным разделам общей физики. 

Для согласованной работы преподавателей, каждый из которых 
вносит вклад в формирование представлений будущего учителя 
о нанотехнологиях, важны деятельность координатора (методиста) 
образовательной программы, по которой обучаются студенты, а 
также проведение научно-методических семинаров кафедр, где мо-

гут обсуждаться вышеупомянутые вопросы, связанные с предметной 
дифференциацией понятий нанотехнологии. 

В рамках вариативной части образовательной программы 
обучения студентов можно предложить студентам курсы по осно-
вам нанотехнологии, а также ввести курсы, рассматривающие 
специальные вопросы нанотехнологии, и методические курсы. 
Желательно, чтобы вариативная часть была составлена с учётом 
специфики региона и вуза. Например, в Приморском крае регио-
нальный компонент диктует необходимость изучать вопросы, свя-
занные с морской робототехникой, биомедициной, переработкой 
сырья и добычи ресурсов. 

Спецкурсы по основам нанотехнологии в качестве курсов по 
выбору студентов вводятся сегодня повсеместно для различных спе-
циальностей и образовательных программ. Данные курсы важны не 
только будущим учителям физики, но и учителям биологии, химии, 
информатики и др. специалистам. Существенным является пред-
ставление полной и широкой картины тех явлений и процессов, ко-
торые рассматривает современная нанонаука, и учет будущей специ-
альности или специализации студента. Например, в рамках подго-
товки специалистов-учителей по двойной программе бакалавриата 
(физика-информатика, информатика-физика, биофизика и др.) воз-
можно создание курсов, обеспечивающих интегрированный подход 
к изучению нанотехнологии. 

Рассмотрение вопросов нанотехнологии при обучении будущих 

учителей возможно практически во всех разделах курсов общей и 
теоретической физики. 

Данное методическое пособие призвано помочь преподавате-

лям вузов включить в свои занятия понятия и явления нанотехноло-
гической направленности, рассмотреть устройства и приборы, уже 
использующие в своей работе нанотехнологические элементы, а 
также проводить исследовательскую и проектную работу совместно 

со студентами в рамках интерактивных форм обучения, программи-
рования и моделирования нанотехнологических процессов, исследо-
вания свойств и структуры нанообъектов. 

 

 
 

1. МЕТОДИКА ВКЛЮЧЕНИЯ ПОНЯТИЙ 
НАНОТЕХНОЛОГИИ В ИНВАРИАНТНУЮ ЧАСТЬ 
ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ СТУДЕНТОВ ПЕДВУЗОВ 

1.1. Нанотехнология и молекулярная физика 

При изучении молекулярной физики предлагается рассматри-
вать следующие основные явления и процессы нанотехнологической 
тематики: 

• 
нанокристаллические материалы; 

• 
фуллерены; 

• 
нанотрубки; 

• 
нанокомпозиты; 

• 
нанопористые материалы; 

• 
молекулярная нанотехнология; 

• 
механосинтез; 

• 
ассемблер; 

• 
супрамолекулярные системы. 

Особенности преподавания курса «Молекулярной физики» свя-
заны с тем, что студенты не обладают ещё достаточно высоким 
уровнем знаний по курсу общей физики, а также по специальным 
математическим дисциплинам, требующим понимание статистиче-
ских, вероятностных законов. Некоторые явления и процессы моле-
кулярной теории требуют наличия у студентов знаний из области 
квантовых представлений и процессов, происходящих с низкораз-
мерными структурами, такими как атом, молекула, молекулярная 
связь и т. п. Данные сложности отчасти можно преодолеть путём 
включения в образовательную программу понятий и представлений 
из области наномира.