Материаловедение и инжиниринг на уроках технологии

Задачи и проблемы материаловедения и инжиниринга в школе

Материаловедение — научная дисциплина о структуре, свойствах и назначении материалов. Инжиниринг находится между наукой и производством, формируя технологическую базу производственной деятельности. В Указе Президента РФ от 07.07.2011 № 899 (ред. от 16.12.2015) «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации» мы видим технологии, которым есть место в современной школьной программе:

• Компьютерное моделирование наноматериалов, наноустройств и нанотехнологий.
• Нано-, био-, информационные, когнитивные технологии.
• Технологии диагностики наноматериалов и наноустройств.
• Технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов.
• Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов.

Рассмотрим подробнее инновации в содержании и методах преподавания предметной области «Технология».

Современные материальные, информационные и гуманитарные технологии и перспективы их развития.

Данное направление включает такие темы, как «Технологический процесс», «Материалы, изменившие мир», «Технологии получения и обработки материалов с заданными свойствами». Обсуждение технологического процесса с учениками особенно актуально, поскольку мы переживаем новый этап индустриализации. Появление такой области знания, как нанотехнология, получило огромный резонанс. Меняются представления о материалах, например новые композитные материалы могут вытеснить некоторые сплавы, которые сейчас широко используются в промышленности. Актуальные знания и понимание перспектив развития технологий помогут ученикам получить престижные профессии и стать успешными в будущем.

Формирование технологической культуры и проектно-технологического мышления обучающихся.

Предмет «Технология» позволяет в полной мере реализовать проектную деятельность школьников — от разработки востребованного уникального продукта до его популяризации. Однако здесь встают два важных вопроса. Во-первых: как выбрать проект? Не каждый молодой человек 12–14 лет, в силу возраста и объема знаний, может найти подходящую проблему для решения ее в рамках своего проекта — здесь требуется наставник. Второй вопрос: как реализовать проект, коммерциализировать его? Опять-таки, одна из задач наставника — помочь сделать на основе идеи перспективный стартап, монетизировать разработку (например, через краудфандинг).

Построение образовательных траекторий и планов в области профессионального самоопределения.

Современный рынок труда ждет новых специалистов, умеющих получать и обрабатывать различные материалы. Ряд вузов дает соответствующую техническую подготовку в рамках инженерной составляющей. Проводя в школе профориентацию, связанную с материаловедением и инжинирингом, следует отталкиваться от запросов образовательных организаций и работодателей в конкретном регионе.

При всех представленных нюансах остаются и общие вопросы. В одних школах нет оборудования и программ, которые позволяют исследовать современные материалы на должном уровне, в других — квалифицированных кадров, умеющих этим оборудованием пользоваться. Если говорить об идеальных условиях, то эксперты видят следующую схему изучения материаловедения и инжиниринга в школе:

Курс «Современное материаловедение»

Представляем вашему вниманию возможное содержание элективного курса «Современное материаловедение», направленного на подробное изучение материалов и их применения.

1. Предмет материаловедения. Классификация материалов.
2. Современные нанотехнологии и наноматериалы.
3. Современные керамические материалы.
4. Композиционные материалы.
5. Современные биоматериалы.
6. Дисперсные материалы.
7. Основные свойства материалов и методы их измерений.
8. Кристаллическое строение металлов и сплавов.
9. Материалы аморфного строения и их применение.
10. Неметаллические материалы.
11. Диаграммы состояния сплавов.
12. Основные параметры и виды термической обработки материалов и сплавов. Влияние на свойства.

Что ждет учеников в будущем?

Итак, мы живем в эпоху «Индустрии 4.0», которую характеризуют как «умное производство».

Поскольку окружающий мир меняется все быстрее, для учеников важнее вопрос не «кем быть?», а «какими знаниями обладать и управлять?». Однако небезызвестный «Атлас новых профессий» все же прогнозирует несколько направлений деятельности, в которых современные школьники смогут максимально эффективно применять знания о материалах, полученные сегодня:

• Проектировщик «умных материалов». Разрабатывает композитные материалы в составе «умных сред», меняющие свойства под задачи дома, офиса, промышленного предприятия.
• Рециклинг-технолог. Специалист по разработке и внедрению технологий многократного использования материалов, созданию новых материалов из промышленных отходов, а также разработке технологий безотходного производства.
• Проектировщик нанотехнологических материалов. Профессионал, занимающийся моделированием свойств, прогнозированием жизненного цикла нанотехнологических материалов с помощью цифровых моделей. Высокопрофессиональный программист с хорошими знаниями по нанофизике и нанохимии.

Изучение материалов отличается междисциплинарностью, поскольку именно на совмещении разных наук (физики, химии, биологии) основано создание новых материалов. Например, исследование кожи геккона позволило создать наноскотч, способный удерживать килограммы груза. Другие примеры «материалов будущего» из уже существующих: обладающий памятью металл нитинол и углеродные нанотрубки, которые, возможно, помогут создать «космический лифт». Изучение разных областей приводит к синергизму, создаются новые знания.

Если обратиться к сервису CAS, на котором регистрируются новые вещества, то можно увидеть, что на сегодняшний день их более 131 миллиона, и каждые 10 минут регистрируется порядка 24 новых веществ. Каждое из них имеет физические и химические свойства, которым можно найти применение.

Хорошим подспорьем в обучении технологии в 5–9 классах станет рабочая программа к УМК Казакевича В.М.