ПРОЕКТ УЧЕБНОГО ЗАНЯТИЯ НА ТЕМУ "СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ" (МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ)

Министерство образования Нижегородской области

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Нижегородский радиотехнический колледж»

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

ПРОЕКТА УЧЕБНОГО ЗАНЯТИЯ

ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ ОП.04 «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

Автор:

преподаватель

Гусева Татьяна Александровна

Нижний Новгород

2018 г.

РАССМОТРЕНО на заседании предметно-цикловой комиссии Протокол № ___ от _____________ Председатель ПЦК _________Л.И. Дубровина                                    подпись

УТВЕРЖДАЮ Заместитель директора УПР _____________ Е.П. Минеева   подпись

         Разработчики:

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Нижегородский радиотехнический колледж» (ГБПОУ «НРТК»)

Гусева Татьяна Александровна, преподаватель

АННОТАЦИЯ

Проект учебного занятия по учебной дисциплине ОП.04 Материаловедение ориентирован на тему: «Современные конструкционные материалы» с целью формирования не только общего представления о современных конструкционных материалах, но и с целью формирования понимания о строении, структуре, свойствах и принципах классификации современных материалов.

В качестве ведущей педагогической технологией выступают методы и приемы ТРИЗ технологий и ТРИЗ педагогики.

Проект учебного занятия рассчитан для студентов второго курса, обучающихся по следующим специальностям:

- 15.02.08 Технология машиностроения;

- 12.02.03 Радиоэлектронные приборные устройства;

- 15.02.02 Техническая эксплуатация оборудования для производства электронной техники;

- 11.02.13 Твердотельная электроника.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………….	4
Проект учебного занятия……………………………………….	5
Раздаточный материал для студента…………………………….	23
Фотоотчет о проведенном учебном занятии…………………….	31
Заключение………………………………………………………..	45
Литература……………………………………………………….	46

Введение

Проект учебного занятия по учебной дисциплине ОП.04 Материаловедение ориентирован на комплексном использовании ТРИЗ технологий и технологий проблемно-ситуационной деятельности. Проблемное обучение, как показывает опыт, можно успешно применять на всех видах занятий при условии, что преподаватель, обучаемые и учебный материал подготовлены к занятию и у преподавателя выработан четкий план его проведения.

Творчески мыслить надо учить на всех занятиях, так как они требуют активности, волевых эмоциональных качеств, длительной подготовки и напряженного труда. Ведущее место в этом занимает активность обучающихся.

Учебное занятие рассчитано на формат информационно-дискуссионной площадки как интерактивной формы общения обучающихся посредством дискуссий с целью получения целевой информации, проведения плодотворных обсуждений, всестороннего рассмотрения обсуждаемых вопросов и выработки совместных решений.

ТРИЗ-технологии (метод снежного кома) являются инструментом для разработки практических заданий проблемного характера.

Кейс-технологии являются технологией сегментации проблемно-творческий заданий.

ПРОЕКТ УЧЕБНОГО ЗАНЯТИЯ

Наименование учебной дисциплины: ОП.04 Материаловедение

Наименование темы учебного занятия: «Современные конструкционные материалы»

Обучающая цель учебного занятия:

- имеет общее представление о современных конструкционных материалах;

-  понимает строение, структуру, свойства и принципы классификации современных материалов;

- анализирует причинно-следственные связи развития конструкционных материалов.

Развивающая цель учебного занятия:

- на уровне зрительного восприятия выделяет роль современных конструкционных материалов в машиностроительной промышленности;

- на уровне внимания способен сосредоточиться на работе, требующей систематизации и структуризации информации;

- на уровне мышления способен выстраивать причинно-следственные связи между строением и свойствами современных конструкционных материалов.

Воспитывающие цели учебного занятия:

осознавая сущность и социальную значимость будущей профессии, способен анализировать основные направления совершенствования конструкционных материалов   и определять область их применения.

Ведущая педагогическая технология: проблемно-ситуационная деятельность.

Тип учебного занятия: учебное занятие по формированию новых знаний.

Вид учебного занятия: информационно-дискуссионная площадка.

Форма организации учебного занятия: интерактивная форма проведения учебного занятия.

Методы, применяемые на учебном занятии:

1. по принципу расчленения или соединения знаний – синтетический, обобщающий, сравнительный;

2. по уровню познавательной активности – проблемный.

3. наглядно-демонстрационные методы (применение мультимедийных презентаций).

Приемы, применяемые на учебном занятии:

1.     Инструментарий ТРИЗ – метод снежного кома;

2.     Метод работы в фокус-группах

3.     Метод кейс-стади

4.  по источнику знаний – словесные, практические и наглядные.

Целевая аудитория: обучающиеся 2 курса по специальности 12.02.03 «Радиоэлектронные приборные устройства».

Оборудование для учебного занятия:

1.                 Мультимедийное оборудование для визуализации презентации;

2.                 Электронная презентация «Современные конструкционные материалы» (фоновая);

3.                 Комплект раздаточного материала для обучающихся:

- перечень вопросов для дискуссионной площадки;

- комплекс кейсов для работы в фокус-группах

- бланки рефлексии для студентов;

Продолжительность учебного занятия: 90 минут.

План учебного занятия

Этапы учебного занятия	Время отводимое на этап
1.                 Организационно-мотивационный момент, актуализация опорных знаний	7 минуты
2.                Дискуссионная площадка «Конструкционные материалы будущего»: 2.1.          Видео-блок (3-5 мин) 2.2.          Информационный блок: Студент 1 – Конструкционные материалы в машиностроении Студент 2 – Конструкционные материалы в станкостроении Студент 3 – Конструкционные материалы в приборостроении и микроэлектронике	20 минут
3.                Работа в фокус-группах Практический кейс 1 «Конструкционное ассорти» Презентация результатов исследования – 5 минут Практический кейс 2 «Удивительные материалы будущего» Презентация результатов исследования – 5 минут	55 минут
4.                 Оценочно-рефлексивный этап	6 минут
5.                 Выдача домашнего задания – подготовка электронных презентаций-проектов по практическому кейсу 2 «Удивительные материалы будущего»	2 минуты
Итого:	90 минут

ХОД УЧЕБНОГО ЗАНЯТИЯ

Здравствуйте, уважаемые студенты!

I.                  Организационно-мотивационный момент, актуализация опорных знаний обучающихся (7 минут):

1.                 Проверить явку обучающихся по журналу.

2.                 Проверить готовность к учебному занятию (состояние здоровья, самочувствия обучающихся).

3.                 Сообщить наименование темы учебного занятия.

4.                 Сообщить цель и задачи учебного занятия.

5.                 Ознакомить с планом учебного занятия.

6.                 Актуализировать опорные знания обучающихся

Как известно, традиционные сплавы уже давно выработали свой ресурс. И больше не справляются с запросами архитекторов, конструкторов и инженеров. Эволюция материалов - вот основа технического прогресса. Давайте вспомним некоторые моменты из учебной дисциплины «Основы конструкционных материалов», а именно технологию металлургии черных металлов. Поэтому вашему вниманию представляется визуальный ряд.

Теперь, пожалуйста, сформулируете ответ на следующий поставленный вопрос: «КАК СВЯЗАНЫ ВИДЕОФРАГМЕНТ И ТЕМА УЧЕБНОГО ЗАНЯТИЯ «СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ»?

Эталон ответа: «Производство современных конструкционных металлических материалов тесно связано с современными технологиями металлургии черных металлов. Качественно подготовленная железная руда – это залог качественной плавки чугуна и стали».

II.      Дискуссионная площадка «Конструкционные материалы будущего» (20 минут):

Уважаемые студенты, наше учебное занятие будет проходить в формате дискуссионной площадки в несколько этапов. Но прежде чем переходить к дискуссионному процессу, необходимо внести некоторую ясность в понятийный аппарат. Тогда, сформулируем определение для термина «Конструкционные материалы». Под конструкционными материалами будем понимать такие материалы, из которых изготавливаются различные конструкции, детали машин, элементы сооружений, воспринимающих силовую нагрузку. Далее целесообразно рассмотреть классификацию конструкционных материалов по различным признакам (по природе материала и технологическому исполнению). Естественно, важно обозначить все конструкционные материалы, которые принято изучать в рамках дисциплины «Материаловедение».

2.1.   Видео-блок (3-5 мин)

Теперь мы готовы к восприятию содержательной части дискуссионной площадки. Поэтому вашему вниманию представляется видео-блок на тему «Материал будущего. Композит», так как именно композиты – это основа современных конструкционных материалов.

Обратим внимание на текущей слайд.

ДИСКУССИОННЫЕ ВОПРОСЫ № 1:

1.                 Как Вы думаете какие материалы прогрессируют быстрее: металлические или неметаллические?

2. Почему композитные материалы почти решают проблему управляемости механическими свойствами материала?

3. Почему материаловедение трансформируется в нано материаловедение?

Эталон ответа:

ОТВЕТ 1: в начале 90-х годов прогрессировали в основном неметаллические материалы полимерного происхождения. Затем в 2000 годах за счет усовершенствования первых композитных материалов, металлические материалы стали набирать обороты и на современном этапе развития человечества темп как бы выровнялся благодаря разным модификациям углерода.

ОТВЕТ 2: Как мы уже поняли из видео-блока, что композит – это многокомпонентный материал, состоящий, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т. д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении её механических характеристик.

ОТВЕТ 3: Приставка «нано» означает десять в минус девятой степени. То есть нанометр в один миллиард раз меньше обычного метра. Освоение этой сравнительно новой науки началось после того, как американцы открыли возможность создания в лазерном разряде миниатюрных частиц, состоящих только из атомов углерода. Материаловедение переживает сложный этап развития, и специалистам предстоит еще многому научиться, прежде чем они реально смогут управлять свойствами материалов на атомарном уровне и использовать эти свойства. Решение поставленных задач может быть получено лишь на основе комбинированного подхода, сочетающего новые методы синтеза, новые методы описания материалов и разработку новых теоретических механизмов физико-химических процессов (включая флуктуации) на атомарном уровне. Сложность поставленных задач соответствует революционным изменениям, которые нано наука и нано материаловедение могут внести в нашу жизнь.

2.2.   Информационный блок (15-18 минут):

ИНФОРМАЦИОННЫЙ БЛОК 1

Современные конструкционные материалы очень разнообразны особенно в машиностроении в целом. Например, СТАРЛАЙТ – Материал, который бы мог изменить мир! Уникальный по своим свойствам материал был изобретен еще в 1983 году. Его создателем был обычный парикмахер, которого звали Морис Уорд. Материал, которому дали название СТАРЛАЙТ, представляет собой пластическую массу, которая может выдерживать колоссальные температуры (2500 градусов Цельсия). К огромному сожалению, формула вещества не известна до сих пор, сам Уорд никогда не раскрывал его состав и никому не позволял хранить у себя образцы материала. Известно лишь, что в состав материала входит 21 органический полимер, сополимер и немного керамики. Сам изобретатель умер в 2011 году и формула СТАРЛАЙТА не известна до сих пор.

Starlite и Космонавтика. При входе в атмосферу земли, космические аппараты подвергаются воздействию высоких температур. Известен случай, когда при входе в атмосферу, у американского шаттла отказал тепловой щит, все находившиеся на борту астронавты сгорели заживо. Применение Starlite, позволило бы создать идеальный термоизолятор. В свое время NASA обращались с данным предложением к Морису Уорду.

Starlite и Защита от пожаров. Во многих регионах мира, сухой климат становится причиной огромного количества пожаров, при которых иногда сгорают не только строения, но и люди. Использование Starlite при покраске домов, позволили бы сохранить не только сами дома, но и жизни людей. Помимо этого, материал можно применять при изготовлении одежды для пожарных. Такая одежда была бы совершенно невосприимчива к огню.

Не менее интересны современные метаматериалы, первооткрывателем которых был советский физик Виктор Георгиевич Веселаго (1967 г.). Таким образом, метаматериалы – это композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой. Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми разными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую и магнитную восприимчивости исходного материала. Одно из возможных свойств метаматериалов — это отрицательный (или левосторонний) коэффициент (показатель) преломления. Было объявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области, способном скрыть трёхмерный объект. Материал состоит из золотой подложки, золотых наноантен и фторида магния. Использование метаматериалов в создании маскировочной умной одежды для военных более перспективно, чем альтернативные подходы. Благодаря тому, что метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления, они идеальны для маскировки объектов, так как их невозможно обнаружить средствами радиоразведки.

От почти фантастических конструкционных материалов вернемся к более «земным», например, карбон, который хорошо известен в автомобилестроении. Он отличается легким весом: на 50% легче стали, на 20% легче алюминия. Таким образом, карбон – это прочный и легкий композитный материал, получаемый путем переплетения тонких нитей графита и резины.

Затем, можно обратить внимание на композитный материал – углепластик, который большой технологической популярностью пользуется в авиастроении. И представляет собой композит, содержащий в качестве наполнителя углеродные волокна. Этот сравнительно новый класс полимерного композиционного материала (ПКМ) получил в последние годы наиболее интенсивное развитие благодаря своим уникальным свойствам, а именно: высоким значениям прочности и жесткости, низкой плотности, химической инертности, тепло- и электропроводности, высокой усталостной прочности, низкой ползучести.

Далее достойное место в галереи современных композиционных конструкционных материалов занимает – стеклопластик.  Это пластический материал, состоящий из стекловолокнистого наполнителя (стеклянное волокно, волокно из кварца и др.) и связующего вещества (термореактивные и термопластичные полимеры). Стеклопластик – это материал с малым удельным весом и заданными свойствами, имеющий широкий спектр применения. Стеклопластики обладают очень низкой теплопроводностью (примерно, как у дерева), прочностью как у стали, биологической стойкостью, и атмосферостойкостью. Подвержен влагонасыщению и водонасыщению, истираемости.

ДИСКУССИОННЫЕ ВОПРОСЫ 2

1.                 Есть ли у старлайта (супер теплоизолирующий) аналоги?

2. «Шапка-невидимка», «человек-невидимка», «плащ-невидимка» из Гарри Поттера – это миф и реальность…?

3.Что общего между карбоном, углепластиками и стеклопластиками?

ЭТАЛОН ОТВЕТА:

ОТВЕТ 1: Несмотря на то, что старлайт трудно назвать конструкционным, так как главная функция – теплоизоляция, при этом очень сложно найти аналоги. В качестве аналогов косвенно можно назвать практически все строительные теплоизолирующие материалы, например, базальтовый теплоизоляционный материал, вспененный полипропилен, материалы на основе кремнозема, пеноизол и другие, отличающиеся следующими свойствами: возможность эксплуатации при перепадах температур, стойкость к разрушению при контрастном воздействии – от охлаждения до нагревания, высокую химическую стойкость, негорючесть, экологическая чистота, длительный срок эксплуатации.

ОТВЕТ 2: «Шапка-невидимка», «человек-невидимка», «плащ-невидимка» из Гарри Поттера- это реальность благодаря открытию метаматериалов, которые в отличие от классических материалов, определяемые свойствами в основном веществом, а свойства метаматериалов определяются их геометрией. Иными словами, в метаматериале можно заменить один металл на другой и его свойства почти не изменятся. Впервые реализовать шапку-невидимку из метаматериала, работающую в микроволновом диапазоне, удалось в 2006 году физикам из Университета Дьюка. Она представляет собой набор из десяти вложенных цилиндров, каждый из которых состоит из одинаковых ячеек-антенн. Из-за различных радиусов кривизны цилиндров возникал градиент коэффициента преломления, который и заставлял свет огибать скрытый в центре предмет. В 2012 году та же группа исследователей усовершенствовала подход к созданию микроволновой шапки-невидимки.

ОТВЕТ 3: карбон, углепластик и стеклопластик объединяет, в первую очередь, стабильные физико-механические свойства (имеют большую прочность, а при ударах трескаются, крошатся, но не разбивается на части) и область применения.

ИНФОРМАЦИОННЫЙ БЛОК 2

Как известно, что к машиностроительной индустрии относится и станкостроение. Например, охарактеризуем станину с точки зрения материаловедения, которая выполняет несущую функцию. Она должна иметь стабильность свойств, обеспечивать обработку материалов с необходимой точностью и режимом, хорошую производительность. От проектирования и качества изготовления станины зависит точность обработки станка. На современном этапе развития станкостроения актуальным считается синтетический гранит. Он получил название СИНТЕГРАНА. Из гранита изготавливают станины для станков с высокой точностью. Отличительной особенностью синтеграна (синтетического гранита) является то, что он практически не подвержен температурным деформациям.

 Одним из основных конструкционных материалов в станкостроении является чугун. Это объясняется его высокими эксплуатационными и технологическими свойствами. При этом возможно изменить ряд свойств чугуна для каждой конкретной конструкции. При проектировании чугунных станин и направляющих станков возникают две взаимосвязанные задачи: I) обеспечить требуемые эксплуатационные характеристики деталей; 2) обеспечить необходимые условия получения годной отливки благодаря технологичности ее конструкции.

Кроме того, очень часто можно встретить закаленную углеродистую сталь в качестве основного материала для изготовления станины. Из углеродистой стали изготавливаются сварные станины. Они обладают меньшим весом по сравнению со станинами, произведенными из чугуна. При этом показатели жёсткости будут одинаковыми.

Иногда в производственной среде наблюдаются станки со станиной из бетона. Бетон характеризуется хорошими демпфирующими показателями и более низкой восприимчивостью к колебаниям температуры. Недостатки: станину из подобного материала необходимо защищать от попадания масла и воды, иначе она изменится в объёмах и для достижения нужной жёсткости стенки станины делаются очень толстыми.

В качестве отличного аналога бетона можно назвать полимерный бетон, который демонстрирует стабильность температуры и демпфирующие (гасит колебания) свойства примерно в 6 раз выше, чем у чугуна. Полимерный бетон является самым современным материалом для изготовления неподвижных деталей станков. Ещё одним преимуществом станины из полимерного материала является скорость её изготовления. Из стали и чугуна отливаются грубые заготовки и это занимает времени от 1 месяца. Изготовление деталей из полимеров происходит в течение несколько дней. Стоимость подобных станин примерно на 30% дешевле чугунных и стальных.

ДИСКУССИОННЫЕ ВОПРОСЫ 3

1.                 Что лучше литой чугун или закаленная сталь для изготовления станин металлорежущих станков?

2. Какими преимуществами обладает полимербетон по сравнению с обычным бетоном?

3. Какой может быть аналог у синтеграна?

ЭТАЛОН ОТВЕТА

ОТВЕТ1: На данный вопрос прямолинейно ответить очень сложно, так как необходимо провести некоторое рассуждение. С точки зрения веса или массы изготовленной станины, естественно, сталь лидирует. А, если рассматривать с точки зрения способности гасить вибрации в процессе эксплуатации технологического оборудования, выигрывает чугун. При этом их объединяет параметр жесткости.

ОТВЕТ 2: обычный бетон по сравнению с полимерным требует повышенного внимания по техническому обслуживанию и защиты от влаги.

ОТВЕТ 3: Мне кажется, что у синтеграна нет аналога, а полимерный бетон – это всего лишь равновесный альтернативный вариант, так как полимерные материалы отличаются высокой устойчивостью к коррозии, лёгкостью производства и ремонта, низким коэффициентом скольжения и увеличенным модулем упругости по сравнению с другими материалами, используемыми для производства станины. Вероятность возникновения резонанса у станины из полимерных материалов значительно ниже, чем у стальной станины, следовательно, станок отличается большей точностью.

ИНФОРМАЦИОННЫЙ БЛОК 3

Как мы уже поняли, что машиностроительная промышленность многогранна. Следовательно, нашли много всего интересного и для приборостроительного направления и специальности Радиоэлектронные приборные устройства.

Общий курс материаловедения показал, что углерод – это не только химический элемент четырнадцатой группы 2-го периода периодической системы химических элементов, но и «фантастический» исходный материал для научный открытий. Например, фуллерен. Под фуллереном будем понимать молекулярное соединение, представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Своим названием фуллерены обязаны инженеру и архитектору Ричарду Бакминстеру Фуллеру. Следует отметить, что открытие фуллеренов имеет свою предысторию: возможность их существования была предсказана еще в 1971 году в Японии и теоретически обоснована в 1973 году в России. Фуллерен применяется в качестве материала для полупроводниковой техники, как фоторезист. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления.

Затем научные исследования фуллеренов были продолжены и в 2006 г обнаружились углеродные нанотрубки в дамасской стали. Поэтому углеродные нанотрубки представляют из себя свёрнутую в цилиндр графитовую плоскость, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. В виду того, что графит – это полуметалл, углеродные нанотрубки проявляют электронные свойства. Кроме того, углеродные нанотрубки обладают сверхпроводимостью, которую открыли исследователи из Франции и России (ИПТМ РАН, Черноголовка). Дальнейшие исследования показали оптические свойства, например, прямозонность, которая автоматически включает их в число материалов оптоэлектроники.

Нанотехнологии позволили ученым изготовить углеродную пластину более твердую, чем алмаз, толщина которой составляет всего один атом. Состоит она из графена. Это самый тонкий и прочный материал во всей Вселенной, который пропускает электричество намного лучше кремния компьютерных чипов. Открытие графена считается настоящим революционным событием. Графен представляет собой двухмерный кристалл. Его структура является гексагональной решеткой, состоящей из атомов углерода. Графен и его применение актуальны для: высокочастотных высокомощных электронных устройств; искусственных мембран, разделяющих две жидкости в резервуаре; -улучшения свойства проводимости различных материалов; создания дисплея на органических светодиодах; освоения новой техники ускоренного секвенирования ДНК; улучшения жидкокристаллических дисплеев; создания баллистических транзисторов.

Менее года назад звание самого легкого в мире материала получил материал под названием аэрографит. Но этому материалу не получилось долго удерживать пальму первенства, ее не так давно перехватил другой углеродный материал под названием графеновый аэрогель. Получившийся графеновый аэрогель является чрезвычайно прочным и упругим материалом. Он может поглотить органические материалы, в том числе и нефть.

Изобретен Vantablack был в 2014 году учеными умами из лаборатории физики Сюррей Наносистемс. Этот материал физики получили из нанотрубок углерода и уникален он тем, что является самой черной субстанцией на планете. Свойства материала воистину удивительны: вещество способно поглощать почти 100% попадающего на него излучения любого типа – светового, радиоволнового, микроволнового. Даже уголь самого черного и насыщенного оттенка будет способен поглотить не более 96% света!

С фотонными кристаллами связывают будущее современной кибернетики. В данный момент идёт интенсивное изучение свойств фотонных кристаллов и предполагается, что: лазеры с фотонными кристаллами позволят получить малосигнальную лазерную генерацию, так называемые низкопороговые и беспороговые лазеры; волноводы, основанные на фотонных кристаллах, могут быть очень компактны и обладать малыми потерями; с помощью фотонных кристаллов можно будет создавать среды с отрицательным показателем преломления, что даст возможность фокусировать свет в точку размерами меньше длины волны («суперлинзы»).

В настоящее время кремний — основной материал для электроники и солнечной энергетики. Монокристаллический кремний — материал для рентгеновской оптики преломления — оптика, отличающаяся новыми свойствами и характкристиками, обеспечивающая преломление и фокусировку рентгеновских лучей аналогично тонким линзам. Также применяется для изготовления рентгеновских зеркал, применяемых в рентгеновских микроскопах, телескопах.

В радиотехнике, германиевые транзисторы и детекторные диоды обладают характеристиками, отличными от кремниевых. В своё время германиевые полупроводниковые приборы использовались повсеместно в радиоприёмниках и других конструкциях. Ещё более высоким частотным потенциалом обладает арсенид галлия, применяемый в светодиодах. В настоящее время германиевые диоды и транзисторы полностью вытеснены кремниевыми и не выпускаются ни в одной стране мира. Найти их можно только в старых радиоаппаратах, либо из запасов радиолюбителей тех лет.

ДИСКУССИОННЫЕ ВОПРОСЫ 4:

1.Что общего у графита, фуллерена, углеродных нанотрубок и графена?

2. Что общего у кремния, германия и арсенита галлия?

3. Какие еще примеры фотонных кристаллов можно привести из живой природы?

ЭТАЛОН ОТВЕТА

ОТВЕТ1: графит, фуллерен, углеродные нанотрубки и графен объединяет исходный материал углерод.

ОТВЕТ 2: Кремний, германий и арсенит галлия можно объединить областью применения, то есть технологий производства транзисторов и диодов.

ОТВЕТ 3: фотонные кристаллы встречаются в природе в минералах (опал, кальцит), на крыльях бабочек, на панцирях жуков, на глазах некоторых насекомых, на перьях павлина, на чешуйках рыб и т.д.

III.    Работа в фокус-группах (55 минут):

Практический кейс 1 «Конструкционное ассорти»

Цель кейса №1: построить причинно-следственные связи между материалом и одним из направлений машиностроительной индустрии

Ситуационная задача кейса №1: спроектировать причинно-следственные связи между современными конструкционными материалами и областью применения, используя методы исследования (анализ, сравнение, индукция, дедукция, синтез и т.д.).

Фокус-группа № 1: графит, фуллерен, углеродные нанотрубки, графен (выбирается любой материал как основной).

Фокус-группа №2: метаматериалы, полимерные композиты, старлайт, электронная ткань, прозрачный алюминий (выбирается любой материал как основной).

Презентация результатов исследования – 5 минут

Структура презентации:

1.                 Выделение базовых современных конструкционных материалов

          (3 примера).

2.                 Указание отличительных характеристик

           (физико-механические свойства)

3.                 Проектирование изделия

4.                 Проектирование области применения

Публичная защита должна сопровождаться доказательной базой, научными фактами и аргументами.

Практический кейс 2 «Удивительные материалы будущего»

Цель кейса №2: научиться прослеживать влияние на надсистему любого изменения в системе с помощью МЕТОДА СНЕЖНОГО КОМА (ТРИЗ-технологии).

Ситуационная задача кейса №2: спроектировать будущее жизнедеятельности человека, окружающего материалами будущего.

АЛГОРИТМ РАБОТЫ ПО МЕТОДУ СНЕЖНОГО КОМА

ПРИМЕР РАЗРАБОТКИ НАУЧНО-ФАНТАСТИЧЕСКОГО РАССКАЗА О МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЕНЕ

Действие 1: Выбрать исходную ситуацию или исходный объект

Например: доктор Афсанех Рабией из университета Северной Каролины открыла самую прочную металлическую пену в мире.

Действие 2: Сформулировать исходную фантастическую идею, которая и станет «маленьким снежным комочком», на который будет накручиваться вся ситуация.

Например: Российские ученые усовершенствовали формулу изобретения металлической пены и практически все металлы стали «вспенивать».

Действие 3: Произвести исходное изменение прототипа, то есть допустить, что идея уже реализовалась. Тем самым получить фантастическую ситуацию ФС1.

Например: в авиакосмической промышленности заменили алюминиевыми пенными панелями дорогостоящие и «тяжелые» сотовые конструкции. В результате скорость полета пассажирского самолета увеличилась, космические корабли и ракеты увеличили свою транспортную грузоподъемность.

Действие 4: ввести измененную ситуацию ФС1 в реальные жизненные условия Р1 и получить новую фантастическую ситуацию: ФС1+Р1=ФС2.

Например: российские ученые не остановились на достигнутом и стали использовать алюминиевые пористые панели в конструировании пассажирских лифтов для небоскребов. Это нововведение способствовало сокращению потребления энергии при эксплуатации лифтов, так как в условиях высоких скоростей их движения и частой смены ускорений и замедлений легкость конструкции приобретает особо значение.

Действие 5: ситуацию ФС2 поместите в новые реальные условия Р2 и получите следующий фантастический результат: ФС2+Р2=ФС3.

Например: машиностроители поделились секретами вспенивания металлических материалов с архитекторами и строителями, в результате реализовался проект «летающего» небоскреба, так как все конструктивные материалы стали почти невесомыми вопреки законам физики.

Презентация результатов исследования – 5 минут

Структура презентации:

1.     Указание исходного объекта или ситуации;

2.     Указание научной и достоверной характеристики об объекте;

3.     Итоговый научно-фантастический рассказ.

IV.    Оценочно-рефлексивный этап (6 минут):

БЛАНК РЕФЛЕКСИИ

Прием групповой рефлексии «ОДНИМ СЛОВОМ»

ФИО участников фокус-группы:_______________________________

Необходимо выбрать 3 слова из 12, которые наиболее точно передают характеристику словосочетания «Современные конструкционные материалы»:

1. Прочность (предел прочности),

2. Деформируемость (относительное удлинение),

3. Сопротивление деформированию (модуль упругости),

 4. Пластичность (предел текучести),

5. Твердость,

6. Макроструктура,

7. Микроструктура,

8. Кристаллическое строение,

9. Нано материаловедение,

10. Нано структура,

11. Робототехника и мехатроника

12. Микроэлектроника и фотоника.

БЛАНК ДЛЯ РЕФЛЕКСИИ

Прием индивидуальной рефлексии «ВЫБОР»

ФИО студента:______________________________________________

Действия студента	Самооценка действий
На учебном занятии я работал…	Активно         Пассивно
Своей работой на учебном занятии я	Доволен          Недоволен
Учебное занятие показалось мне	Коротким            Длинным
За учебное занятие я	Не устал              Устал
Мое настроение	Стало лучше       Стало хуже
Материал учебного занятия для меня был	Понятен           не понятен Интересен               скучен Полезен           бесполезен

В самооценке действий подчеркните характерное для вас состояние деятельности

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОБУЧАЮЩИХСЯ:

1.     за индивидуальную работу:

2.     за работу в фокус-группах:

V.      Выдача домашнего задания (2 минуты):

Подготовить электронную презентацию-проект по практическому кейсу 2 «Удивительные материалы будущего» (графическая иллюстрация научно-фантастического рассказа).

РАЗДАТОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СТУДЕНТА

ПРАКТИЧЕСКИЙ   КЕЙС № 1 «КОНСТРУКЦИОННОЕ АССОРТИ»

Цель практического кейса №1: построить причинно-следственные связи между материалом и одним из направлений машиностроительной индустрии.

Ситуационная задача кейса №1: спроектировать причинно-следственные связи между современными конструкционными материалами и областью применения, используя методы исследования (анализ, сравнение, индукция, дедукция, синтез и т.д.).

Фокус-группа № 1: графит, фуллерен, углеродные нанотрубки, графен (выбирается любой материал как основной).

Фокус-группа №2: метаматериалы, полимерные композиты, старлайт, электронная ткань, прозрачный алюминий (выбирается любой материал как основной).

СПРАВОЧНАЯ  ИНФОРМАЦИЯ

Наименование материала	Свойства материала	Область применения
графит	Графит представляет собой серое вещество с металлическим блеском. Оно обладает высокой теплопроводностью (3,55 Вт/град./см). Он также содействует хорошей электропроводимости. Во всех агрегатных состояниях это вещество характеризуется низким сопротивлением току (от 0,4 до 0,6 Ом. Низкий коэффициент трения и высокая точка плавления обуславливают хорошие герметизирующие качества. Плотность графита (кг/м3) составляет 2,23. Но при этом материал хорошо изгибается и режется.	1)                в металлургии при изготовлении тугоплавких форм или ковшей, емкостей; 2)для изготовления контактов электроприборов; 3) применяется при производстве некоторых видов красок
фуллерен	Хорошо поглощают ультрафиолетовое излучение, у них высокая электроноакцепторная способность. Плёнки и кристаллы фуллерена - полупроводники, обладающие при оптическом облучении фотопроводимостью. Фуллерен понижает активность ВИЧ-интегразы, белка, который отвечает за встраивание вируса в ДНК, взаимодействуя с ним, изменяя конформацию и лишая его основной вредительской функции.	1)      В качестве материала для полупроводниковой техники; 2)      Как фоторезист; 3)      Аккумуляторы и электрические батареи; 4)      Антиоксиданты 5)      в фотовольтаике, фотосенсорах, солнечных батареях, устройствах разнообразной молекулярной электроники.
Углеродные нанотрубки	Они являются прочным материалом, который под действием механических воздействий не разрушается. Кроме того, они хорошо работают на изгиб и растяжения. Это стало возможным благодаря замкнутой каркасной структуре. Их применение не ограничивается одной отраслью. Частички нанотрубок, попадая в организм человека, приводят к возникновению злокачественных опухолей и рака.	1)      сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы; 2)      транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы; 3)      дисплеи, светодиоды; 4)      Трос для космического лифта; 5)      Как нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.
метаматериалы	отрицательный (или левосторонний) коэффициент (показатель) преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей	Использование метаматериалов в создании маскировочной умной одежды для военных более перспективно, чем альтернативные подходы. Благодаря тому, что метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления, они идеальны для маскировки объектов, так как их невозможно обнаружить средствами радиоразведки
полимерные композиты (стеклопластик, боропластик, органопластик, углепластик и т.д.)	Пластичность, прочность, широкая сфера применения – вот чем отличаются современные композитные материалы. Композиты с неметаллической матрицей в основе имеют полимеры, углерод или керамику. Среди полимерных матриц наиболее популярны эпоксидная, полиамидная и фенолформальдегидная. Форма композиции придается за счет матрицы, которая выступает своеобразным связующим веществом. Для упрочнения материалов используются волокна, жгуты, нити, многослойные ткани	Наиболее перспективными сферами использования можно считать строительство, нефтегазовую промышленность, производство автомобильного и железнодорожного транспорта. в авиации при производстве деталей самолетов и двигателей; космической технике для производства силовых конструкций аппаратов, которые подвергаются нагреванию; автомобилестроении для создания облегченных кузовов, рам, панелей, бамперов; горной промышленности при производстве бурового инструмента; гражданском строительстве для создания пролетов мостов, элементов сборных конструкций на высотных сооружениях
старлайт	представляет собой пластическую массу, которая может выдерживать колоссальные температуры (до 2500 градус по Цельсию). Он способен выдерживать температуру, которая в три раза превышает температуру плавления алмазов.	Starlite и Космонавтика Starlite и Защита от пожаров Starlite и Применение в быту Starlite и Военная промышленность
электронная ткань	вид текстиля, содержащий электронику (включая небольшие компьютеры), и в котором применены цифровые технологии. Многие виды высокотехнологичной, умной одежды, а также технологии, которые применяются при её производстве, содержат электронный текстиль Электронный текстиль следует отличать от приборов, относящихся к классу носимых компьютеров, встраиваемых в компоненты одежды, так как упор делается именно на бесстыковое встраивание электронных компонентов, таких как микрокомпьютеры, датчики или включатели в ткани.	дальнейшее миниатюризация электроники станет возможной массовая коммерческая имплантация различных устройств. В более отдалённом будущем одежда, изготовленная из оптоволокна, позволит реализовать принцип оптического камуфляжа, когда человек словно становится прозрачным.
прозрачный алюминий	Оксинитрид алюминия (или AlON) представляет собой керамику, состоящую из алюминия, кислорода и азота. Материал является оптически прозрачным (> 80%) в ультрафиолетовом, видимом и полуволновом диапазонах электромагнитного спектра. Оксинитрид алюминия обладает выдающимися характеристиками: Модуль упругости: 334 ГПа. Модуль сдвига: 135 ГПа. Коэффициент Пуассона: 0,24. Твердость по методу Кнупа: 1800 кг/мм2 при нагрузке 0,2 кг	Алюминиевая броня может остановить те же самые пули от малокалиберного оружия, что и традиционное пуленепробиваемое стекло, но она будет все еще прозрачной даже после выстрела без характерных трещин. Она не боится ни песка, ни гравия, ни пыли. Стойкость к абразивным материалам очень высокая. Несмотря на великолепные свойства прозрачного алюминия, этот материал не получил широкого использования. ALON в настоящее время используется главным образом для линз наблюдательных приборов и датчиков ракет.

БЛАНК ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО   КЕЙСА № 1 «КОНСТРУКЦИОННОЕ АССОРТИ»

Номер фокус-группы:____________________________________________

ФИО участников фокус-группы:__________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ПРАКТИЧЕСКИЙ КЕЙС № 2

«УДИВИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ БУДУЩЕГО»

Цель кейса №2: научиться прослеживать влияние на надсистему любого изменения в системе с помощью МЕТОДА СНЕЖНОГО КОМА (ТРИЗ-технологии).

Ситуационная задача кейса №2: спроектировать будущее жизнедеятельности человека, окруженного материалами будущего.

АЛГОРИТМ РАБОТЫ ПО МЕТОДУ СНЕЖНОГО КОМА

Действие 1. Выбрать исходную ситуацию или исходный объект:

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Действие 2: Сформулировать исходную фантастическую идею, которая и станет «маленьким снежным комочком», на который будет накручиваться вся ситуация:

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Действие 3. Произвести исходное изменение прототипа, то есть допустить, что идея уже реализовалась. Тем самым получить фантастическую ситуацию ФС1:

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Действие 4. Ввести измененную ситуацию ФС1 в реальные жизненные условия Р1 и получить новую фантастическую ситуацию: ФС1+Р1=ФС2:

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________Действие 5. Ситуацию ФС2 поместите в новые реальные условия Р2 и получите следующий фантастический результат: ФС2+Р2=ФС3:

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ПРЕЗЕНТАЦИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО КЕЙСА № 2 «УДИВИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ БУДУЩЕГО»

1.                     Указание исходного объекта или исходной ситуации

2.                     Указание научной и достоверной характеристики об объекте или ситуации

3. Научно-фантастический рассказ

ФОТООЧЕТ О ПРОВЕДЕННОМ УЧЕБНОМ ЗАНЯТИИ

1.     Организационно-мотивационный момент

2.     Актуализация опорных знаний обучающихся

  

3.                 Дискуссионная площадка «Конструкционные материалы будущего»

3.1.          Дискуссия по материалам видео-блока

3.2.         Сообщение по информационному блоку № 1

(Конструкционные материалы в машиностроении)

Выступает Турушин Александр

Дискуссия по материалам информационного блока № 1

В дискуссии участвуют – Павленко Александр и Алексей

3.3.          Сообщение по информационному блоку № 2

(Конструкционные материалы в станкостроении)

Выступает Груздев Александр (гр.3ТМ15-1)

Дискуссия по материалам информационного блока № 2

3.4.          Сообщение по информационному блоку № 3

(Конструкционные материалы в приборостроении)

Выступает Маризина Дарья

Дискуссия по материалам информационного блока № 3

Участвует в дискуссии Захарченко Александр и Нартова Ирина

4.     Работа в фокус-группах

Практический кейс 1 «Конструкционное ассорти»

Презентация результатов работы по практическому кейсу № 1

Презентация результатов – Павленко Александр и Виктория

5.        Работа в фокус-группах

Практический кейс 2 «Удивительные материалы будущего»

Презентация результатов работы по практическому кейсу № 2

Презентация результата – Захарченко Александр и Нартова Ирина

6. Рефлексия

Нартова Ирина, Виктория, Алексей и Зарейба Кирилл

Савотин Данила, Турушин Александр, Павленко Александр и Андрей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Практическая реализация проекта учебного занятия по учебной дисциплине ОП.04 Материаловедение показала слабые и сильные стороны используемых инновационных педагогических технологий.

К положительным моментам можно отнести:

1.     формирование и развитие активности обучающихся на учебном занятии;

2.     предоставление возможности учащимся участия в дискуссионных процессах;

3.     формирование навыков работы в группе, развитие навыков сотрудничества;

4.      активизация мыслительный и творческой деятельности.

К отрицательным моментам можно отнести:

1.     неготовность студентов работать в режиме дискуссий;

2.     отсутствие навыков публичного выступления;

3.     низкая мотивация «пассивных» студентов.

ЛИТЕРАТУРА

1.     Сластенин, В.А., ПЕДАГОГИКА: Учебное пособие для студентов педагогических учебных заведений / В.А.Сластенин, И.Ф.Исаев, А.И.Мищенко, Е.Н.Шиянов. — М.: Школа-Пресс, 1997. — 512 с. ISBN 5-88527-171-2.;

2.     Рекомендации для проведения информационно-дискуссионных площадок,http://socioprofi.com/sites/default/files/nodes/5/2/recomendacii_k_uchastiyu_v_in_disc_ploshadke.pdf (дата обращения: 12 мая 2018 г.);

3.     МЕТОД КЕЙС-СТАДИ КАК СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБУЧЕНИЯ, https://urokimatematiki.ru/statya-metod-keysstadi-kak-sovremennaya-tehnologiya-obucheniya-2253.html (дата обращения: 23.апреля 2018 г.);

4.     Метод снежного кома в ТРИЗ: Как написать сказку, http://vytvoryandia.ru/metod-snezhnogo-koma-v-triz-kak-napisat-skazku/ (дата обращения: 23 апреля 2018 ).