Увлечь в науку. Как ФМШ НГУ готовит будущих ученых
В школах заканчивается учебный год и уже идет набор новых учеников. Так, скоро в новосибирском Академгородке заработает летняя школа для одаренных детей со всей России, а в сентябре ее лучшие выпускники соберутся в классах неприметного здания около университета, чтобы продолжить обучение в одном из уникальнейших образовательных учреждений страны — СУНЦ НГУ. Преподаватели отбирают сюда самых талантливых и мотивированных. Для многих из них уже здесь начинается путь в науку.
Загореться идеей
Учащаяся ФМШ (именно под этой аббревиатурой большинство сибиряков ее и знает еще с советских времен) Екатерина Замараева планирует поступать на физфак. Всерьез наукой она заинтересовалась, когда стала готовиться к турниру юных физиков (ТЮФ). Эти интеллектуальные соревнования зародились много лет назад при МГУ. Со временем даже стали международными. В 2018 году в них принимали участие более 30 стран. В этом году Екатерина представит на них задачу про пузыри. Звучит легкомысленно? А это вовсе не так.
Как только девушка заходит в лабораторию ТЮФ, преподаватель доцент кафедры физики СУНЦ НГУ Юрий Башкатов тут же вовлекает ее в какой-то эксперимент. По обрывкам фраз понятно, что учитель обнаружил какой-то интересный эффект, еще даже не описанный в литературе. Он приносит стеклянные трубочки, что-то там выдувает, показывает. Речь идет о пузырях воздуха. Вернее, динамике их движения в вибрирующей жидкости. Нам еще покажут, как они могут плыть вниз, а не только вверх, как мы все это привыкли видеть.
Турнир юных физиков мероприятие с вполне серьезными процедурами — доклады, дискуссии, рецензирование, вопросы жюри, ответы участников. «С одной стороны, это похоже на научную конференцию, с другой стороны — это спортивное мероприятие. Чтобы побеждать, тут нужна мотивация. Как у спортсменов», — поясняет педагог.
Да и сама тема с пузырями — вовсе не детские шалости. «Они только кажутся маленькими, — объясняет Екатерина. — Пузыри образуются при движении лопастей. Если они схлопываются (эффект кавитации), создаются волны, которые могут разрушать материал. Я считаю, что это актуальная задача».
140635
Почему задача из области гидродинамики заинтересовала хрупкую девушку? Оказывается, тут самое настоящее исследование. Задачу она выбрала, потому что сама не представляла, почему пузыри могут так менять поведение и хотела понять.
«Когда я начинаю друзьям рассказывать, что я сейчас исследую, они говорят: серьезно? А почему так происходит? Я сама изначально не представляла физику явления. Исследования в этой области ведутся давно. Есть огромное количество статей по этой теме. Однако в своих исследованиях мы обнаружили поведение пузырей в вязкой жидкости, которое не описано в литературе. Также увидели необычные явления, которые нам еще предстоит осознать. Взаимодействие пузырей со стенками контейнера кардинально меняет поведение пузырей, которое нам трудно объяснить. Вот именно то, что это никто не исследовал, уникальность меня и зацепили, — поясняет школьница. — Исследованием таких параметров, как вязкость, мы сейчас и занимаемся».
На таких практических задачах человек приобретает опыт, обучается и оттачивает мастерство, отмечает преподаватель: «Можно прочитать тысячу книг, но специалистом от этого ты не станешь».
137700
В разговоре Юрий Башкатов напоминает о мотивации у детей и задаче ФМШ — найти таких вот мотивированных учеников. Но если посмотреть на самого Башкатова, исследовательский азарт виден в первую очередь у него, и, кажется, его вдохновения хватит на добрый десяток-другой школьников. Преподаватель подтверждает, что большую часть жизни отдал науке и ему самому это все до сих пор интересно.
«У нас практически все сотрудники из научно-исследовательских институтов. Мы работаем с ребятами так, чтобы они понимали, что же их ждет, когда они приходят в институт. Стоит процитировать Михаила Алексеевича Лаврентьева: „Поиск способностей и способных — это поиск самых больших богатств… Имея способных людей во всех отраслях науки и техники, можно сделать все“», — поясняет он.
Разбить по шагам
Комната в клубе юных техников заполнена разноцветными штуками с проводами, кажется, это те самые роботы, о которых так много последнее время говорят, невзрачной коробкой стоит 3D-принтер, способный печатать целые детали, а на полке — чайник, «умный», — им можно управлять дистанционно. 11-классник Роман Титов рассказывает, как можно сделать так, что окна будут «показывать». Что? Да вот, например, прогноз погоды. Но сегодня нам нужны не они, школьник показывает систему для велика, которой он занимался в инженерном классе.
«Я летом долго катался на велике и пришел к выводу, что ездить по тротуару неудобно, потому что пешеходы ходят. Можно передвигаться по дороге общего пользования, с некоторыми ограничениями. Но водители не воспринимают велосипедиста как нормального участника движения, поэтому его никто никогда не пропускает. Цель моего изобретения повысить безопасность велосипедиста», — поясняет Роман.
Его система «Drive assistant» представляет собой два модуля: ведущий устанавливается на руль и позволяет управлять всей системой, в него входят фонарик для освещения дороги и дисплей для отображения главной информации (заряд батареи, состояние поворотников и текущая скорость). Ведомый модуль управляет световым оборудованием в виде двух светодиодных колец.
Главный функционал системы — поворотники и стоп-сигнал. «Выехав на дорогу общего пользования, велосипедист обязан показывать поворот — повороты показываются руками, остановки — тоже руками. В маневре нужно держаться за руль одной рукой, что опасно. Плюс для эффективного торможения надо использовать два тормоза, а используется один, так как одна рука, — поясняет Роман. — Мое изобретение — поворотники и стоп-сигнал. Также я решил добавить некоторые „плюшки“, такие, как освещение для поездок ночью — габариты и головной свет».
Идея таким образом обезопасить поездки на велосипеде не нова. Но, по словам Романа, подход в уже существующих аналогах другой, да они и дороже: «Например, есть поворотники только впереди, есть только сзади, есть только габариты. Есть еще один подход — полностью комплексная система, но суть ее в том, что берется телефон и вставляется — там есть и навигатор, и скорость показывается и еще дополнительные функции. Это удобно в управлении, но стоит много денег».
Проекты, подобные этому, делаются на спецкурсах, где дети после уроков осваивают основы инженерных профессий. Такие занятия появились в ФМШ в 2016 году. Сейчас в инженерных классах занимается 95 человек.
«В инженерном классе работа у нас ведется в нескольких группах, каждая занимается своим проектным направлением, — рассказывает преподаватель Алексей Медведев. — Есть группы, которые делают физические устройства, то есть проекты, которые шевелятся, ездят или просто следят за какими-то датчиками. Есть чисто программные, то есть написали приложение и с ним пользователь может взаимодействовать. Например, отслеживать дешевые билеты. Есть проекты, связанные с конструированием, где основной упор делается на то, чтобы человек сделал какую-нибудь модельку: просчитал, из каких частей она должна быть изготовлена, выполнил, собрал. Есть комбинация: конструкция и внутри электронная начинка».
Цель инженерных занятий, как и в случае с физикой, научить ребенка не просто выполнять задание, данное преподавателем, а поставить перед ним исследовательскую задачу. Более того, в начале учебного года ни школьник, ни преподаватель не знают, с чем придется столкнуться в процессе выполнения проекта. Как правило, подростки приходят с идеями, а как уже они будут реализованы, уже зависит от их желаний и возможностей. Если идей нет, с концепцией могут помочь преподаватели, первое в году занятие проходит в формате «мозгового штурма».
«Помимо того, что мы обучаем детей работать с инструментами, программировать, мы учим их изначальную идею представлять в виде некой последовательности. Это очень важный элемент проектной деятельности — планирование собственной работы: разбивать по шагам, не выбиваться из графика», — добавляет преподаватель Дарья Соседкина.
Единственное, что пока не дают школьникам — это экономическую составляющую. Впрочем, Роман, похоже, уже все просчитал и для собственного использования смастерил «помощника» который и с экономической точки зрения выходит выгоднее, чем покупной.
Создать и исследовать
Из химической лаборатории, которая, по словам педагогов, оснащена даже лучше некоторых институтских, фотограф выходит с рассказом о том, как дети показали ему какие-то непонятные цветные жидкости — но для наглядности самое то. Сфотографировать же то, о чем рассказывает серьезный мальчик в очках и халате, сейчас невозможно. Вадим Горяченко синтезировал стеарат палладия. И это был не просто опыт, а, можно сказать, часть целого научного исследования.
Институт гидродинамики занимается изучением процессов детонации, в частности детонационным синтезом — это получение наноматериалов с полезными свойствами путем взрывного разложения индивидуального или смесевого взрывчатого вещества. Многие взрывчатые вещества представляют собой органические соединения с высоким содержанием углерода и относительно низким содержанием кислорода. При их взрыве образуются разные формы элементарного углерода: наноалмазы, различные виды графита, луковичный или аморфный углерод.
«Если смешать органическое взрывчатое вещество с небольшим количеством соединения какого-нибудь металла (которое называют прекурсором), в результате взрыва можно получить частицы этого металла размером от 3 до 20 нанометров, которые остаются на поверхности детонационного углерода. Металл-углеродные нанокомпозиты, синтезируемые этим методом, по своему составу и структуре подобны углероднанесенным металлическим катализаторам, приготовленным известными способами, — поясняет Вадим. — Вот я синтезировал один из возможных прекурсоров (стеарат палладия), его смесь с органическим взрывчатым веществом взрывали в Институте гидродинамики. Потом я проводил испытание каталитической активности полученного вещества, содержащего уголь и распределенные по его поверхности частички палладия, в реакции окисления угарного газа».
Соединение, синтезом которого занимались Вадим и еще один школьник, который сейчас уже учится в университете, описано в литературе, но информации о нем мало и она противоречива, его нельзя просто пойти в магазин и купить, поясняет научрук школьника, доцент кафедры химии СУНЦ НГУ и ведущий инженер Института катализа Борис Мороз.
«В Институте гидродинамики охарактеризовали материал, определили содержание палладия и размер частичек этого металла с помощью электронной микроскопии, определили фазовый состав синтезированного композита, нашли там примеси оксида железа — когда взрыв, камера взрывная немного разрушается. Школьники все это анализировали, им эти данные показывали, объясняли, что это означает», — рассказывает педагог.
Спецкурс «Неорганический синтез» существует в ФМШ с 1986 года, ученики Бориса Мороза работают и в СУНЦ, и в НГУ, и в научных институтах. Безусловно, работа в рамках этих занятий — это профориентация, говорит преподаватель.
«Хоть работы, которые предлагаются в рамках спецкурса, не имеют научной новизны, но они придуманы и организованы таким образом, чтобы каждая представляла собой маленькое исследование — сначала учащийся разбирается, как это надо сделать, потом делает, а потом изучает то, что он сделал, какие у полученного вещества химические свойства, какие характеристики. Потом оформляет эти результаты в виде письменного отчета, — рассказывает Борис Мороз о том, как обычно проходят занятия. — Это модель научного исследования. Выполняя такие работы, школьник может понять, надо ему быть химиком-исследователем или это не его призвание. Это очень хорошо видно: некоторые ребята, придя скромными и не очень мотивированными, как-то раскрывались, поработав год-два. А другие наоборот, придя с желанием, к середине закисали или исчезали, может быть, потому что работа не нравилась, может, находили что-то другое более для себя интересное».
Прежде чем отобрать кого-то из учеников уже для работы с институтом, педагог присматривается — как школьник работает, как говорит, как оформляет письменную работу, насколько надежен целеустремлен, организован и верен своему слову.
Исследование, к которому теперь имеет отношение и Вадим Горяченко, может привести к созданию нового метода получения нанесенных металлических катализаторов. «Около 90% промышленных химических процессов осуществляют с применением катализаторов, — напоминает Борис Мороз. — И еще это имеет некий экологический аспект, потому что существует проблема утилизации взрывчатых веществ с истекшим сроком годности. Утилизируют ли их взрывом, либо перерабатывают в другие взрывчатые вещества — все это имеет свои недостатки. А детонационный синтез — это использование энергии взрыва в мирных целях для получения нужных людям и промышленности материалов».
Текст: Яна Долганина
Фото: Егор Фёдоров