Geum.ru

Департамент образования города Москвы

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
Департамент образования города Москвы

Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов»

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный институт электронной техники (технический университет)


Научно-информационный материал


«Квантовая механика и квантовая информатика. В поисках основных кирпичиков мироздания»


Москва, 2010


Курс научно-популярных лекций «Квантовая информатика. Инженерия гармонии» разрабатывался для повышения заинтересованности наиболее способных выпускников школ г.Зеленограда в продолжении обучения в МИЭТе. Основу курса составляет актуальный обзор теории и практики квантовых вычислений. При изложении материала применён скорее физический, чем строго формальный подход к рассматриваемым явлениям. Лекции построены таким образом, чтобы выработать у слушателей качественное понимание сути представленных теорий и фактов. Строгая математическая теория дана лишь для объяснения базовых научных положений.

Лекционный курс разбит на пять лекций, продолжительностью 2 академических часа. Первая лекция посвящена раскрытию математических и физических основ квантовой информатики, сформулированных, для лучшего восприятия целевой аудиторией, в форме коротких постулатов. Вторая и последующая лекции организуются в виде научных семинаров, включая в себе как прослушивание теоретического материала, так и решение тематических задач с последующим обсуждением результатов. Чтобы избежать перегрузки текста формулами, многие стандартные выкладки предлагаются слушателям в виде задач для самостоятельной работы. В ходе второй лекции рассматривается единица квантовой информации – квантовый бит (кубит). Обсуждаются элементарные логические операции над кубитами, методы создания и управления системами кубитов. Третья лекция является прямым логическим продолжением предыдущей и посвящена простейшим квантовым логическим операциям: контролируемое НЕ, преобразование Уолша-Адамара и др. В пятой заключительной лекции представлены некоторые фундаментальные квантовые алгоритмы, призванные продемонстрировать радикальное преимущество квантовой информатики над классической (сверхплотное кодирование, телепортация).

Представленный лекционный материал ориентирован на школьников старших классов с углублённым изучением физико-математических дисциплин – потенциальных абитуриентов технических ВУЗов. Особое внимание уделяется повышению мотивации молодежи к выбору инженерных специальностей при поступлении в ВУЗ. Основную роль в повышении эффективности восприятия курса будут играть большой педагогический опыт и активная научная деятельность исполнителей, а также наличие качественного демонстрационного материала.

Современные требования в области образования предполагают приоритетное развитие у обучаемых таких личностных качеств, как: самостоятельность, инициатива, готовность к саморазвитию, осознанному выбору направлений и способов социально и индивидуально значимой деятельности, стремление к самореализации в сочетании с высоким уровнем их образованности и воспитанности. Общие тенденции в развитии системы образования на международном, общероссийском уровнях направлены на подготовку специалистов для основных сфер человеческой деятельности в современной социокультурной ситуации. В новой концепции высшего профессионального образования России акценты переносятся с узкопрофессионального подхода к подготовке специалистов на многостороннее интеллектуально-духовное развитие личности обучающегося с учетом его индивидуальных особенностей.

Новая структура стандарта образования призвана обеспечить внедрение компетентностного подхода. Развитие этого подхода связано с коррекцией целей образования. В настоящее время у школьников существует проблема формирования следующих ключевых компетенций: информационной (умение искать, анализировать, преобразовывать, применять информацию для решения проблем); коммуникативной (умение эффективно сотрудничать с другими людьми); самоорганизации (умение ставить цели, планировать, ответственно относиться к здоровью, полноценно использовать личностные ресурсы); самообразования (готовность конструировать и осуществлять собственную образовательную траекторию на протяжении всей жизни, обеспечивая успешность и конкурентоспособность).

Изучение результатов международных исследований PISA, которые также называются тестами компетентности, показало, что наибольшие трудности вызывают задания по переводу информации из одних знаковых форм в другие (например, из графической и табличной в словесную), а также задания, содержащие противоречия, задания определяющие умение учиться. Констатирующий этап педагогического эксперимента показал, что учителя на уроках физики пока еще слабо готовят учащихся к преодолению этих трудностей. Так в основной школе редко используются обучающие и контролирующие задания, связанные с анализом графиков, содержащих недостающую/избыточную или противоречивую информацию. В качестве основных причин учителя указали на отсутствие готового методического материала и сокращение часов, отводимых на изучение физики.

Разрабатываемый в рамках выполняемого проекта курс научно-популярных лекций «Квантовая информатика. Инженерия гармонии» преследует своей целью устранить указанные недостатки традиционного школьного образования. Чтобы сформировать ключевые компетенции, необходимые учащимся для жизни в современном информационном обществе, мы поставили перед собой цель найти такие жизненные задачи, решение которых позволит создать условия приобретения учащимися опыта добывания знаний и умений решения практических задач, но чтобы при этом не страдало освоение содержания предмета физики. Анализ содержания курса физики показал, что ключевые компетенции − учебно-познавательные, информационные, коммуникативные могут быть сформированы у учащихся при выполнении разных видов учебной деятельности. Обучение работе с текстами, решению физических задач повышает уровень вышеперечисленных ключевых компетенций, но в наиболее полном объеме они формируются при проведении дискуссий со школьниками по одной из актуальных и разрекламированных в СМИ тем.

В связи с тем, что в современной жизни возросла роль информации, приоритетными компетенциями в данный период и в ближайшей перспективе являются информационные, они влияют на формирование учебно-познавательных и коммуникативных, поэтому является актуальным вопрос поиска таких способов организации учебного физического эксперимента, которые обеспечат формирование информационных компетенций. Выдвижение информационных компетенций на первый план в современном постиндустриальном обществе приводит к необходимости установления взаимосвязей курса физики с предметом «Информатика и ИТ». Анализ примерных программ по этим предметам показал определенное сходство целей и требований к результатам обучения. Связь в едином курсе лекций двух таких различных дисциплин как «Квантовая механика» и «Информатика» позволит организовать учебный процесс на качественно новом уровне и повысить мотивацию потенциальных абитуриентов к выбору инженерных специальностей при поступлении в ВУЗ.

Ценность создаваемого курса лекций заключается в предлагаемых методах решения проблемы формирования у учащихся методов научного познания при изучении физики, остающейся актуальной на протяжении нескольких десятилетий. Во всех нормативных документах, начиная с 1968 года, ставилась задача ознакомления школьников с методами физической науки, развития способностей к анализу ситуации, пониманию проблемы, построению выводов и умозаключений. Современные социально-экономические условия диктуют новый заказ школе: обучение должно быть направлено на формирование активной личности, способной самостоятельно ставить задачи и находить пути их решения. Одной из главных целей школьного физического образования на данном этапе становится овладение методами научного познания. Задача обучения этим методам зафиксирована в Федеральном компоненте государственного стандарта общего образования и Требованиях к уровню подготовки выпускников как основной, так и средней (полной) школы. В «Концепции физического образования» подчеркивается, что «… ядро содержания физического образования должно включать не только необходимый комплекс знаний,…но и универсальные способы познания…, столь характерные для физики как науки».

При публичном чтении лекций и их последующем основной акцент будет сделан на выявление лиц склонных к исследовательской деятельности, способных к физике учащихся, создающих на уроке особого рода «физическую атмосферу». Образование от «справочного» знания должно перейти к образованию «научному». В соответствии с одним из основных принципов дидактики — принципом развивающего обучения, а также в соответствии с целями физического образования, одной из которых является — формирование научного мышления и мировоззрения учащихся, овладение ими методами научного познания природы, на данном этапе перехода к образованию научному, решению ряда исследовательских задач, необходимо вести речь о развитии физического мышления обучаемых. Физическое мышление является специфическим в том плане, что оно проявляется в исследовании (изучении) содержания физики с помощью физических методов с использованием всех структурных элементов знаний.

Оригинальной чертой предлагаемого курса лекций является методика стимулирования и развития творческого нестандартного мышления. Умение мыслить нестандартно и находить новые оригинальные решения — характерная черта современного научного познания мира. Понятие творческого мышления весьма многогранно. Одной из его основных характеристик, является способность увидеть различные варианты трактовки полученного результата, а также связь между различными, на первый взгляд, не связанными между собой явлениями и описывающими их понятиями.

Развитие творческого характера мышления обучаемых, не отменяет все остальные цели обучения физике, начиная от усвоения определенной совокупности конкретных физических знаний, овладения основными методологическими принципами физики и ее математическим аппаратом, развития высшей степени физического понимания и т.д. Напротив, в ходе публичных слушаний созданного курса происходит выработка творческого характера мышления и овладение соответствующими компетенциями производится именно на основе этих фундаментальных моментов физического образования, и параллельно с ними представляя собой, восхождение на вершину, которая включает в себя все эти моменты. Фактически это последний штрих в полноценном физическом образовании, знаменующий становление компетентности ученого как исследователя природы.

Выработка творческой черты физического мышления будет начата буквально с первых слов лектора, четко определяя при этом педагогическую задачу — какую именно черту следует подчеркивать, разбирая тот или иной конкретный вопрос. По мнению авторов, созданный курс лекций должен обеспечивать условия для формирования в каждом ученике свободной критически мыслящей творческой личности, способной осознать и развивать свои задатки и склонности, найти свое место в жизни. В процессе создания условий для самообразования учащихся, учитель должен готовить их к оценке парадоксальности физических теорий систематическим включением физических парадоксов в практику преподавания.

Обнаружение необычного в обычном, раскрытие назначения парадокса, как источника новых приобретений в знаниях, его роли в достижении плодотворных идей — является важным этапом освоения методологии физики и одним из важнейших компонентов обучения физике. Чтение междисциплинарных лекций повышает эффективность обучения физике в высшей и средней школе, что ведет к развитию физического мышления, а, следовательно, повышению качества физического образования.

Чтение научно-образовательных лекций для школьников, это большой комплекс взаимосвязанных мероприятий, рассчитанный на весь цикл мотивации, обучения и совершенствования профессиональных навыков школьников, включая как разработку учебно-методического материала, так и профориентацию. Разрабатываемый курс лекций преследует цель охватить существенную часть аспектов данной задачи. Так в рамках данного проекта предполагается сделать один из первых шагов в области популяризации инженерных специальностей в условиях, когда в этом уже возникла насущная общественная необходимость. Актуальность образовательного подхода не вызывает сомнений в силу его запрограммированной эффективности и создания предпосылок для устойчивого, поступательного внедрения в общественное сознание положительного имиджа инженерных профессий на уровне понимания и полной осознанности выбора заинтересованной молодежью своей будущей карьеры. Таким образом, целью проекта является создание и апробация цикла научно – популярных лекций, разъясняющих основные понятия и термины, раскрывающих наиболее перспективные области использования и направления развития науки и её современные достижения для мотивации молодежи к выбору карьеры в области основных научных направлений МИЭТа.

Основной стратегией проекта является комплексный и системный подход к распространению и популяризации научно-технических знаний и достижений современной науки, что должно обеспечить долговременный эффект от реализации проекта в целом. Тактикой реализации проекта является использование потенциала ученых и преподавателей МИЭТа для создания инструментария (информационной структуры и методической основы) и полная открытость проекта, ставящая своей задачей максимальное эффективное распространение курса среди потенциальных слушателей.

К основным оригинальным подходам, обеспечивающим конкурентные преимущества данного проекта, можно отнести следующее:
  • высокое качество и большой опыт профессорско-преподавательского состава, привлекаемого к созданию курса,
  • комплексный подход к реализации проекта,
  • использование современных экспериментально-практических результатов в рамках разработки курса,
  • привлечение методистов по всем дисциплинам естественнонаучного школьного курса,
  • апробация в рамках работы со школьниками,
  • закрепление результатов реализации проекта в виде современного мультимедийного материала.

Гарантии высокого качества и эффективности выполнения проекта обеспечиваются следующими основными факторами:
  • опыт в разработке и чтении аналогичного курса лекций для студентов и научных работников,
  • профессиональная деятельность разработчиков курса в области экспериментальных исследований функциональных материалов и в области нанотехнологий,
  • многолетний опыт работы в РФ, а также международное сотрудничество коллектива, привлекаемого к разработке, в области нанотехнологий и квантового компьютинга, в том числе и в реализации научно-исследовательских проектов федерального уровня,
  • сотрудничество с ведущими академическими институтами РФ,
  • опыт создания учебно-методических материалов в рамках реализации приоритетного национального проекта «Образование»,
  • использование полученных материалов в научно-образовательных целях,
  • участие высококвалифицированных преподавателей МИЭТа.