تدريس نانوتکنولوژي در دوره ليسانس

رشته بيوابزارها (ابزارهاي زيستي) به شيمي و بيولوژي مربوط مي‌شود. شروع آن با حسگرهاي زيستيِ گلوكزيكلاسيك (4) است و درادامه به حسگرهاي زيستي جديدتر خودسامان نظير حسگر زيستي كانال يوني AMBRI مي‌رسد و پس از آن به استفاده از المان‌هاي زيستي (5) به عنوان بلوك‌هاي ساختماني منجر مي‌شود و ...
گرايش نانوساختار ارتباط تنگاتنگي با فيزيك و شيمي دارد و عمدة توجه آن معطوف به نقش علم سطح و نور در بررسي و كاوش نانوساختارهايي چون نقاط كوانتومي (6)، نانوذرات (7) يا آرايه‌هاي اتمي (8) است. به همين ترتيب برخي موضوعات اين گرايش هم معطوف به كاربرد اين ساختارها مي‌باشد. در اين گرايش به دو دليل به جنبه‌هاي نوري توجه مي‌گردد:
نخست آنكه فوتونيك، يكي از حوزه‌هاي تحقيقاتي فعالي است كه به سرعت در حال ايجاد يك زيربناي صنعتي قوي در استراليا مي‌باشد؛ لذا مي‌تواند فرصت‌هاي شغلي مناسبي براي فارغ‌التحصيلان ما (فارغ‌التحصيلان دورة كارشناسي نانوتكنولوژي) فراهم آورد.
دوم آنكه توسعه فوتونيك درآيندة نزديك به قلمرو نانوتكنولوژي هم وارد خواهد شد.
عمدة بخش‌هاي اين دو جريان با هم مشترك مي‌باشند كه درواقع نشان‌دهندة آن است كه دانستن مقداري رياضيات پايه، فيزيك يا مهندسي، شيمي يا بيولوژي لازمة درك چگونگي ايجاد اين ساختارها، حتي ساختارهاي با مقياس نانومتري مي‌باشد. جنبه‌هاي فيزيكي و مهندسي، مربوط به بيان نيروهايي است كه ساختارهاي پايدار مي‌سازند؛ درحالي‌كه شيمي و زيست‌شناسي مشخصاً به دنبال بلوك‌هاي ساختماني ممكن از اين ساختارها مي‌باشند. درآينده باتوجه بيشتر به نانوتكنولوژي و كاربردهاي آن ممكن است اين دو شاخه ادغام شده و يك رشتة واحد را تشكيل دهند. به هر حال در هر دو گرايش، حداقل دوسوم وقت دانشجويان همچنان به علوم پايه اختصاص خواهد داشت. علومي چون، زيست‌شناسي سلولي، ترموديناميك و يا الكترومغناطيس.
دو بخش عمدة ديگر اين دوره موضوعات مديريت خطر‌پذير و عناويني است كه با پيشوند NANO مشخص مي‌گردند.
موضوعات مديريتي عبارتند از عناوين غيرعلوم پايه در حوزه‌هايي چون اقتصاد و تجارت. به همين ترتيب طي دوران تحصيل، دانشجويان ملزم به نوشتن يك برنامة تجاري برمبناي ايده تجاري اوليه خود مي‌باشند. تحليل عمدة گنجاندن چنين موضوعاتي آن است كه به اعتقاد ما بسياري از دانشجويان در مسير شغلي خويش به مجموعه‌هاي صنعتي‌اي مي‌رسند كه مهارت‌هاي تجاري در آنها علاوه بر مهارت‌هاي علمي سنتي شديداً مورد نياز است. به‌علاوه به نظر ما باتوجه به آنكه هنوز نانوتكنولوژي درابتداي راه است، فارغ‌‌التحصيلان اين رشته مي‌توانند نقشي كليدي در توسعه و تجاري‌‌شدن اين فناوري در استراليا داشته باشند. درمجموع هدف از ارائه اين موضوعات در طي اين دوره،آشناسازي مقدماتي دانشجويان با زيربناي مديريت و تجارت است كه به هيچ عنوان نمي‌تواند آشنايي كاملي باشد، البته دو تا از اين موضوعات بعداً به طور مفصل بررسي خواهند شد.
سعي مي‌شود در ارائة موضوعات و عناوين نانوتكنولوژيكي در هر سال از علوم پايه‌اي بهره برده شود كه در آن سال تدريس مي‌شود و آن علوم در مثال‌هاي نانوتكنولوژي معيني به كار برده شود. [يعني دانشجويان پس از فراگيري علوم پايه در هر سال، موضوعات نانوتكنولوژي را در كاربردهاي علمي به كار مي‌برند مترجم]. ما اميدواريم به اين شيوه تمامي علوم پايه در نظر دانشجويان به هم مربوط شده، به اين وسيله به آنها نشان دهيم كه مجموع اين بخش‌ها قادر به ايجاد تجربة شگفت‌انگيزي است كه جاپاي كاربردهاي نانوتكنولوژي را محكم كرده و آنها را قابل فهم مي‌سازد. (9)
البته جاي خوشبختي است كه اين واحدها توانسته است درجلب توجه و علاقه دانشجويان به علوم پايه و ايجاد انگيزه در آنها مؤثر باشد. چرا كه تاحدودي اين واحدها به دانشجويان مربوط مي‌شود.
روند كار
دانشجوياني كه به اين رشته وارد مي‌شوند زمينه علمي بسيار قوي‌اي دارند. شيمي، فيزيك و رياضي سال آخر دبيرستان از پيش‌نيازهاي اين دوره مي‌باشند.
ما مهارت‌هاي موجود را از سه طريق عمده ايجاد نموديم؛ ابتدا براي جلب علاقة دانشجويان به برنامه‌هاي علوم پايه و حفظ علاقه‌مندي آنان، سعي كرديم تا ارتباط موضوعات اين دوره با مطالب مرتبط در جهان خارج (واقعي) را به آنها نشان دهيم. درمرحلة بعد، برنامه پيش‌بيني شده برايِ سال اول به دانشجويان كمك مي‌كند تا بتوانند مستقلاً به جمع‌آوري و ارزيابي اطلاعات بپردازند؛ و بالاخره اينكه، موضوعات علمي (تجربي) و غيرعلمي (مربوط به مهارت‌ها) كه دانشجويان، چه به عنوان بخشي از دوره و چه در غير آن، با آن مواجه مي‌شوند، يا به صورت رسمي طي سخنراني‌ها و كلاس‌هاي درس و غيره و يا به طور غيررسمي از طريق كارهاي گروهي، ارائه در كلاس و گفت‌وگو به طور مكرر، به دانشجويان ارائه مي‌گردد. (10 و 2)
محتواي دوره
مسائل آموزشي متعددي وجود دارد كه بايد در توسعه و ايجاد موضوعات درسي اين دوره مدنظر قرار گيرد. براي بيان اين مسائل، ابتدا برخي مشكلات آموزشي كه شايد در تمامي دانشگاه‌ها هم وجود داشته باشد را مطرح مي‌نماييم. از اين لحاظ، شروع مجدد (برمبناي وضعيت موجود) مزيتي به شمار مي‌آيد؛ چراكه برمبناي آن مي‌توان موضوعات جديدي را براي اهدافي معين طراحي نمود و مشكلات متعددي را طرح كرد كه ممكن است دانشجويان با آن روبه‌رو مي‌شوند.
نانو 1101 نانوتكنولوژي 1
باتوجه به ساختاري كه تدوين شده است دانشجويان در سال اول بايد براساس گرايشي كه در نظر دارند تا از سال دوم به بعد دنبال كنند يكي از دو انتخاب زير را انجام دهند: يا رياضيات با گرايش نانوساختارها؛ و يا زيست‌شناسي با گرايش ابزارهاي زيستي . اين انتخاب بايد در نيمسال اول انجام شود و تأخير آن تا شروع سال دوم، به هيچ وجه مطلوب نيست. متأسفانه تاكنون ساختاري را براي انجام اين كار نيافته‌ايم و موفق به قاعده‌مندكردن اين انتخاب‌ها نشده‌ايم.
با فرض اينكه دانشجويان انتخاب خود را انجام داده باشند، در نيم‌سال اول، درسي با عنوان نانوتكنولوژي1 به آنها ارائه مي‌شود تا بتوانند دركي از گستردگي حوزه هركدام از اين گرايش‌ها داشته باشند. ارائه اين درس با انجام دو پروژه همراه است: يكي در زمينة حسگر كانال يوني (5) و ديگري در زمينة محاسبات كامپيوتري. (11) دانشجويان در گروه‌هاي شش‌نفره به انجام اين پروژه‌ها مشغول شده، درپايان گزارشي از كار خود، هم به صورت شفاهي و هم به صورت كتبي، ارائه مي‌كنند.
به عنوان بخشي از كارهايي كه بايد انجام شود، دانشجويان ملزم به داشتن دفتري جهت ثبت كليه فعاليت‌هاي علمي خود چه در آزمايشگاه و چه خارج آن مي‌باشند تا كارهاي تحقيقاتي‌اي كه در متون مربوطه انجام مي‌دهند را ثبت كنند [تأكيد بر اهميت ثبت فعاليت‌ها و نتايج حاصل از تحقيقات ميداني و كتابخانه‌اي] (12). تمام تحقيقاتي كه دانشجويان انجام مي‌دهند مربوط به موضوع پروژه‌اي است كه روي آن كار مي‌كنند. درنهايت هم آنها بايد به طور دقيق و موشكافانه با كمك رهبر گروه به ارزيابي نتايج به‌دست‌آمده بپردازند. به اين وسيله مهارت كارهاي گروهي، ارزيابي و نقادي، نوشتن گزارش و ارائة شفاهي آن كه امروزه در بازار استخدام شديداً ارزشمند مي‌باشند، تقويت مي‌شود (10). مهم‌تر آن كه انجام اين كارها دانشجويان را وادار به تفكر دربارة موضوعات علمي مرتبط با نانوتكنولوژي مي‌كند؛ ازجمله آنكه چگونه مي‌توان ساختارهاي نانومتري را ايجاد كرده، مورد آزمايش قرار داد و كاربردهاي احتمالي و موارد استفاده اين نانوساختارها چه مي‌باشد؟
سؤالي كه پيش مي‌آيد آن است كه آيا دانشجوي سال اولي قادر به درك پيچيدگي كامپيوترهاي كوانتومي مي‌باشد؟ البته كه نه. اما اگر آنها از هم‌اكنون موضوع محاسبات كامپيوتري را مورد بحث قرار داده باشند، اهميت مكانيك كوانتومي پايه را درك خواهند كرد. به اين ترتيب وقتي دانشجو در سال اول با تصويري بزرگ و ديدي كلي از نانوتكنولوژي آشنا شده، اسامي تك‌تك موضوعات مربوطه و كاربرد و اهميت آنها را درك كند، هنگامي كه درس‌هاي مربوطه را در سال‌هاي دوم يا سوم دوره ليسانس انتخاب مي‌كند، اصل آن موضوعات براي او عجيب نيست و به اهميت و ربط آن كاملاً واقف است. تمام اينها وقتي اهميت خواهد داشت كه ما ربط‌ موضوعات را امري ضروري در روند يادگيري دانشجويان بدانيم. در طول دوره سعي ما بر اين است تا پرسش دانشجويان كه "چرا بايد اين درس را بياموزيم؟" بي‌پاسخ نماند، اگرچه كه نوعاً در ساير دانشگاه‌ها دانشجويان در پايان تحصيلات خود و يا در سال آخر به پاسخ اين پرسش مي‌رسند و حتي بسياري از استادان دانشگاه ازاينكه دانشجويي زودتر از اين هنگام چنين سؤالي را بپرسد ناراحت مي‌شوند. البته عقيدة ما مخالف اين است و نه‌تنها اين پرسش را نامعقول نمي‌دانيم؛ بلكه سعي داريم تا به دانشجو نشان دهيم كه علوم پايه تا چه حد و به چه وسعتي حائز اهميت مي‌باشند.
نانو 1102 مهارت‌هاي حرفه‌اي براي متخصصين نانوتكنولوژي
اين درس اولين واحد از دروس غيرعملي (تجربي) است كه دانشجويان بايد آن را بگذرانند. هدف اولية ارائة چنين درسي آموزش برخي موضوعات و مهارت‌هاي غيرعلمي صرف به دانشجويان است كه احتمالاً در آينده شغلي آنان حائز اهميت مي‌باشد. اين موضوعات در سه مرحله ارائه مي‌شوند. ابتدا از گروه‌هاي مختلفي از دانشمندان دعوت مي‌شود تا براي دانشجويان در زمينة شغل آنها و مهارت‌هاي مهمي كه به آن نياز دارند صحبت نمايند. اين دانشمندان هم از متخصصان علوم محض و هم علوم انساني (غيرتجربي) مي‌باشند كه البته در جريان اين كار هم قرار دارند.
در وهله دوم دانشجويان ملزم به انتخاب و برعهده‌گرفتن تعدادي مسأله براي فراگيري (PBL) (2 ، 13) به صورت خودآموز مي‌باشند كه طي آن، موضوعات گوناگون از روش‌هاي علمي تجاري‌سازي مانند فرهنگ مشاركت، حق انحصاري و ... را مورد بحث و بررسي قرار مي‌دهند. اين طرح‌ها را به صورت گروهي مورد بحث و مذاكره قرار مي‌دهند و موضوعات مرتبط با مسألة داده‌شده را استخراج مي‌نمايند. در طي انجام اين كار لازم است ابتدا موضوعات مهم معرفي ‌شود تا سپس آنها با انجام تحقيقاتي بتوانند به جواب برخي از سؤالات خود دست يابند [درواقع با اين روش دانشجويان سؤالاتي را كه تاكنون برايشان مهم بوده خود جواب مي‌دهند و درواقع جواب آن را كشف مي‌كنند]. اين شيوه كار، يكي از روش‌هاي بسيار مؤثر براي ارائه موضوعات به دانشجويان و هرچه بيشتر درگيركردن آنها با فرآيند يادگيري است. به اين ترتيب آنها همين مطالب را بسيار بيشتر از وقتي كه به طور رسمي و به شكل سخنراني در كلاس تدريس شود فرا خواهند گرفت (چون خودشان به مطلب رسيده‌اند). اكنون مي‌توان براي رسيدن به نتيجة بهتر اين شيوة يادگيري را با مجموعه كلاس‌هايي كه افرادي با تخصص‌هاي مختلف در آن به سخنراني مي‌پردازند تكميل و تقويت نمود. به علاوه گروهي از دانشجويان هم به ارائة بخشي در اين مورد خواهند پرداخت. اين بحث مي‌تواند به شكل مناظره، پاسخ به يك پرسشگر و يا درگيرشدن كل دانشجويان كلاس و بحث برسر يك موضوع واحد باشد. تمام اين كارها تمريني است براي اينكه دانشجويان بتوانند توانايي و مهارت ارائة يك بحث منطقي و معتدل را در آينده پيدا كنند.
و بالاخره كار ديگري كه دانشجويان بايد انجام دهند آن است كه به طور گروهي در مورد يكي از پروژه‌هاي علمي كه به موفقيت تجاري دست يافته، بحث مي‌كنند. برخي از اين پروژه‌ها عبارتند از ليزر و سيستم‌هاي مكان‌يابي جهاني. ابتدا از دانشجويان درخواست مي‌شود تا به زمينه و پاية علمي آن محصول فكر كرده، سپس سعي كنند تا از مراحلي كه طي شده است تا اين محصول از هنگام كشف علمي خود به بهره‌برداري تجاري برسد مطالبي را فراگيرند. در اينجا هم انتظار مي‌رود كه دانشجويان گزارش‌هايي كتبي و شفاهي از كار خود ارائه نمايند.
ساير واحدهاي نانو
در سال دوم و سوم براي هر دو گرايش واحدهايي خاص نانو ارائه مي‌شود. نانوتكنولوژي، علمي كاملاً جديد است و كنار هم‌قراردادن اين موضوعات كاملاً مشكل به نظر مي‌رسد و بسياري از مواد درسي هم از همين متون انتخاب مي‌شود. مهم‌ترين جنبه در تدريس اين موضوعات، آن است كه باعث جلب توجه دانشجويان به علوم پايه شده و به آنها كمك مي‌كند تا بتوانند كاربردهاي جديد و مهيج نانوتكنولوژي را توضيح دهند. به عنوان مثال هنگامي كه صحبت از انتقال الكتروني در نانوساختارهاي محدود مي‌شود، درك مفاهيمي چون پديدة تونل‌زني كه در مكانيك كوانتوم مطرح است و يا نظريه باند (تراز) [باندهاي انرژي] در جامدات ضروري مي‌باشد.
از اين‌روست كه اين موارد مجدداً بر ارتباط و اهميت علوم پايه در نانوتكنولوژي تأكيد كرده و به جلب علاقه دانشجويان، حفظ اين علاقه‌مندي و درگيرشدن آنها با ايده‌ها و مفاهيم علمي وسيع‌تر كمك مي‌كند.
در كنار هركدام از اين دروس درس آزمايشگاه هم پيش‌بيني شده است. اينكه ما با موضوعي جديد شروع كرده‌ايم كه در آن هيچ كار عملي‌اي انجام نشده، خود مطلبي است و اين بدان معناست كه بايد علاوه بر كارهاي معمول، كار زيادي در اين زمينه انجام شود. براي ايجاد آزمايشگاه‌ها، توانستيم براساس منابع موجود كارهايي را انجام دهيم. (16،14) برخي از اين آزمايشگاه‌ها شامل بخش سينتيك است كه با استفاده از روش تصويربرداري STM انجام مي‌‌شود؛ ازجمله تصويرهايي كه از تك‌لايه‌هاي خودسامان، تركيبات متعدد و اندازه‌گيري خواص نانوذرات به دست مي‌آيد. آزمايش سيلسيم (Si) متخلخل و ساخت و بررسي مشخص‌ پيل‌هاي خورشيدي و غيره.
موضوع اين آزمايش‌ها، همگي استفادة دوباره از علوم پايه (غالباً در زمينة علمي باهم) براي درك كاربردهاي مهيج جديد مي‌باشد. در آزمايشگاه دانشجويان سال سوم، ساير موضوعات و جنبه‌هاي عملي مرتبط با حوزه‌هاي كليدي چون الكتروشيمي، سينتيك، اندازه‌گيري رسانش كوانتومي و اپتيك مورد بحث قرار مي‌گيرند. دانشجويان در سال‌هاي قبل واحدهاي مرتبط با همة اين موضوعات را گذرانده‌اند و اين بار كمي بيشتر به آنها مي‌پردازند تا نشان دهند كه اين علوم پايه، زيربناي كاربردهاي مهيج جديد‌ند. دانشجويان با تكنيك‌هايي چون QCM و Langmuir Blodgett با تأكيد بر استفاده از تكنيك‌هاي موجود به روش‌هايي جديد، آشنا مي‌شوند.
در گرايش مربوط به حسگرهاي زيستي اين كار شامل به‌كارگيري تكنيك‌هاي جديد براي كشف علاقه‌مندي‌هايي است كه از قديم وجود داشته است (همانند حسگرهاي زيستي گلوكزي).
برخي آزمايشگاه‌ها تنها مختص يك گرايش است در حالي كه حدود دوسوم كارهاي عملي به گونه‌اي طراحي شده‌اند كه هردو گرايش را دربرگيرند.
در بخش پاياني موضوعاتي كه در سال سوم ارائه مي‌شوند، از دانشجويان خواسته مي‌شود تا برنامه تجربي خود را برمبناي كارهاي تجربي گذشته طراحي كنند. به اين ترتيب انجام اين كار مي‌تواند شروعي باشد براي گسترش مهارت‌هاي علمي پايه‌اي كه دانشجويان بعدها در مشاغل آينده خود به آن نياز خواهند داشت و اساس كار آنها را تشكيل مي‌دهد.
ECON 3011 ابتكارات برپاية علم
اين درس آخرين واحد از مجموعة دروسي است كه دانشجويان در گرايش غيرعلمي خواهند داشت. هدف اين درس استفاده از تمامي مجموعه‌ ايده‌هايي است كه دانشجويان تاكنون فراگرفته‌اند (جمع‌كردن همه ايده‌هاي گذشته تحت يك موضوع واحد)، به اين صورت كه آنها بايد يك شركت نانوتكنولوژي جديد را مورد بررسي قرار داده و با ديد تجاري، انتقادها، پيشنهادها و نظرات خود را دربارة آن مطرح كنند. درست همانند كاري كه در ساير زمينه‌هاي تجاري هم رايج است. با گذراندن اين واحد (عملي) دانشجويان اين نكته را درمي‌يابند كه آنچه آنها امروز در دانشگاه فرا مي‌گيرند همان مواردي است كه شايد بعداً در شغل خود به عنوان دانشمند، خصوصاً در شركت‌هاي كوچك، به‌كار برده شود.
فارغ‌التحصيلي
آخرين سال از اين دورة تحصيلي به دو بخش تقسيم مي‌شود. اولين بخش همانند ساير درس‌هايي است كه تاكنون گذرانده‌اند. چه علمي محض و يا غيرعلمي. واحدهاي علمي برمبناي علوم پايه و براي يك برنامه 4 ساله طراحي شده بود، در حالي كه واحدهاي غيرعلمي ازجمله توليد يك طرح تجاري، برمبناي طرح‌ها و ايده‌هايي است كه آنها را گروه‌هاي كوچك دانشجويي كرده‌اند. بخش دوم از برنامه‌ سال آخر جهت فارغ‌التحصيلي، پروژة تحقيقاتي است كه در آن دانشجويان بايد حدود 5 ماه همانند يك محقق وقت خود را در يكي از آزمايشگاه‌هاي دانشگاه فليندرز و يا هرجاي ديگري سپري كرده و دربارة پروژة مورد علاقه خود تحقيق نمايند. بعد از اتمام تحقيقات بايد نتايج به‌دست‌آمده را كتبي و شفاهي، طي يك سمينار ارائه نمايند. مجموعة اين تلاش‌هاي علمي و تجاري با هم در نظر گرفته شده و حاكي از ميزان مهارت و دانشي است كه دانشجو طي سه سال گذشته تحصيل خود كسب كرده است (3).
علاوه بر اين انجام چنين فعاليت‌هايي دانشجويان را با شرايط واقعي پس از فارغ‌التحصيلي و كارهايي آشنا مي‌سازد كه بايد انجام دهند.
نتيجه‌گيري
موقعيت دورة كارشناسي نانوتكنولوژي كه در دانشگاه فليندرز برگزار شد كاملاً به اثبات رسيده است. تعداد دانشجويان مستعدي كه اين رشته را جهت تحصيل درنظر گرفته‌اند، حاكي از افزايش علاقه‌مندي به علوم فيزيكي است. موضوعات جديدي هم كه ارائه شده‌اند و بخشي از اين دوره را تشكيل مي‌دهند كاملاً موفق بوده و فرصتي را براي دانشجويان فراهم كرده است تا به بحث دربارة موضوعات علمي و غيرعلمي‌اي بپردازند كه هر دو در مشاغل آينده آنها اهميتي بسزا دارد. همچنين برگزاري اين دوره سبب ارتقاي سطح نانوتكنولوژي استراليا و ارائه افقي روشن‌تر در اين زمينه شده است.