Реферат: Д. А. Медведев предложил Минобрнауки увеличить количество специальностей в связи с развитием потребности в квалифицированных кадров для нанотехнологий, а также создать госзаказ на инновации и открыть зеленый коридор

Инновационная магистерская програм­ма «Математическое моделирование оп­тических наноструктур» Д.С. Кулябов, доцент кафедры систем телекоммуникаций, к.ф.-м.н.
К.П. Ловецкий, доцент кафедры систем телекоммуникаций, к.ф.-м.н.
К.Е. Самуйлов, зав. кафедрой систем телекоммуникаций, д.т.н.
Л.А. Севастьянов, проф. кафедры систем телекоммуникаций, д.ф.-м.н.
А.А. Хохлов, аспирант кафедры систем телекоммуникаций
РУДН, {ksam;lsevastianov;dharma;klovetski;akhokhlov}@sci.pfu.edu.ru
В докладе подведены основные итоги разработки инновационной об­разовательной программы в области математического моделирования оптических наноструктур, проведенной в рамках реализации приоритет­ного национального проекта «Образование» на кафедре систем телеком­муникаций Российского университета дружбы народов (РУДН). Сфор­мулирована концепция образовательной программы. Представлены под­готовленные для нее авторские учебно-методические комплексы.

1. Введение

26 апреля 2007 года бывший Президент России В. В. Путин в послании Федеральному Собранию назвал нанотехнологии «наиболее приоритетным направлением развития науки и техники».

6 октября 2009 года президент Д. А. Медведев на открытии Международного форума по нанотехнологиям в Москве заявил: «Главное, чтобы не произошло по известному сценарию — мировая экономика начинает расти, экспортный потенциал возрастает, и никакие нанотехнологии не нужны и можно дальше продавать энергоносители. Этот сценарий был бы для нашей страны просто губительным. Все мы должны сделать так, чтобы нанотехнологии стали одной из мощнейших отраслей экономики. Именно к такому сценарию развития я вас призываю», - подчеркнул Д. А. Медведев, обращаясь к участникам форума.

Д. А. Медведев предложил Минобрнауки увеличить количество специальностей в связи с развитием потребности в квалифицированных кадров для нанотехнологий, а также создать госзаказ на инновации и открыть зеленый коридор для экспорта высокотехнологичных товаров.

Всё это подтверждает востребованно­сть дополнительного профессионального образования в области изучения и разработки наноструктур и заинтересованность как отрасли, так и высшей школы во внедрении соответствующих образователь­ных программ в основной цикл высшего образования.

^ 2. Содержание магистерской программы «Математиче­ское моделирование оптических наноструктур»

Разработка и внедрение профиля «Математическое моделирование оптических наноструктур» проходит в рамках национального проекта «Образование». Учебный план, реализованный в РУДН с использовани­ем системы кредитов (зачетных единиц), позволяет начать специализа­цию студента уже в бакалавриате за счет включения в индивидуальный учебный план учащегося всех дисциплин, относящихся к выбранному профилю, а также несколько дисциплин из «смежных» профилей.

Целью учебно-методического комплекса магистерской программы «Математическое моделирование оптических наноструктур» является формирование у студентов четкого представления об основных принци­пах функционирования современных дифракционных оптических эле­ментов и устройств, тонкопленочных многослойных покрытий; о зако­нах взаимодействия электромагнитного излучения видимого диапазона с материалом, а также изучение способов и возможностей математиче­ского синтеза и компьютерного проектирования дифракционных опти­ческих покрытий. Полученные знания закрепляются в оптической лабо­ратории и дисплейном классе на примерах изучения конкретных ди­фракционных оптических элементов и многослойных покрытий со сложной геометрией.

Магистерская программа является инновационной по содержанию и по литературе, она включает в себя последние научные достижения в области решения задач дифракционной оптики, когда характерные раз­меры исследуемых объектов не превышают либо сравнимы с длиной волны оптического излучения. Эта область знаний интенсивно развива­лась в последнее время, но лишь недавно были созданы устойчивые ал­горитмы и разработаны численные методы решения задач для много­слойных решеток. Сейчас методы и алгоритмы решения задач дифрак­ции на решетках распространяются на объекты со сложной геометрией, такие как двумерные решетки с произвольным профилем, трехмерные решетки (фотонные кристаллы) и на анизотропные материалы. Они вос­требованы, поскольку позволяют создавать математические модели взаи­модействия излучения с веществом в наномасштабах, а затем с их по­мощью проектировать новые эффективные устройства в высокотехно­логичных областях медицины, энергетики, инфокоммуникаций и прибо­ростроения.

В ходе реализации магистерской программы используются методики преподавания, принятые в странах болонской системы образования, то есть с использованием кредитной системы оценки знаний.

Курс «Методы и алгоритмы решения задач в моделях оптических покрытий» открывает магистерскую программу «Математическое мо­делирование оптических наноструктур». Целью курса является подроб­ное ознакомление студентов с современными методами численного ре­шения математических задач, возникающих при изучении взаимодей­ствия электромагнитного излучения в области светового диапазона с ве­ществом. Эта область знаний особенно быстро развивается в последние годы в связи с широким применением наноэлементов и тонких (менее одного микрометра толщиной) пленок, используемых в производстве жидко-кристаллических дисплеев, солнечных батарей на основе диэлек­триков, фотоэмиссионных диодов, просветляющих покрытий, поляриза­торов, миниатюрных лазеров, управляемых оптических элементов.

Вторым в магистерской программе следует курс «Методы связан­ных волн расчета оптических покрытий». Наноструктуры взаимодей­ствуют с электромагнитным излучением, включая и оптический диапа­зон, иначе, чем в макромире вследствие того, что размеры оптических структур меньше длины волны. Для создания оптических устройств с конкретными свойствами используются комбинации оптических эле­ментов с разными структурными геометрическими параметрами и раз­личными индексами диэлектрической проницаемости.

Метод связанных волн используется в задачах синтеза или расчета дифракционных решеток или дифракционных оптических элементов, обладающих заданными характеристиками. Решение задач дифракции электромагнитной волны на периодических оптических наноструктурах осуществляется с использованием теоремы Флоке-Блоха, метода Га­леркина, метода Галеркина—Петрова, решения систем дифференциаль­ных уравнений с постоянными коэффициентами.

Курс «Методы дифференциальных разностей расчета оптических покрытий» является факультативным в составе магистерской програм­мы. В ходе обучения студенты осваивают вариационные численные ме­тоды и симметрии, сохранение дискретной дифференциальной структу­ры, практические следствия учета геометрической структуры. Далее изучается переход от векторных полей к дифференциальным формам, вариационное происхождение уравнений Максвелла.

Курс «Регулярные методы и алгоритмы расчета обратных задач в моделях оптических структур» является четвертым по счету в маги­стерской программе.

Интенсивное развитие методов решения неустойчивых задач было предопределено широким внедрением компьютеров в математические исследования. Одним из значимых сегментов обратных некорректных задач являются задачи компьютерной оптики, в частности, задач проек­тирования дифракционных оптических элементов и устройств. В курсе изучаются методы устойчивого решения обратных задач в моделях взаи­модействия электромагнитного излучения видимого диапазона с участками среды со сложной геометрией и сложным по составу диэлек­трическим наполнением занимают важное место в ряду регулярных ме­тодов решения некорректных задач.

В курсе «Математическое моделирование и методы расчета опти­ческих наноструктур» излагаются распространенные математические модели оптических дифракционных решеток. Проанализированы огра­ничения на период решетки, обсуждаются современные методы преодо­ления указанных ограничений. Здесь же приводится обзор последних публикаций о феноменологических и теоретических моделях оптиче­ских свойств тонких пленок, синтезированных из углеродных нанотру­бок и нанопроволок. Такие пленки обладают уникальными свойствами различной природы, мы же останавливаемся на оптических свойствах. Описаны различные методы расчета оптических свойств указанных пленок в зависимости от выбранной математической модели.

Задачи проектирования оптических наноструктур практически не поддаются аналитическому решению, а технология вычислительного эксперимента хорошо зарекомендовала себя при проектировании слож­ных технических устройств в различных областях применения. Поэтому основной задачей курса «Алгоритмы вычислительного эксперимента для проектирования оптических наноструктур» является не только освоение теоретического материала, но и приобретение навыков проек­тирования дифракционных оптических покрытий методом вычисли­тельного эксперимента. В результате обучения они получают умение и навыки правильно оценить сложность научно-исследовательских и конструкторских заданий на разработку дифракционных оптических элементов и устройств, аргументировано выбрать метод решения конструкторской задачи, а затем экономично и эффективно выполнить компьютерный дизайн требуемого дифракционного оптического эле­мента или устройства.

Курс «Математический синтез оптических наноструктур» являет­ся завершающим в магистерской программе «Математическое модели­рование оптических наноструктур». В нем на основе методов и алгорит­мов, развитых в предыдущих курсах, предлагается общая схема реше­ния задачи проектирования покрытий из нанотрубок и нанопроволок для современных технологий солнечной энергетики, умных материалов, дисплейных покрытий с нетривиальными электромеханическими свой­ствами и т.п. Приведены примеры решения актуальных научно-исследо­вательских о конструкторских разработок, пользующихся спросом у за­рубежных производителей.

Для каждой дисциплины модулей образовательной программы «Ма­тематическое моделирование оптических наноструктур» в рамках нацио­нального проекта «Образование» в РУДН были разработаны учебно-методические комплексы, включающие:

электронное учебное пособие, содержащее теоретическую часть, а также практические задания и примеры их выполнения;

вопросы для самоконтроля, промежуточных и итогового контро­лей знаний;

программу курса и календарный план проведения лекционных и се­минарских занятий;

методику оценки уровня знаний.

^ 3. Внедрение образовательной программы «Математиче­ское моделирование оптических наноструктур» в учебный процесс и инфокоммуникационную среду РУДН

Разработанная программа уже сейчас внедрена в учебный процесс РУДН.

Следует отметить, что формат электронных учебников позволяет ин­тегрировать их в созданную на кафедре систем телекоммуникаций ин­фокоммуникационную среду поддержки работы преподавателей и сту­дентов. Среда реализована на базе средств системы eLearning Server 3000 v.3.1 с использованием сервера IBM System x3655 и предоставляет

средства разработки учебно-методических комплексов;

серверную поддержку учебно-методических комплексов;

поддержку виртуальной кафедры;

поддержку работы в виртуальных кабинетах профессорско-пре­подавательского состава;

поддержку виртуальных лабораторий для работы студентов;

средства контроля знаний.

Схема использования инфокоммуникационной среды на кафедре си­стем телекоммуникаций представлена на рисунке 2.

Проведение всех лекционных и семинарских занятий по программе «Управление инфокоммуникациями» проходит в учебных лаборатори­ях, оборудованных мультимедийными средствами обучения.



Рис. 1. Использование инфокоммуникационной среды кафедры

4. Заключение

В докладе рассмотрены основные итоги разработки инновационной образовательной программы «Математическое модели­рование оптиче­ских наноструктур», объединяющей модули специальных дисциплин для дополнительного профессионального образования, бакалавриата и магистратуры. Про­грамма является авторской и разработана в РУДН в рамках националь­ного проекта «Образование». Выполненный объем ра­бот позволяет си­стематизировать знания и эффективно построить об­разовательный процесс с ис­пользованием как традиционных, так и са­мых современных методов обучения.

Литература

Л.А. Севастьянов, К.П. Ловецкий, О.Н. Бикеев, А.П.Горобец. Методы и алгоритмы решения задач в моделях оптических покрытий. Уч. пособие. Москва, ИПК РУДН, 2008, 149 с.

К.П. Ловецкий, Л.А. Севастьянов, М. В. Паукшто, А.А. Жуков. Методы связанных волн расчета оптических покрытий. Уч. пособие. Москва, ИПК РУДН, 2008, 123 с.

К.П. Ловецкий, Л.А. Севастьянов. Методы дифференциальных разностей расчета оптических покрытий. Уч. пособие. Москва, ИПК РУДН, 2008, 139 с.

Л.А. Севастьянов, К.П. Ловецкий, Е.Б. Ланеев. Регулярные методы и алгоритмы расчета обратных задач в моделях оптических структур. Уч. пособие. Москва, ИПК РУДН, 2008, 139 с.

К.П. Ловецкий, Л.А. Севастьянов, О.Н. Бикеев, А.П. Горобец, И.В. Хавруняк. Математическое моделирование и методы расчета оптических наноструктур. Уч. пособие. Москва, ИПК РУДН, 2008, 138 с.

Л.А. Севастьянов, К.П. Ловецкий, Е.Б. Ланеев, О.Н. Бикеев. Алгоритмы вычислительного эксперимента для проектирования оптических наноструктур. Уч. пособие. Москва, ИПК РУДН, 2008, 160 с.

К.П. Ловецкий, Л.А. Севастьянов, М.В. Паукшто, О.Н. Бикеев. Математический синтез оптических наноструктур. Уч. пособие. Москва, ИПК РУДН, 2008, 123 с.



- -