«Российский государственный педагогический университет имени А. И. Герцена»

Вид материала

Содержание

Логика и основные этапы исследования
На защиту выносятся следующие положения
Апробация и внедрение
Структура и объем диссертации.
Основное содержание работы
В первой главе
Во второй главе
В третьей главе
В четвертой главе
Пятая глава

Подобный материал:

1 2 3 4

Логика и основные этапы исследования

Исследование проводилось с 1996 по 2010 годы. В течение этого периода можно выделить три этапа, на которых решались следующие задачи.

Первый этап (1996 – 2002 гг.) состоял в изучении опыта исследовательского обучения физике, выявлении и анализе основных имеющихся здесь противоречий, формулировании проблемы исследования, поиске подходов к ее решению. Выполнены констатирующий и поисковый этапы педагогического эксперимента, в результате чего установлена целесообразность достижения целостности исследовательского обучения физике в подготовке педагогических кадров и обоснована необходимость его научно-методического обеспечения. На основании полученных здесь результатов сформулированы цель и задачи исследования.

На втором этапе (2003 – 2007 гг.) исследования развита концепция целостного исследовательского обучения физике при подготовке педагогических кадров с опорой на предметное содержание физики материалов и приборов твердотельной электроники, изучаемых в общем курсе физики, в специальных физических курсах и в процессе работы студентов в научных лабораториях. Разработаны методические подходы к организации лекционных, семинарских и практических занятий студентов, их проектно-исследовательской деятельности, предложены конкретные рекомендации, отвечающие целевым установкам диссертационного исследования. Определены критерии оценки эффективности предлагаемых методических подходов и выполнен формирующий этап педагогического эксперимента, в результате чего доказана их целесообразность.

Третий этап (2008 – 2010 гг.) связан с апробацией разработанного научно-методического обеспечения в практике подготовки педагогических кадров по физике в вузах, проведением контрольного этапа педагогического эксперимента на основе предложенных соискателем методических материалов, подготовкой учебных программ общего курса физики и специальных физических дисциплин, отвечающих требованиям целостного исследовательского обучения.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Необходимость формирования значимых для преподавателя в современных условиях способностей и готовности к творческой самореализации в профессиональной деятельности делает целесообразным, а созданное в работе научно-методическое обеспечение – возможным целостное в содержательном, методологическом и организационном аспектах исследовательское обучение физике при подготовке педагогических кадров.

2. Обеспечению целостности исследовательской подготовки педагогических кадров в плане предметной основы обучения отвечает содержание физических основ твердотельной электроники, осваиваемое студентами непрерывно, начиная с общего курса физики, и системно, включая освоение аналитических возможностей современных экспериментальных методов, на основе использования единых методических подходов.

3. Эффективным средством достижения содержательной целостности исследовательского обучения является освоение студентами физики определенных классов материалов и приборов твердотельной электроники, осуществляемое в процессе решения проблемно-ориентированных циклов задач – преимущественно аналитического в общем курсе физики и экспериментального – в практикуме по специальным дисциплинам.

4. Возможности обеспечения, наряду с содержательной, методологической целостности исследовательского обучения открывает реализация полного исследовательского цикла в процессе освоения студентами электронных свойств твердых тел в общем курсе физики и современных, признанных, в том числе удостоенных Нобелевской премии и отраженных в лекциях ее лауреатов, достижений твердотельной электроники в специальных физических дисциплинах.

5. Наиболее полно целостность, в том числе в ее организационном аспекте, достигается посредством освоения и использования студентами аналитических возможностей современных экспериментальных методов наукоемких технологий твердотельной электроники, включая технологии наноэлектроники, в процессе проектно-исследовательской деятельности, направленной на решение актуальных физико-технических проблем.

Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в процессе выступлений на конференциях и семинарах:

V, VII–X-ой международных конференциях «Физика в системе современного образования» (ФССО-99, ФССО-03, ФССО-05, ФССО-07, ФССО-09) (Санкт-Петрбург, 1999 г., 2003 г., 2005 г. 2007 г., 2009 г.); VIII–X-ой международных учебно-методических конференциях «Современный физический практикум» (Москва, 2004 г.; Волгоград, 2006 г.; Астрахань, 2008 г.); XI-ой Российско-Американской научно-практической конференции по актуальным вопросам современного университетского образования (Санкт-Петербург, 2008 г.); VII–VIII-ой международных научно-методических конференциях «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» (Москва, 2008 г., 2009 г.); V-ой Российской научно-методической конференции преподавателей вузов и учителей школ «Школа и вуз: достижения и проблемы непрерывного физического образования» (Екатеринбург, 2008 г.); Научно-методической школе-семинаре по проблеме «Физика в системе инженерного и педагогического образования стран ЕврАзЭС» (Москва, 2008 г.); VIII-ой Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы преподавания физико-технических дисциплин» (Пенза, 2008 г.); X–XI-ой международных конференциях «Физика диэлектриков» (Диэлектрики–2004, Диэлектрики–2008) на секциях, посвященных методике обучения физике (Санкт-Петербург, 2004 г.; 2008 г.); а также на ежегодных международных научно-методических конференциях «Герценовские чтения» (Санкт-Петербург, РГПУ им. А. И. Герцена) и на семинарах кафедр методики обучения физике и физической электроники РГПУ им. А.И. Герцена.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем текста 346 страниц. Список литературы содержит 326 наименований. Работа иллюстрирована 80 рисунками и 17 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования, определяются его цель, задачи, объект, предмет, гипотеза и методы, раскрываются научная новизна, теоретическая и практическая значимости полученных результатов, формулируются выносимые на защиту положения.

В первой главе «Проблема научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения физике в подготовке педагогических кадров» осуществляются постановка проблемы исследований, обоснование необходимости ее решения в плане реализации общедидактических и частнометодических принципов физического образования, повышения его качества и эффективности; раскрывается потенциал содержания физических основ твердотельной электроники как предметной основы.

В результате проведенного в работе анализа содержания и организации подготовки педагогических кадров по физике на предмет их соответствия требованиям к исследовательскому обучению и его целевым установкам выявлен ряд противоречий, основными из которых являются следующие.

1. Противоречие между необходимостью приобретения студентами умений и опыта системного, логически завершенного освоения предметного материала, в том числе знаний о методах и средствах исследовательской деятельности, отвечающего магистральным для современных науки и практики направлениям развития, и далеким от передовых достижений содержанием физического образования при подготовке педагогических кадров.

2. Противоречие между необходимостью освоения обучающимися методологии исследовательской деятельности во всей полноте и фрагментарностью ее представленности в обучении физике при подготовке педагогических кадров.

3. Противоречие между необходимостью обеспечения активного, поискового характера деятельности студентов по выбору, освоению и реализации методов исследования как цели и средства целостного исследовательского обучения и преобладающими в практике обучения физике их заданностью и обеспеченностью.

4. Противоречие между необходимостью непрерывной практико-ориентированной исследовательской подготовки на всем протяжении обучения, во всех формах организации деятельности; преемственности приобретаемых студентами знаний и умений и представленностью такой деятельности в основном лишь в квалификационных работах студентов.

Выявленные противоречия явились предпосылкой для постановки проблемы разработки научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения в подготовке педагогических кадров по физике, предполагающего:

– содержательную целостность в плане полноты, широты охвата предметного материала от постановки проблемы до соотнесения ее решения с современными запросами науки и социума, представленности в нем наряду с результатами методов и средств их получения, единства фундаментальной и прикладной составляющих;

– методологическую целостность в плане представленности в процессе освоения предметного содержания всех форм научного знания и познания в последовательности и взаимосвязи, отвечающих методологии научного поиска;

– организационную целостность в плане непрерывности осуществления и единства методических подходов к обучению на всем его протяжении, во всех формах организации учебно-познавательной и исследовательской деятельности студентов с обеспечением при этом соответствующей динамики расширения проблемного поля исследований и повышения требований к их продуктивности.

Показано, что решение сформулированной проблемы находится в русле реализации ряда общедидактических принципов в высшем профессиональном образовании:

– принципа научности в силу направленности на приведение содержания физического образования в соответствие с состоянием современных научных знаний, отражения в нем методов научного познания в конкретном их проявлении;

– принципа системности в силу направленности на формирование у студентов целостных предметных знаний, включая методологические знания, необходимые для понимания структурных связей в системе;

– принципа доступности в силу расширения осваиваемого студентами проблемного поля и их познавательных возможностей;

– принципа дифференцированного и индивидуального подходов к обучению в силу широты освоения содержания и методологии поисково-познавательной деятельности, позволяющей учесть индивидуальные интересы и способности обучаемых;

– принципа мотивации к обучению в силу продуктивности целостного исследовательского обучения;

– принципа профессиональной направленности обучения в силу формирования у студентов качеств мышления и умений, необходимых для решения профессионально-педагогических задач.

В методическом плане принципиальное значение имеют присущие целостному исследовательскому обучению физике:

– синтез фактологической и методологической составляющих в его содержании;

– приведение в единую систему универсальных умений обоснования необходимости эксперимента, выбор (разработка) его методики и ее реализация;

– сущностный анализ экспериментальных результатов;

– выбор (разработка) физической и математической моделей изучаемого явления и их анализ;

– детальное сопоставление результатов эксперимента и теории;

– формулирование вытекающих из модельных представлений следствий и их экспериментальная проверка;

– применение полученных знаний в практических целях.

При этом оказываются востребованными основные операции мыслительного процесса, критичность мышления, методы и механизмы творческой познавательной деятельности. Это позволяет заключить, что решение поставленной проблемы отвечает задаче развития средствами физического образования интеллекта и творческих способностей личности.

Показано, что целостность исследовательской подготовки является важным фактором, способствующим повышению качества физического образования в части качества его результатов, способствуя расширению опыта познавательной деятельности, повышению уровня и прочности освоения ее опыта, осознанности и обобщенности действий; качества содержания в части его полноты, научности и, наконец, качества технологии обучения, приближая его к реальной научной деятельности. Соответствуя деятельностному и развивающему подходам к физическому образованию, целостное исследовательское обучение в подготовке педагогических кадров по физике отвечает и задаче повышения эффективности образования во всех ее компонентах: обученности, обучаемости и адаптируемости выпускника вуза.

Научно-методическое обеспечение целостного исследовательского обучения физике предполагает разработку конкретных форм и методов освоения студентами содержания образования, организации их познавательной деятельности, что делает необходимым, в свою очередь, опору на определенный предметный материал. Выбор последнего должен осуществляться с учетом ряда требований, основными из которых представляются следующие:

– высокий уровень научной и практической значимости;

– представительность предметного материала в содержательном и методологическом аспектах;

– разработанность, наличие общепринятых, устоявшихся концептуальных основ;

– состояние развития;

– выразительная связь предметного материала с общими знаниями, фундаментальными модельными представлениями физики;

– доступность для обучаемых с необходимым стартовым уровнем знаний и умений;

– возможность реализации в обучении системного освоения методологии исследовательской деятельности.

Указанным требованиям к отбору содержания целостной исследовательской подготовки отвечают физические основы твердотельной электроники. Последняя – лидер среди прикладных наук в учебных планах подготовки педагогических кадров по физике, присутствуя, сначала фрагментарно, в общем курсе физики, а затем и в следующих за ним спецкурсах, предполагающих систематическое изучение основ физики материалов и приборов электронной техники. Лидирующее положение твердотельной электроники связано с присутствием ряда ее вопросов в содержании школьного курса (поляризация диэлектриков, электропроводность твердых тел, элементы физики полупроводниковых приборов и др.), ее ролью в понимании принципов действия популярных технических устройств, в первую очередь компьютеров, и содержания высоких (наукоемких) технологий. Сказанное определяет значение предметного материала физических основ твердотельной электроники для физического образования в его мотивационном аспекте – формировании познавательного интереса и ценностного отношения к физическим знаниям.

Наряду с мотивационным аспектом обучение физическим основам твердотельной электроники существенно для физического образования в его содержательном и процессуальном аспектах. Их освоение, кроме необходимых для профессиональной деятельности преподавателя указанных выше знаний, способствует достижению важнейшей цели физического образования – формирования физического понимания, вплоть до его высшего, следуя А.С. Кондратьеву, уровня – прогнозирования явлений, проявляющегося здесь в конструировании материалов и приборных структур с заданными функциональными свойствами, когда, говоря словами Нобелевского лауреата по физике Лео Есаки, «вместо Богом созданных кристаллов, мы сами создаем “кристаллы, сделанные человеком”».

Включение основ физики материалов и приборных структур твердотельной электроники в физическое образование при подготовке педагогических кадров отвечает логике решения таких его проблем, как:

интеграция знаний вследствие опоры на целый ряд фундаментальных физических моделей;
преодоление формализма в знаниях физики в силу наполнения учебного курса конкретным, значимым для науки и практики материалом, что повышает мотивацию к получению новых знаний;
обеспечение высокого уровня организации и динамичности умственной деятельности учащихся;
расширение круга изучаемых фундаментальных физических явлений благодаря включению в учебный курс явлений, наблюдаемых в приборных системах твердотельной электроники;
формирование присущего современной физике нелинейного стиля мышления на основе изучения физики нелинейных электрических и оптических процессов, самоорганизации в конденсированных средах;
целостное освоение и результативное использование методологии исследовательской деятельности.

Таким образом, предметный материал физических основ твердотельной электроники предоставляет широкие возможности для исследовательского обучения, обеспечивая подготовку специалистов, способных в профессиональной деятельности к полноценному творчеству, которое, следуя Я.А. Пономареву, «заключается не в том лишь, что у человека возникают интересные идеи, а в том, что эти идеи воплощаются в соответствующий продукт, делающийся достижением общества, доступный восприятию, пониманию и оценке людей».

Во второй главе «Целостное исследовательское обучение в процессе освоения общего курса физики» раскрываются и обосновываются методические подходы к его проектированию и реализации на первом и основном в подготовке педагогических кадров этапе физического образования.

Сформулированы основные требования, определяющие отбор содержания физических основ твердотельной электроники и организацию процесса их освоения в рамках общего курса физики. В части отбора содержания к ним относятся следующие.

1. Актуализация содержания курса за счет введения в него проблематики современной физики материалов и приборных структур твердотельной электроники.

2. Обогащение содержания курса достижениями современной физики при сохранении его логической целостности.

3. Расширение круга доступных для полноценного анализа фундаментальных физических явлений благодаря использованию приборных структур твердотельной электроники.

4. Использование возможностей моделирования явлений квантовой микрофизики на макроскопических объектах твердотельной электроники.

5. Возможность обеспечения непрерывности освоения предметного содержания изучаемого материала в рамках отдельных разделов и всего курса.

6. Представительность в плане востребованности целостного использования методологии исследовательской деятельности, в том числе экспериментальной, в условиях вузовской лаборатории.

К основным требованиям к организации целостного исследовательского обучения на предметном материале физических основ твердотельной электроники относятся следующие.

1. Методика и технологии исследовательского обучения должны соответствовать принятой в современной науке «проблемной методологии» с максимально возможной активностью обучаемых в постановке проблемы, поиске и реализации подходов к ее решению.

2. Методика обучения должна в максимально возможной степени основываться на задачном подходе, обеспечивающем неформальное, сущностное освоение знаний, востребованность принципиально важных для поисково-познавательной деятельности методов.

3. Содержание теоретической части курса должно строиться как развивающаяся в связи с запросами со стороны эксперимента система моделей; ее освоение должно, по возможности, предваряться самостоятельным установлением студентом на эксперименте ключевых фактов и их предварительным анализом.

4. Сопоставление теории и эксперимента должно осуществляться на основе конкретных результатов исследований физики материалов и приборных структур твердотельной электроники как на качественном, так и на количественном уровне.

5. Исследовательская деятельность должна быть продуктивной в плане формирования физического понимания в целом, включая его наиболее высокий уровень – прогнозирование конструктивного результата.

Реализацию этих требований рассмотрим на примере освоения студентами раздела общего курса физики «Электропроводность полупроводников», где они изучают проблемы электроники твердых тел в неметаллическом состоянии. Здесь студенты экспериментально устанавливают характерные величины и активационный характер температурной зависимости концентрации носителей заряда и проводимости в полупроводниках (Ge, Si, GaAs), высокую чувствительность проводимости полупроводников к содержанию электрически активных примесей, концентрационный переход «полупроводник – металл» в сильно легированных полупроводниках, обратный переход сильно легированного полупроводника в неметаллическое состояние при увеличении степени компенсации основной примеси.

Далее в процессе лекционного исследования и самостоятельной информационно-аналитической деятельности студентов осваиваются адекватные полученным результатам модельные представления. Так, при построении модели андерсоновского перехода в сильно легированных и сильно компенсированных полупроводниках студенты, направляемые преподавателем, оценивают масштаб флуктуаций потенциала случайного поля неупорядоченной системы заряженных примесных центров, анализируют перенос заряда в зависимости от положения уровня Ферми по отношению к уровню протекания, объясняют на основе построенной электронной модели сам наблюдаемый переход и делают прогноз о наличии в такой системе с крупномасштабными флуктуациями потенциала долговременной релаксации фотопроводимости, который проверяют экспериментально. Отмечаются возможности практического использования последнего эффекта для создания устройств записи оптической информации.

В работе показано, что ключевые вопросы физических основ твердотельной электроники могут осваиваться в общем курсе физики на основе решения циклов задач, объединенных общей проблемой. Эти задачи могут относиться как к отдельным разделам общего курса физики, так и к целому их ряду.

В части классической физики разработан предназначенный для раздела «Электричество» вариант цикла задач, ориентированный на изучение проблемы повышения удельных характеристик конденсаторов. Он включает в себя задачи оценки возможностей повышения диэлектрической проницаемости композиционных материалов (слоистых, статистических смесей, матричных систем), используемых в качестве конденсаторных диэлектриков, и развития поверхности электродов. Первая задача цикла состоит в определении диэлектрической проницаемости слоистых диэлектриков; полученные результаты являются стартовыми для решения следующей задачи – определения диэлектрической проницаемости композиционного диэлектрика с хаотическим распределением компонентов и ее температурного коэффициента. Далее, переходя к матричным системам, аналитически выводятся формулы Вагнера и Бруггемана. Располагая последней, студенты решают задачу оценки сверхвысокой диэлектрической проницаемости (порядка 10⁴) керамических материалов на основе полупроводника с межзерновыми изолирующими слоями. В части оценки возможности повышения удельной емкости конденсаторов посредством увеличения площади электродов студентам предлагается определить зависимость емкости конденсатора на основе металлической фольги с развитой поверхностью от концентрации и диаметра созданных в ней цилиндрических каналов.

В разделе «Квантовая физика» предлагается решение цикла задач по оценке влияния на вольт-амперную характеристику полупроводниковых диодов физических параметров рабочего материала: ширины запрещенной зоны полупроводника, концентрации электрически активных примесей, а также температуры. Наряду с неформальным освоением физики p–n переходов, традиционно изучаемой в общем курсе, на основе решения задач данного цикла формируются представления о принципе действия туннельных диодов на основе сильно легированных полупроводников.

Решение указанных циклов задач предлагается координировать с выполнением соответствующих экспериментальных заданий, что обеспечивает достижение не только содержательной, но и методологической целостности обучения.

В качестве варианта цикла задач, охватывающего целый ряд разделов курса общей физики, предлагается цикл задач, направленных на решение проблемы физических ограничений минимальных размеров элементов микроэлектроники. В качестве оцениваемого выступает важнейший параметр, определяющий степень интеграции, – длина канала приборов на основе структур «металл–диэлектрик–полупроводник». В разделе «Электричество» оцениваются ограничения, обусловленные дробовым эффектом, разогревом носителей заряда в сильном электрическом поле, джоулевым разогревом; в разделе «Статистическая физика» – ограничения, связанные с устойчивостью технологического процесса по отношению к флуктуациям концентрации примесей; в разделе «Квантовая физика» минимальная длина канала оценивается из соображений недопустимости смыкания p–n переходов в областях истока и стока. Существенно, что решение указанных задач цикла дает сходящиеся оценки минимальной длины канала.

Из сказанного следует, что реализация развитых методических подходов к освоению элементов физики материалов и приборных структур твердотельной электроники обеспечивает активный характер деятельности студентов, который проявляется в следующем:

– освоении содержания лекций, построенных в форме лекционного исследования, проводимого (направляемого) преподавателем совместно со студентами;

– самостоятельной работе студентов по решению ключевых для обсуждаемой проблемы вопросов, осуществляемой в логике задачного подхода;

выполнении студентами экспериментальных исследовательских заданий, координированных по своему содержанию с лекционными занятиями.

Важным средством обеспечения целостности исследовательского обучения является освоение студентами современных методов физического эксперимента, требующее использования всего арсенала исследовательской деятельности. В настоящей работе развита методика освоения в общем курсе физики широко используемых в метрологии и технологии современной твердотельной электроники (наноэлектроники) методов сканирующей зондовой микроскопии. Аналитические возможности этих методов предлагается осваивать на основе задачного подхода; экспериментальное исследование, осуществляемое студентами на зондовом микроскопе, – координировать с решением вышеуказанных задач и осуществлять в последовательности их решения.

Так, для освоения аналитических возможностей атомно-силовой микроскопии студентам предлагается цикл, включающий следующие задачи: определение амплитудно-частотной характеристики вынужденных колебаний зондового датчика при отсутствии его взаимодействия с поверхностью образца, осуществляемое на основе простейшей модели пружинного маятника; определение влияния взаимодействия зонда с образцом на амплитуду колебаний кантилевера в линейном приближении; оценка изменения резонансной частоты колебаний при учете взаимодействия заряженного острия датчика и точечного заряда, локализованного в приповерхностной области изучаемого образца. Экспериментальную учебно-исследовательскую деятельность студентов предлагается строить поэтапно: на первом этапе на сканирующих зондовых микроскопах, предназначенных для учебных целей (например, NanoEducator, разработанных компанией «НТ-МДТ»), анализируя образцы с крупномасштабными неоднородностями поверхности, а на втором этапе после приобретения необходимого опыта – на аппаратуре исследовательского класса, осуществляя анализ поверхности образцов с атомным разрешением, экспериментально доказывая тем самым атомное строение конденсированных веществ.

В третьей главе «Научно-методическое обеспечение целостного исследовательского обучения в процессе освоения специальных физических дисциплин» раскрываются подходы к реализации систематического и логически завершенного изучения физики материалов и приборов электронной техники в подготовке педагогических кадров.

Разработанное научно-методическое обеспечение предполагает изменение содержания предметного материала и подхода к его структурированию, а именно укрупнение его структурных единиц. В работе развивается аргументация в пользу включения в содержание лекционных курсов разделов, посвященных физике определенных, значимых для науки и практики, материалов и приборов твердотельной электроники. В основе выбора проблематики таких разделов лежат требования: актуальности предметного материала, новизны его содержания, представительности в методологическом плане. Учебно-исследовательская деятельность студентов по освоению этой проблематики строится в соответствии с методологией реального научного поиска в области решения актуальных физико-технических проблем.

Рассмотрим предлагаемый методический подход на примере организации освоения разработанного раздела лекционного курса, посвященного физике материалов и приборов на основе арсенида галлия. Остановимся на методике обучения физике двойных гетероструктур, используемых в качестве основы полупроводниковых инжекционных лазеров, где студенты осваивают достижения, удостоенные Нобелевской премии по физике (Ж.И. Алферов, Г. Кремер, 2000 г.).

В последовательности, отвечающей действительному процессу решения проблемы, перед студентами ставится и в ходе их самостоятельной работы и лекционного исследования решается ряд принципиальных вопросов: определения необходимых условий для реализации лазерного эффекта в p–n структурах; физических ограничений, существующих здесь для гомо- p–n переходов; физических эффектов, обусловливающих достоинства двойных гетероструктур; конструирования необходимой зонной диаграммы приборов; выбора полупроводниковых материалов для их создания; изыскания путей улучшения функциональных свойств полупроводниковых гетеролазеров на основе использования квантово-размерных наноструктур. Важно отметить, что студенты конструируют гетероструктуры (их зонные диаграммы) с заданными функциональными свойствами и могут проверить результаты осуществляемой ими инженерии электронных спектров на эксперименте.

Отвечая целевым установкам данного исследования, реализация предлагаемого методического подхода позволяет:

– осуществить наполнение курса целостным конкретным содержанием;

– включить в содержание курса современные, признанные достижения твердотельной электроники;

– интегрировать и активизировать теоретические знания;

– раскрыть присущую науке взаимосвязь фундаментальных и прикладных исследований;

– освоить логико-операциональную структуру исследовательской деятельности в области решения физико-технических проблем во всей ее полноте.

В основу выбора проблематики семинаров положено требование ее соответствия содержанию задач получения материалов и приборных структур с заданными функциональными свойствами. Отметим, что решение таких задач включает с необходимостью освоение новых для студентов модельных представлений. Так, например, решение предлагаемой задачи получения резистивных материалов с высоким удельным сопротивлением и низким значением его температурного коэффициента на основе случайно неоднородных металлодиэлектрических систем с необходимостью предполагает освоение теории протекания. Используя вычислительный и натурный эксперименты, студенты решают решеточные и континуальную задачи. В итоге они овладевают представлениями об эффекте протекания, понятием порога протекания и определяют последний.

В части разработки лабораторного практикума по физическим основам твердотельной электроники предлагается новый подход к его построению, центральная идея которого состоит в том, что структурной единицей практикума является цикл учебно-исследовательских заданий, направленный на изучение определенной проблемы физики материалов и приборных структур.

Рассмотрим содержание развиваемого методического подхода более подробно на примере разработанного практикума по физике базовых материалов и компонентов твердотельной электроники. Предлагаемый практикум включает в себя шесть циклов, каждый из которых посвящен определенному классу материалов и приборов. Первый цикл посвящен изучению свойств диэлектрических материалов и приборных структур конденсаторостроения. Содержание второго цикла состоит в изучении физики резистивных металлических и полупроводниковых материалов и свойств резисторов на их основе. Третий цикл относится к физике контакта металл–полупроводник, неоднородных полупроводников и диодов на их основе. Четвертый цикл состоит в изучении физических свойств и функциональных характеристик полупроводниковых транзисторов. В пятом цикле изучается физика фотоприемных и светоизлучающих полупроводниковых устройств. Выполнение шестого цикла моделирует ситуацию решения определенной технической задачи – проектирования чувствительного полупроводникового элемента датчика температуры на основе использования свойств различных полупроводниковых приборов.

Отметим, что содержательная целостность выполнения такого практикума обеспечивается не только единством проблематики каждого из циклов, но и общностью физического содержания различных циклов. Так, в первом цикле, посвященном емкостным элементам, изучаются температурные зависимости электрических свойств конденсаторных структур на основе сегнетокерамических материалов, а второй цикл практикума, посвященный резистивным материалам и приборным структурам на их основе, включает в себя анализ температурной зависимости проводимости сегнетокерамики, используемой в качестве материала позисторов. Имеет место и единство содержания различных форм практических занятий. В качестве примера связи содержания практикума с содержанием семинарских занятий выступает анализ во втором цикле практикума возможности реализации позисторного эффекта в металлодиэлектрических композиционных материалах на основе теории протекания.

Показано, что возможности приобретения студентами предметного опыта целостной исследовательской деятельности существенно расширяются, если основной, обязательный для выполнения практикум сочетать со специальным исследовательским практикумом, направленным на углубленное, разностороннее освоение физики одного из изучаемых классов объектов. В качестве примера последних выступают аморфные оксиды металлов в субмикронных анодных слоях, используемые в качестве рабочего диэлектрика оксидных конденсаторов. Выбор этого объекта, наряду с его практической значимостью, обусловлен открывающимися здесь возможностями освоения теоретических основ интенсивно развивающейся физики неупорядоченных систем и постановкой в вузе полного цикла исследований – от получения анодного оксида до экспериментальной проверки следствий, вытекающих из развитых модельных представлений. Перед студентами ставится проблема определения механизма электропроводности в этих материалах и выработки на этой основе практических рекомендаций по улучшению свойств оксидных конденсаторов. К числу экспериментально изучаемых в практикуме явлений относятся неомическая электропроводность в сильных электрических полях, электропроводность на переменном токе, нестационарные явления, в том числе, вызванные неоднородным оптическим возбуждением.

Важно отметить, что совокупность получаемых в практикуме экспериментальных результатов, относящихся к электронным свойствам анодных оксидов в различных и широко изменяющихся внешних условиях, описывается с единых позиций теории прыжкового переноса в неупорядоченных системах с сильной локализацией носителей заряда. С использованием этой модели из независимых экспериментов получаются сходящиеся оценки концентрации локализованных состояний; выявляются возможности экспериментального определения сильной электрон-фононной связи и малой подвижности носителей заряда; формулируются и экспериментально проверяются практические рекомендации по улучшению свойств оксидных конденсаторных структур и расширению области их применения.

Выполнение такого практикума с необходимостью требует от студентов информационно-аналитической работы; выбора и разработки экспериментальных методик; разностороннего экспериментального изучения объекта; построения модели наблюдаемых явлений; детального сопоставления эксперимента и теории; практического использования результатов исследования.

В четвертой главе «Проектно-исследовательская деятельность студентов как средство достижения целостности их исследовательской подготовки» обосновывается целесообразность такой деятельности и раскрывается потенциал проблематики физических основ твердотельной электроники в ее реализации.

Проектно-исследовательская деятельность студентов, под которой понимается деятельность, направленная на решение значимой для практики проблемы и осуществляемая как исследовательская с применением комплекса необходимых методов, способствует достижению целостности освоения исследовательского подхода во всех аспектах: содержательном, процессуальном и организационном, что определяется целым рядом присущих ей особенностей, в том числе:

– полноты: от постановки задачи до практической реализации предлагаемого решения;

– востребованности всех форм научной деятельности;

– системности и систематичности в использовании научных методов;

– востребованности коммуникативных умений при работе в исследовательских группах.

К основным требованиям к выбору тематики проектно-исследова-
тельской деятельности отнесены: соответствие содержанию реальных физико-технических проблем в области твердотельной электроники; представительность в информационном и методологическом аспектах.

В данном исследовании аргументируется целесообразность выбора в качестве предметного материала физики поверхности твердого тела, занимающей одно из центральных мест в решении проблем твердотельной электроники. Развиваются методические подходы к выявлению и использованию для изучения структуры поверхности аналитических возможностей современных методов экспериментальной и вычислительной физики, принципы которых основываются на эффектах, известных студентам из общего курса физики, что активизирует имеющиеся знания. Отметим, что осваивая аналитические возможности методов физики поверхности, студенты приобретают предметный опыт целостного решения фундаментальных проблем атомного и электронного строения конденсированных веществ.

В качестве современных физических методов, используемых в проектно-исследовательской деятельности, в настоящем исследовании выступают развитые на факультете и в НИИ физики РГПУ им. А.И. Герцена методы вторично-электронной спектроскопии (ВЭС) и сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). Выбор этих методов определяется их информативностью в решении актуальных физико-технических проблем анализа структуры и морфологии приповерхностных слоев материалов твердотельной электроники, в том числе наноструктурированных материалов. Интерпретация получаемых указанными методами результатов, как правило, сопряжена с математическим моделированием, реализуемым при необходимости посредством вычислительного эксперимента, что придает методологии исследовательской деятельности целостный характер. В плане проектной деятельности использование этих методов открывает подходы к получению покрытий с заданными свойствами, например, эмиссионные, антиэмиссионные, износостойкие и др.

В части освоения студентами аналитических возможностей методов ВЭС рассмотрим изучение явления упругого отражения электронов (УОЭ) от поверхности материалов твердотельной электроники. Задачей проектно-исследовательской деятельности здесь является разработка методики определения распределения концентраций химических элементов по глубине образца неразрушающим образом. Для установления возможности такого анализа студенты осуществляют математическое моделирование явления УОЭ в области энергий E > 100 эВ, где превалирующую роль играют индивидуальные акты упругого взаимодействия электронов с отдельными атомами твердого тела. На начальном этапе студенты используют простейшую модель УОЭ – модель однократного рассеяния, анализ которой указывает на возможность решения поставленной задачи посредством определения дифференциального коэффициента УОЭ при двух значениях угла рассеяния при нормальном падении падающих электронов в зависимости от их энергии. Эти параметры определяются студентами в натурном эксперименте.

Сравнение результатов расчета интегрального (по углам вылета) коэффициента УОЭ r при нормальном падении электронов на образец с экспериментальными данными (рис. 1) показывает, что модель однократного рассеяния не может количественно описать экспериментальные результаты, в связи с чем возникает необходимость ее модификации. Последняя осуществляется посредством косвенного учета кратного рассеяния за счет последовательного увеличения длины свободного пробега электронов до упругого соударения и позволяет достигнуть достаточно хорошего согласия теоретических результатов с экспериментальными.

Рис. 1. Зависимости r(E) для Au (φ = 0º), рассчитанные по модели однократного рассеяния (1) и в модифицированной модели при последовательном увеличении длины свободного пробега (2, 3). Пунктир – экспериментальные результаты

Таким образом, студенты приходят к разработке методики выполнения проектного задания. Варьируя энергию падающих на образец электронов и тем самым изменяя глубину анализа, с использованием предлагаемой модели они определяют профиль распределения химических элементов по глубине. Информативность этой методики подтверждается экспериментально на двухкомпонентных халькогенидных стеклообразных полупроводниках.

Отметим, что непосредственно учесть возможность кратного рассеяния и тем самым улучшить согласие расчетов с экспериментом и, соответственно, точность анализа элементного состава можно посредством статистического моделирования электронных траекторий, например, методом Монте-Карло.

В методическом плане обсуждаемая проектно-исследовательская деятельность значима в силу целостного освоения студентами предметного опыта: 1) построения относительно простой модели изучаемого явления, допускающей математическое описание; 2) модификации модели с целью учета различных реальных факторов; 3) организации вычислительного эксперимента; 4) детального сопоставления эксперимента и теории; 5) практическо-го использования полученных результатов.

Другой апробированной в работе тематикой целостной проектно-исследовательской деятельности студентов, связанной с освоением аналитических возможностей методов ВЭС, является определение эмиссионных свойств (работы выхода электронов, энергетического спектра электронных состояний, концентрации электронов в приповерхностном слое) катодных покрытий на тугоплавких металлах. В процессе решения этих задач студенты выявляют и анализируют такие особенности энергетических спектров вторичных электронов, как пики оже-электронов, пики характеристических потерь энергии (ХПЭ) и др. (рис. 2), что позволяет существенно расширить физические представления о процессах взаимодействия электронов с твердым телом и выявить информативность их характеристик для диагностики поверхности твердого тела.

Рис. 2. Энергетические спектры вторичных электронов для слоя Ba.
Энергии первичных электронов E_p в эВ указаны около кривых

Проектно-исследовательская деятельность студентов, в которой с необходимостью осваиваются современные физические методы, может быть направлена не только на диагностику существующих, но и на разработку новых материалов и технологических методов. Рассмотрим это на следующих примерах, первый из которых предполагает решение физико-технической задачи получения износостойких покрытий. Анализ имеющейся информации о решении такого рода задач приводит к выводу о необходимости получения наноструктурированных покрытий, что требует знания морфологии их поверхности в зависимости от условий синтеза. Отсюда становится ясной целесообразность использования методов СЗМ.

В качестве основы наноструктурированного покрытия может быть использована, как выясняется при анализе литературы, слоистая система из нитридов титана и алюминия. В своем исследовании студенты варьируют толщину слоев (при фиксированной полной толщине покрытия), контролируя для каждого слоистого покрытия его морфологию и прочность. Выясняется, что наибольшей механической прочностью обладают многослойные покрытия нитридов Ti и Al с толщиной слоев 2,5 нм (рис. 3). Это объясняется тем, что данная толщина слоя нитрида алюминия является максимальной для образования его кубической модификации, соответствующей структуре нитрида титана.

Вторым примером, связанным с освоением методов СЗМ, является исследование и применение методов зондовой нанотехнологии модификации поверхности. Тематика проектно-исследовательской деятельности здесь может быть связана с использованием методов и средств нанолитографии для формирования на поверхности образца рисунка с масштабированием в наноразмерном диапазоне. На начальном этапе студенты могут исследовать процесс динамической силовой нанолитографии, например, на учебной аппаратуре NanoEducator для достаточно простых шаблонов, а затем переходить к использованию аппаратуры исследовательского класса, позволяющей проводить различные виды зондовой литографии, в том числе анодно-окисли-
тельную литографию, и получать рисунки с тонким рельефом.

Рис. 3. Влияние толщины слоев δ на временной показатель
механической прочности покрытия

Таким образом, при определенном выборе проблематики и методических подходов к организации проектно-исследовательской деятельности, она может быть эффективным средством реализации целостного исследовательского обучения физике.

Пятая глава «Экспериментальная проверка эффективности реализации научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения физике в подготовке педагогических кадров» посвящена результатам педагогического эксперимента. Он проводился в РГПУ им. А.И. Герцена, Санкт-Петербургском государственном университете, Вологодском, Псковском, Мурманском и Карельском государственных педагогических университетах, Петрозаводском и Смоленском государственных университетах. Генеральная выборка студентов составляла 470 человек.

На констатирующем и поисковом этапах педагогического эксперимента доказана целесообразность достижения целостности исследовательского обучения на предметной основе физики материалов и приборных структур твердотельной электроники, выявлен имеющийся здесь резерв и тем самым обоснована необходимость разработки соответствующего научно-методического обеспечения. На формирующем и контрольном этапах педагогического эксперимента эффективность предлагаемых методических подходов к освоению физических основ твердотельной электроники определялась по полноте сформированности и действенности следующих исследовательских умений:

– методического обеспечения физического эксперимента;

– физического моделирования изучаемого явления;

– использования полученных знаний и умений в профессиональной педагогической деятельности.

Выбор указанных умений обусловлен их представительностью в плане целостности предметного содержания и методологии исследовательской деятельности, отвечающих целевым установкам работы. Для оценки полноты сформированности и действенности этих умений использовалась методика поэлементного анализа выполнения исследовательских заданий студентами контрольных и экспериментальных групп. Отметим, что в качестве одного из элементов для каждого из отмеченных умений выступают умения поиска, отбора и анализа имеющейся информации как принципиально важные для педагога.

Наряду с поэлементным анализом в педагогическом эксперименте определялось относительное количество студентов экспериментальных и контрольных групп, справившихся с предлагаемыми им заданиями в целом.

В таблице 1 представлены результаты поэлементного анализа в части определения уровня сформированности умений методического обеспечения эксперимента, полученные при выполнении студентами задания по разработке методики определения малой подвижности носителей заряда в высокоомных некристаллических материалах твердотельной электроники.

Таблица 1

Результаты поэлементного анализа выполнения задания,
направленного на определение уровня сформированности умений
методического обеспечения эксперимента

Элемент анализа исследования	Кол-во студентов, проявивших указанные исследовательские умения (%)
Элемент анализа исследования	Экспериментальные группы	Контрольные группы
1. Поиск, отбор и анализ имеющейся информации по методам решения родственных задач	85	63
2. Нахождение принципа, который может быть положен в основу эксперимента	80	45
3. Определение возможностей практической реализации эксперимента	69	50
4. Планирование и осуществление эксперимента избранным методом	68	39
5. Анализ результатов эксперимента на предмет эффективности метода	62	31
6. Определение информативности экспериментальной методики	74	43
7. Определение практической значимости используемых методов	77	54

В целом с предложенным заданием справились (выполнили все необходимые элементы) 46% студентов экспериментальных групп и 22% студентов контрольных групп.

В таблице 2 представлены сравнительные результаты определения уровня сформированности у студентов исследовательских умений физического моделирования изучаемого явления, полученные при выполнении задания по определению механизма электропроводности оксидов ванадия, используемых в качестве рабочих материалов терморезисторов.

Таблица 2

Результаты поэлементного анализа выполнения задания,
направленного на определение уровня сформированности умений
физического моделирования изучаемого явления

Элемент анализа исследования	Кол-во студентов, проявивших указанные исследовательские умения (%)
Элемент анализа исследования	Экспериментальные группы	Контрольные группы
1. Обоснование необходимости разработки модельных представлений на основе анализа литературных данных	76	62
2. Разработка физической модели явления	73	43
3. Разработка математической модели явления	72	41
4. Использование модели в анализе результатов экспериментального изучения явления	83	65
5. Обоснование модели на основе независимых экспериментальных результатов	65	43
6. Выявление и экспериментальная проверка следствий, вытекающих из модельных представлений	54	29
7. Выявление прикладных аспектов использования полученных результатов	75	55

Со всей совокупностью указанных элементов исследования справились 49% студентов экспериментальных групп и 24% студентов контрольных групп.

Наконец, приведем данные по определению уровня умений использования студентами полученных знаний в профессиональной педагогической деятельности. Здесь различались низкий, средний и высокий уровни. Низкий уровень отвечал исполнительской, алгоритмизированной деятельности студента по решению поставленной перед ним задачи. Средний уровень соответствовал способности студента к обоснованной модификации предлагаемых ему подхода и метода, адекватной поставленной задаче. Высокий уровень – способности самостоятельно разработать и реализовать метод решения задачи.

В таблице 3 приведены данные сравнительного анализа уровня этих умений, полученные при выполнении студентами заданий по разработке учебного эксперимента, направленного на установление закономерностей явления электролиза.

Таблица 3

Сопоставление уровня умений использования полученных знаний
в профессиональной педагогической деятельности

Уровень умений использования полученных знаний	Относительное количество студентов %
Уровень умений использования полученных знаний	Экспериментальные группы	Контрольные группы
Низкий	15	30
Средний	45	50
Высокий	40	20

Как показывают представленные результаты, студенты экспериментальных групп обнаруживают более высокий уровень владения проверяемыми умениями. Достоверность того, что это обусловлено использованием разработанного научно-методического обеспечения, а не какими-либо побочными факторами, подтверждалась посредством метода проверки статистических гипотез, реализуемого сравнением полученного значения статистики медианного критерия с критическим значением.

Расчетное значение статистики медианного критерия, полученное при усреднении баллов, набранных студентами экспериментальных и контрольных групп (низкому, среднему и высокому уровням сформированности умений отвечали баллы 1, 2, 3 соответственно), составляло 3,6, в то время как критическое значение – 3,84. Это дает основание принять сформулированную ранее нулевую гипотезу и утверждать, что повышение уровня сформированности умений целостной исследовательской деятельности у студентов экспериментальных групп, по сравнению со студентами контрольных групп, является следствием использования развитого в диссертационном исследовании научно-методического обеспечения.

Таким образом, результаты эксперимента подтверждают гипотезу исследования и свидетельствуют о том, что разработанное в диссертационном исследовании научно-методическое обеспечение целостного исследовательского обучения физике в подготовке педагогических кадров педагогически целесообразно.

Blog

«Российский государственный педагогический университет имени А. И. Герцена»

Содержание

Логика и основные этапы исследования