Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Психолого-педагогические и научно-методические основы формирования у студентов умений решения физико-технических проблем в процессе обучения физике 16
1.1. Формирование умений решения проблем технической физики в контексте реализации общедидактических принципов и современных подходов в физическом образовании 16
1.2. Методический потенциал содержания технической физики 25
1.3. Проблема подготовки к практико-ориентированной деятельности в теории и методике обучения физике 34
1.4. Противоречия физического образования в контексте формирования у студентов умений решения физико-технических проблем. Концептуальные основы 50
Глава 2. Методика формирования у студентов умений решения физико-технических проблем 63
2.1. Полупроводниковая оптическая и квантовая электроника как предметная основа подготовки студентов к решению физико-технических проблем 63
2.2. Лекционные исследования и поддерживающие их практические занятия 74
2.3. Проблемные семинары как форма теоретической подготовки студентов к решению физико-технических задач . 89
2.4. Физический практикум как средство ормирования у студентов умений решения физико-технических проблем 104
2.5. Проектно-исследовательская деятельность как составляющая системы подготовки студентов к решению физико-технических проблем 119
Глава 3. Экспериментальная проверка эффективности методики обучения, направленной на формирование у студентов умений решения физико-технических проблем 137
3.1. Организация и проведение педагогического эксперимента 137
3.2. Состояние проблемы в практике физического образования в педагогических вузах 143
3.3. Результаты формирующего и контрольного этапов педагогического эксперимента 153
Заключение 166
Библиография 168
- Проблема подготовки к практико-ориентированной деятельности в теории и методике обучения физике
- Проблемные семинары как форма теоретической подготовки студентов к решению физико-технических задач
- Проектно-исследовательская деятельность как составляющая системы подготовки студентов к решению физико-технических проблем
- Результаты формирующего и контрольного этапов педагогического эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие физики демонстрирует богатейшие возможности использования фундаментальных знаний в решении технических проблем и эффективность последних как стимула для проведения фундаментальных исследований. Проблемы достижения значимых технических результатов, решение которых требует получения и применения фундаментальных знаний, будем называть физико-техническими.
Одной из приоритетных целей физического образования следует признать формирование у студентов умений решения физико-технических проблем. Достижение этой цели приобретает особое значение в настоящее время в связи с необходимостью приобщения студентов к современным наукоемким технологиям. Сказанное относится не только к техническим, но и к классическим и педагогическим университетам.
Проведенный на констатирующем этапе педагогического эксперимента анализ учебных программ, учебников, учебных пособий, организации процесса обучения физике в рассматриваемом аспекте выявил ряд противоречий, к основным из которых относятся следующие:
Противоречие между необходимостью и отсутствием теоретической основы формирования умений решения физико-технических проблем и, прежде всего, дидактически и методологически обоснованного определения самих умений, критериев отбора предметного материала, характера и требований к организации учебного процесса.
Противоречие между необходимостью обеспечения в учебном процессе присущего физике как науке единства фундаментальной и прикладной составляющих содержания и доминирующей в обучении физике академичностью, отсутствием должной взаимосвязи приобретаемых знаний с актуальными для науки и практики их практическим применением.
Противоречие между необходимостью освоения студентами передовых научно-технических достижений, основанных на фундаментальных физических знаниях, и неоправданно сильным отставанием учебного материала от современного состояния технической физики.
Противоречие между необходимостью методологической направленности изучения проблем технической физики, проектирования и реализации учебного предмета как предмета проблемно-детерминированной деятельности обучающихся и преобладающей информационной направленностью содержания учебного материала в его прикладном аспекте.
Противоречие между необходимостью приобретения студентами опыта логически завершенного решения физико-технических проблем и фрагментарностью деятельности студентов в этом проблемном поле.
Указанные противоречия в своей совокупности свидетельствуют об отсутствии условий, необходимых для достижения требуемого уровня сформированное у студентов умений решения физико-технических проблем, и позволяют сформулировать проблему совершенствования методики обучения физике в этом плане.
Создание условий для эффективного формирования у студентов умений и опыта решения физико-технических проблем имеет существенное значение для решения целого ряда важных задач физического образования во всех его основных аспектах. В мотивационном аспекте деятельное освоение студентами базовых для создания современных технических устройств и технологий физических основ и методов значительно актуализирует предметный материал, способствует формированию ценностного отношения к физическим знаниям и методологии научного поиска в целом.
В содержательном аспекте особое значение имеют открывающиеся возможности расширения круга изучаемых фундаментальных физических эффектов - включения в него тех из них, которые открыты в технических материалах и приборных структурах, интеграции физических знаний, преодоления формализма в них, формирования умений продуктивного использования широкого спектра физических методов в практико-ориентированной деятельности.
В деятельностном аспекте особенно важно приобретение студентами умений и опыта логически завершенной конструктивной деятельности, дающей значимые для науки и практики результаты, что отвечает решению одной из ключевых, в контексте реализации компетентностного подхода в образовании, задач и дополнительно актуализирует тему диссертационного исследования.
Объект исследования - процесс обучения физике студентов вузов.
Предмет исследования - обучение физике, направленное на формирование у студентов умений решения физико-технических проблем.
Цель исследования - обоснование, разработка и реализация методики формирования у студентов умений решения физико-технических проблем в процессе обучения физике.
Гипотеза исследования. Формирование у студентов умений решения физико-технических проблем в процессе обучения физике будет эффективным, если:
методика обучения будет основываться на дидактически и методологически обоснованных положениях, определяющих сами умения, критерии отбора предметного материала и требования к организации процесса его освоения;
содержание предметного материала будет обновлено проблематикой передовых научно-технических достижений;
проблематике современной технической физики будет придан статус необходимого компонента содержания обучения при проектировании и реализации всех видов занятий;
изучение физико-технических проблем студентами будет строиться в соответствии с принятой в науке логико-операциональной структурой практико-ориентированной исследовательской деятельности;
- будут созданы условия для логически завершенной практико-
ориентированной деятельности студентов.
Исходя из цели и гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи:
Проанализировать состояние теории и практики физического образования в вузах в плане подготовки студентов к решению физико-технических проблем.
Определить умения решения физико-технических проблем, которые необходимо формировать в процессе обучения физике.
Определить критерии отбора предметного материала, характер и требования к организации обучения, направленного на формирование у студентов умений решения физико-технических проблем.
Разработать методику обучения, обеспечивающую:
единство фундаментальной и прикладной составляющих содержания;
соответствие содержания обучения в его прикладном аспекте передовым научно-техническим достижениям;
методологическую направленность содержания обучения;
приобретение студентами опыта логически завершенной практико-ориентированной деятельности.
Создать методические разработки, обеспечивающие реализацию предлагаемой методики обучения.
Определить в педагогическом эксперименте эффективность разработанной методики формирования у студентов умений решения физико-технических проблем.
Теоретико-методологические основы исследования составляют:
Труды классиков физической науки по ее методологическим аспектам (М. Борн, Н. Бор, В. Гейзенберг, П.Л. Капица, Л.Д. Ландау, Р. Фейнман, А. Эйнштейн и др.);
Философские, психологические, педагогические концепции и научно-методические работы по проблемам познавательной деятельности (Г.А. Бордов-ский, С.Н. Богомолов, В.В. Давыдов, СЕ. Каменецкий, Ю.Н. Кулюткин, И.Я. Ланина, А.Н. Леонтьев, А.Е. Марон, Я.А. Пономарев, Н.С. Пурышева, В.Г. Разумовский, С.Л. Рубинштейн, И.И. Соколова, А.П. Тряпицына, Г.И. Щукина и др.);
Теория педагогических инноваций (К. Ангеловски, В.И. Звягинский, М.В. Кларин, С.Д. Поляков, Т.И. Шамова и др.)
Принципы дидактики высшей школы (И.В. Гребенев, В.А. Извозчиков, А.А. Кирсанов, В.Н. Максимова, В.А. Сухомлинский, Н.М. Шахмаев и др.);
Концепция модернизации отечественного образования и компетентност-ный подход к оценке образовательных результатов (В.А. Болотов, Г.А. Бордов-ский, В.И. Данильчук, В.А. Кальней, В.В. Краевский, В.В. Лаптев, В.В. Сериков, А.П. Тряпицына и др.);
Достижения и тенденции развития теории и методики обучения физике (СВ. Бубликов, В.А. Извозчиков, А.С Кондратьев, И.Я. Ланина, В.В. Лаптев, Н.С. Пурышева, Т.А. Шамало и др.);
Теория контекстного обучения (А.А. Вербицкий, А.И. Леонтьев, Е.Н. Суркова, O.K. Тихомиров и др.);
Технологии проектной деятельности (Дж. Дьюи, Г.И. Ильин, Е. Коллингс, Н.Ю. Пахомова, Е.С. Полат, И.Д. Чечель и др.);
Концепция исследовательского обучения физике и исследовательские образовательные технологии (Г.А. Бордовский, А.С. Кондратьев, В.В. Ларионов, В.В. Лаптев, В.Г. Разумовский, С.Д. Ханин и др.);
Результаты экспериментальных и теоретических исследований в области полупроводниковой оптической и квантовой электроники (Ж.И. Алферов, Ю.Р. Носов, А.Н. Пихтин, Г. Кремер, А.И. Сидоров, С.Д. Ханин, Е.Б. Шадрин и др.);
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:
теоретический анализ проблемы на основе изучения физической, психолого-педагогической и методической литературы;
анализ содержания, организации и результатов обучения физике в вузах;
педагогический эксперимент со статистической обработкой результатов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Необходимость решения стоящих перед физическим образованием задач делает целесообразным, а разработанные в диссертации положения и основанные на них методика и методические разработки - обеспеченным формирование у студентов умений решения физико-технических проблем в процессе обучения физике.
Содержание физического образования в его прикладном аспекте нуждается в дидактически и методологически оправданном обновлении, чему отвечает включение в предметный материал обучения физике проблематики полупроводниковой оптической и квантовой электроники.
Освоение студентами необходимых для решения физико-технических проблем теоретических знаний должно строиться в форме исследования, осуществляемого в соответствии с логико-операциональной структурой деятельности, приведшей к значимым для науки и практики результатам, и предполагать максимально возможную познавательную самостоятельность обучающихся. В качестве эффективной формы теоретической подготовки следует использовать проблемные семинары, направленные на выявление обучающимися посредством анализа модельных представлений принципиальных возможностей технического использования физических эффектов.
Определению и обоснованию возможностей технического использования изучаемых физических явлений следует придать статус обязательного компонента заданий лабораторного практикума, а их выполнению - комплексный характер в плане представленности различных решений физико-технической проблемы, сочетания аналитического и экспериментального подходов к ним.
Построение проектно-исследовательской деятельности следует осуществлять в форме последовательного выполнения постановочного, инфор-
мационно-аналитического, поисково-исследовательского и опытно-конструкторского этапов, на каждом из которых студенты и преподаватель решают определенные задачи, что обеспечивает востребованность всего комплекса умений и формирование опыта логически завершенного решения физико-технических проблем.
Научная новизна работы заключается в следующем.
В отличие от традиционного подхода к обучению физике в ее прикладном аспекте, когда его содержание имеет, главным образом, информационную направленность и далеко от современного состояния технической физики, в настоящей работе предлагается придать ему направленность на формирование у студентов умений решения физико-технических проблем, для чего осуществлять его как практико-ориентированное исследовательское обучение с опорой на современный материал высокой научной и практической значимости.
Развит методический подход к изучению физико-технических проблем, который отличает системность в плане охвата физических основ создания, материалов, технологии и применения устройств, и систематичность в плане развертывания предметного материала в учебном процессе.
Разработана и обоснована методика формирования у студентов умений решения физико-технических проблем посредством практико-ориентирован-ного исследовательского обучения. В части лекционного исследования предлагается предварять лекцию самостоятельной работой студентов по выяснению ключевых для определения подхода к решению проблемы моментов и конкретизировать студентами содержание лекции на послелекционном этапе.
В теоретическую подготовку предлагается включить проблемные семинары, на которых студенты анализируют возможности технического применения физических эффектов (модельных представлений о них).
В части лабораторного практикума разработанная методика отличается приданием определению возможностей технического использования изучаемого явления статуса обязательного компонента задания; самостоятельностью студентов в выборе объекта и предмета экспериментального исследования; представленностью различных решений проблемы в разных учебно-исследовательских заданиях; сочетанием экспериментального решения задач с аналитическим.
Проектно-исследовательскую деятельность студентов, призванную наиболее полно формировать у них умения и опыт решения физико-технических проблем, предложено структурировать в форме последовательного выполнения ряда этапов - постановочного, информационно-аналитического, поисково-исследовательского и опытно-конструкторского, и для каждого из них определены решаемые студентами и преподавателем задачи.
Теоретическая значимость работы состоит в:
обосновании необходимости формирования у студентов умений решения физико-технических проблем в процессе обучения физике;
разработке положений, составляющих теоретическую основу методики формирования у студентов умений решения физико-технических проблем в
процессе обучения физике, включая определение этих умений, критериев отбора предметного содержания и требований к организации обучения;
- структурировании деятельности студентов сообразно логике и методологии решения физико-технических проблем.
Практическое значение работы состоит в том, что результаты диссертации доведены до уровня конкретных разработок, обеспечивающих реализацию предлагаемой методики формирования у студентов умений решения физико-технических проблем, в том числе лекционных исследований с опорой на значимый для науки и практики предметный материал, включая Нобелевские лекции по физике; проблемных семинаров; учебно-исследовательских заданий лабораторного практикума; заданий проектно-исследовательской деятельности, которые могут быть использованы и используются в практике обучения физике в вузах.
Разработанные в диссертационном исследовании методика и обеспечивающие ее реализацию методические разработки использованы при составлении и реализации учебных программ, отвечающих требованиям ФГОСов Высшего профессионального образования третьего поколения в ряде классических и педагогических университетов.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов исследования обеспечиваются: разносторонним анализом проблемы исследования; опорой на современные достижения психолого-педагогических, методических исследований, фундаментальной и прикладной физики; использованием методов исследования, адекватных поставленным задачам; рациональным выбором критериев оценки эффективности разработанной методики; широтой экспериментальной базы и контролируемостью результатов педагогического эксперимента; применением методов математической статистики для обработки и анализа результатов педагогического эксперимента; положительными результатами педагогического эксперимента.
Апробация результатов исследования
Основные положения и результаты работы докладывались на Х-ой Международной конференции «Физика в системе современного образования» (ФССО-09, Санкт-Петербург, 2009); VIII-ой Международной научно-методической конференции "Физическое образование: проблемы и перспективы развития" (Москва, 2009); Международной конференции «Герценовские чтения», 1Х-ой Международной научно-методической конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» (Москва, 2010).
Результаты диссертационного исследования докладывались на семинарах кафедр методики обучения физике и физической электроники РГПУ им. А.И. Герцена.
Структура и объем диссертации
Общий объем работы составляет 185 страниц. Она включает в себя введение, три главы, заключение, библиографию из 198 наименований и содержит 35 рисунков и 14 таблиц.
Проблема подготовки к практико-ориентированной деятельности в теории и методике обучения физике
Отечественное образование имеет богатые традиции подготовки высококвалифицированных кадров в области технической физики, восходящие к А.Ф. Иоффе. Достаточно сказать о достижениях в этой сфере Санкт-Петербургского Политехнического университета, Московского физико-технического института (технического университета), Московского инженерно-физического института (технического университета), Высшего технического училища им. Н.М. Баумана (технического университета), Академического университета нанотехнологий. Подготовка студентов к решению физико-технических проблем в этих ведущих вузах традиционно осуществляется, начиная с третьего курса в рамках их специализации в научных лабораториях. По существу при этом осуществляется обучение через науку, имеющее индивидуальный характер. Что же касается общего курса физики, то как показывает анализ действующих программ, учебников и учебных пособий, их содержание в прикладном аспекте далеко от современного состояния технической физики. Это признается и самими преподавателями данных вузов, в частности, профессором Московского физико-технического института А.Д. Гладуном в его статье «О профанации преподавания физики», опубликованной в журнале «Физическое образование в вузах» (Т. 10, N 4, 2004, с.5-8). Аналогичная точка зрения у автора [1] Имеющиеся в литературе материалы, относящиеся к преподаванию физики в ведущих физико-технических вузах к сожалению, не дают возможности построения на их основе методики формирования у студентов умений решения соответствующих проблем в условиях массового обучения физике.
Анализ состояния теории и методики обучения физике в рассматриваемом аспекте начнем с работ по общим вопросам теории и методики обучения. Здесь он рассматривается, главным образом, в плане разработки методики освоения физики в социокультурном контексте и реализации деятельностного подхода к обучению.
В работе [182] в ряду гуманистических ценностей, формирование которых играет важнейшую роль в самоактуализации и развития личности обучающихся, выделяется полезность — практическая ценность знаний. При этом автор акцентирует внимание на современной физике, достижения которой в максимальной степени служат материальным и духовным запросам человека. Процесс формирования отмеченной ценности уподоблен в [182] эффекту резонанса, где в качестве внешнего воздействия выступают усилия педагога, а резонатора — личность обучающегося. Резонансными являются общие для преподавателя и обучающегося ценности. Отметим, что обучающийся здесь выступает как объект образовательного процесса и его деятельность никак не влияет на личность преподавателя. Это существенно ограничивает действенность данного подхода. Гораздо более эффективным представляется обучение, когда обучающийся — полноправный субъект образовательного процесса и имеет место взаимосвязь его деятельности с деятельностью преподавателя, что способствует личностному развитию обоих.
Проблема формирования практических умений как важнейшей составляющей развития личности поднимаются в работах [117, 118]. Содержание учебного предмета, как отмечает автор, традиционно строится на основе логики научного знания, а не исходя из потребностей дальнейшей деятельности. Прикладные же знания, если и формируются, то, как правило, в процессе овладения опытом практической работы и не связываются должным образом с теоретическими знаниями. В результате приобретаемые обучающимися практические умения- не обладают достаточной широтой применения в различных областях и условиях деятельности. Сказанное в полной мере может быть отнесено и к знаниям в области создания и применения современных технических устройств. Отсюда становится ясной необходимость методического обеспечения единства фундаментальной и прикладной составляющих содержания физического образования, создания таких условий и использования таких форм поисково-познавательной-деятельности обучающихся, при которых они неизбежно должны! активно. применять имеющиеся теоретические знания для решения значимых для науки и социума задач. Применительно к обучению студентов нефизических специальностей возникает еще один аспект проблемы — установление преемственных связей с физикой профильных дисциплин.[4, 77].
Существенное значение в развитии методики обучения физике в рассматриваемом аспекте имеют работы В.Г. Разумовского [131, 132], посвященные развитию творческих способностей в процессе обучения физике. Автор отмечает, что связь теории и. практики заложена: в самом цикле научного познания в физике: «от обобщения- опытных фактов к построению абстрактной модели явления и установлению законов, и, наконец, — к практической деятельности, использованию полученных следствий и их экспериментальной проверки» [132, с. 106]. В этой; связи преподавание физики предлагается строить по схеме: опытный факт - теория — практика, демонстрируя обучающимся значение практики как стимула для развития научного познания и критерия истинности знаний. В работе [131] В;Г. Разумовский отмечает необходимость построить курс физики «в большей степени, чем сейчас, на деятельностной основе, т.е. с большим числом самостоятельных лабораторных работ, самостоятельных проектов, с интенсивной отработкой научных методов физики» для решения нетривиальных задач, относящихся к технике, что может по мнению автора позволить преодолеть проявляющийся на Международных олимпиадах недостаток российских участников — отсутствие владения методами самостоятельного поиска, изобретательности в нестандартных ситуациях.
В качестве примера реализации идей В.Г. Разумовского о реализации связи методологических и прикладных знаний на конкретном предметном материале укажем на работу [10], автор которой предлагает придать практическим применениям статус обязательного (системообразующего) компонента курса электродинамики в средней школе и их освоение осуществлять на основе уравнений Максвелла и модели свободных электронов в ее классическом варианте. Заметим в этой связи, что целесообразность и реалистичность генерализации учебного материала на основе указанных моделей вызывают сомнения - уравнений Максвелла в силу сложности для школьников математического аппарата; классической электронной теории в силу ее несоответствия современным физическим представлениям.
Проблемные семинары как форма теоретической подготовки студентов к решению физико-технических задач
Как было показано в предыдущем параграфе, теоретические основы полупроводниковой оптической и квантовой электроники могут осваиваться в учебном процессе в форме лекционного исследования конкретных проблем, что позволяет обучающимся осваивать накопленный опыт решения физико-технических задач на предметном материале высокой научной и практической значимости. При всей важности проблемно-детерминированных лекций теоретическая подготовка студентов к решению физико-технических задач не может ограничиться ими. Необходимой ее составляющей, по нашему мнению, должны быть проблемные семинары, подготовка к которым и проведение которых требует от студентов значительно более высокого уровня активности и самостоятельности деятельности.
В отличие от лекционных занятий, когда студенты непрерывно ведомы преподавателем и возможности самостоятельного добывания ими. знаний ограничены форматом занятий, организация проблемных семинаров с необходимостью предполагает информационно-аналитическую деятельность обучающихся на уровне, отвечающем потребностям реального процесса поиска решения физико-технических проблем, открывает широкие возможности собственной генерации идей, нахождения новых вариантов решения, их аргументированного обоснования и отстаивания.
В общем плане участие в проблемных семинарах при соответствующем их методическом обеспечении способствует формированию у обучающихся информационной, методологической и коммуникационной компетентностей, развитию творческого мышления и личностных волевых качеств.
В настоящей работе предлагается положить в основу организации таких семинаров выполнение студентами циклов качественных заданий, направленных на решение определенных физико-технических проблем. Выполнение таких заданий состоит, главным образом, в прогнозировании функциональных свойств материалов и приборных структур на основе анализа моделей протекающих в них физических явлений и предполагает представление результатов в форме, позволяющей соотнести их с запросами практики. Последнее дает возможность рассматривать организуемые таким образом семинары как промежуточное звено для перехода к полномасштабной проектно-исследовательской деятельности по решению физико-технических проблем (п. 2.5). Выбор качественного характера заданий обусловлен открывающимися при этом возможностями предметно раскрыть роль физического моделирования, в определении-эффектов, которые могут быть положены в основу принципа действия технических устройств.
Развиваемый методический подход предполагает в качестве конечного результата установление обучающимися принципиальных возможностей создания определенных устройств на основе использования физических свойств различных материалов и приборных структур. Привлечение в учебном процессе таких циклов позволяет студентам расширить свои представления о задачах создания современных технических устройств, знания его теоретических основ и, что особенно важно, самостоятельно овладевать накопленным опытом передовых достижений.
Отметим, что достигаемая при использовании предлагаемого методического подхода самостоятельность деятельности обучающихся позволяет значительно расширить предметное содержание курса без существенного увеличения его объема, добиться неформального, сущностного его освоения, а результативность деятельности способствует формированию личностной потребности в творческой самореализации.
Рассмотрим в качестве примера проблемно-детерминированного цикла заданий цикл качественных вопросов и заданий, относящийся к физическим основам создания устройств управления оптическим излучением — оптических переключателей, принцип действия которых основан на изменении поглощательной и соответственно пропускной способности (амплитудной модуляции излучения).
В методическом плане анализ этих вопросов оправдан рядом обстоятельств. Во-первых, актуальностью проблемы создания быстродействующих оптических переключателей, в частности-, оптических ограничителей, предназначенных для предохранения органов зрения и фотоприемных устройств от ослепления и разрушения интенсивным лазерным излучением, используемым в настоящее время практически во всех сферах человеческой жизни.
Во-вторых, достаточностью имеющихся у студентов фундаментальных знаний для освоения лежащих в основе принципа действия таких устройств физических эффектов. В-третьих, нелинейным характером востребованных здесь эффектов, так что их освоение отвечает задаче формирования у обучающихся присущего современной физики нелинейного стиля мышления. Наконец, представленностью эффектов в наноструктурированных системах, что расширяет представления обучающихся в области физики, являющейся движущей силой современных нанотехнологий. Качественные вопросы и задания рассматриваемого цикла формулируются следующим образом: как изменяются коэффициенты поглощения и пропускания .Л., в случае воздействия ..2.. (здесь 1 - среда; 2 — воздействующий фактор). Графически схематично изобразите прогнозируемые результаты. Сопоставьте их с имеющимися в литературе фактическими данными.
Содержание работы студентов по выполнению таких заданий состоит, главным образом, в освоении модельных представлений, относящихся к соответствующему эффекту, и их анализе на предмет перспективности его использования для амплитудной модуляции излучения.
Семинар строится из двух частей. В первой части анализируется сущность и целесообразность приборного использования физических эффектов с внешним неоптическим управляющим-сигналом; во второй части - светоиндуцированных нелинейно-оптических эффектов (см. п. 2.1).
Проектно-исследовательская деятельность как составляющая системы подготовки студентов к решению физико-технических проблем
Реализацию разработанного подхода к организации проектно-исследовательской деятельности студентов по созданию устройств полупроводниковой оптической электроники рассмотрим на примере проектов, направленных на создание реверсивных оптических ограничителей лазерного излучения ИК-диапазона, выполненных студентами на базе Лабораторий физики нелинейных оптических и электрических явлений в материалах и компонентах твердотельной электроники НИИ физики РГПУ им. А.И. Герцена и Лаборатории фазовых переходов в твердых телах ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. Соответствие данной проблематики определенным выше требованиям к ее отбору следует из содержания п. 2.3. Вариативность тематики и, соответственно, индивидуализация проектных заданий обеспечивается выбором различных по структуре, обладающих необходимыми свойствами объектов (см. далее).
На постановочном этапе студенты, в первую очередь, определяют основные требования, предъявляемые к материалам, на базе которых могут быть созданы оптические ограничители мощных световых потоков. Они приходят к выводу о том, что необходим бистабильный материал, обладающий сильной зависимостью оптических параметров от интенсивности входного излучения, возможно более низким порогом срабатывания, высокой лучевой прочностью, широким интервалом перехода, высокой скоростью срабатывания и возвратом в исходное состояние. Перспективным в этом плане представляется ранее рассмотренный в физическом аспекте в ходе проблемного семинара (п.2.3) диоксид ванадия, обладающий фазовым переходом «полупроводник-металл», сопровождаемым необходимым по своему характеру для оптического ограничения изменением свойств. Так, для Х,=10,6мкм комплексный показатель преломления диоксида ванадия при фазовом переходе изменяется от 2,55-і-0,08 до 8-І-9, для А=1,06мкм- от ЗД-і-0,5 до 1,7-1-1,8. [30, 187].
Будучи фазовым переходом первого рода, переход «полупроводник-металл» в диоксиде ванадия проявляется в наличии петли температурного гистерезиса оптических свойств (коэффициентов отражения и пропускания), которая для достижения высоких быстродействия и динамического диапазона оптического ограничителя должна быть как можно более узкой и протяженной по температуре.
Необходимость получения- отвечающей требованиям к оптическим ограничителям петли гистерезиса приводит к пониманию физической сущности проблемы — установления влияния структуры диоксида ванадия на его нелинейные оптические свойства при фазовом переходе «полупроводник-металл» и определения возможностей управления ими. Научно-обоснованный характер практических рекомендаций предполагает наличие определенных представлений о механизме фазового перехода.
Отметим, что выбор в качестве рабочего материала диоксида ванадия позволяет сформулировать целый ряд проектных заданий по созданию оптических ограничителей на основе разных структур: слоистых интерференционных структур с поликристаллическими и ренгеноаморфными слоями диоксида [71], матричных композиционных систем на основе искусственных опалов и пористых стекол с наноструктурированных диоксидом ванадия.
На информационно-аналитическом этапе студенты выясняют, что несмотря на большой объем проведенных экспериментальных и теоретических исследований фазового перехода «полупроводник-металл» в диоксиде ванадия, общепринятых представлений о его механизме до настоящего времени нет. В одних моделях, ведущих свое начало от модели Пайерлса, инициирующим переход процесса выступает искажение кристаллической решетки, которое приводит к перестройке энергетического спектра электронов. В других моделях, базирующихся на идеях Мотта, инициирующий процесс имеет электронную природу. Студенты обращают внимание на имеющиеся в настоящее время сильные аргументы в пользу электронного механизма: наличие фотоиндуцированного фазового-перехода, происходящего при воздействии импульсов лазерного излучения фемтосекундной длительности, возможности инициирования перехода посредством инжекции в диоксид ванадия избыточных электронов, и изменения температуры перехода при легировании иновалентными примесями замещения, проявления перехода в1 ренгеноаморфных пленках. Надежно установленным можно считать мартенситный характер перехода в слоях диоксида ванадия [67].
На роль структурных факторов первого порядка, влияющих на параметры петли температурного гистерезиса оптических свойств диоксида ванадия вблизи фазового перехода, по литературным, как правило, косвенным данным, претендуют размеры кристаллитов и степень отклонения состава вещества от стехеометрического.
Сосредоточимся далее на проектном задании по созданию оптического ограничителя на основе слоев диоксида ванадия. С целью поддержки студентов в плане обоснования возможности реализации оптического ограничителя в ИК-диапазоне на основе слоев диоксида ванадия преподаватель предлагает им решить следующую задачу оценочного характера: «Оцените изменение коэффициента отражения излучения С02 лазера (А=10,6мкм) зеркалом с пленкой диоксида ванадия толщиной 1мкм под воздействием управляющего сигнала излучения лазера на эрбиевом стекле (Аг=1,54 мкм). Заданы теплофизические параметры диоксиды ванадия в полупроводниковой фазе; оптические параметры диоксида ванадия и подложки на заданной длине волны, мощность, длительность воздействия и диаметр пучка управляющего излучения».
Поскольку решение данной задачи представляет, по нашему мнению, общий интерес, приведем его структуру. Решение задачи включает в себя оценочные расчеты последовательно: доли поглощенной мощности управляющего сигнала, температуры нагрева пленки диоксида ванадия при поглощении энергии управляющего сигнала, коэффициента отражения зеркала на длине волны 10,6мкм до прихода управляющего импульса! и в. момент его окончания. Оно предполагает использование известных студентам закономерностей: в оптической части расчетов — формул Френеля, а в теплофизической — решения уравнения теплопроводности с учетом начальных и граничных условий. В результате решения задачи студенты приходят к выводу о нагреве пленки диоксида1 ванадия импульсом-управляющего излучения до температуры фазового перехода «полупроводник-металл» и, как следствие, об» увеличении коэффициента отражения на длине волны управляемого излучения.
Результаты формирующего и контрольного этапов педагогического эксперимента
Проверка достоверности указанных нулевых гипотез осуществлялась, на основании анализа результатов, характеризующих уровни умений студентов определить возможности приборного использования изучаемых физических эффектов; направленного поиска физических эффектов для определенного приборного применения; готовности к самостоятельному решению физико-технических проблем. Количественные показатели, отвечающие низкому, среднему и высокому уровням для всех критериев, выражались в баллах 1,2,3 соответственно.
Проверка нулевой гипотезы осуществлялась путем сравнения критического и наблюдаемого значений статистики медианного критерия. Известно [1, 43], что значения статистики медианного критерия распределены по закону %2 с числом степеней свободы
Критическое значение x2o.os(z) определялось по таблице распределения X [43] для выбранного уровня значимости а = 0.05, общепринятого в педагогических исследованиях, и соответствующего условиям эксперимента числа степеней свободы. Для первой нулевой гипотезы критическое значение равно X2o.os(l) = 3.84, для второй - x2o.os(2) = 5.99. Для первой гипотезы наблюдаемое значение статистики медианного критерия оказалось больше критического. Согласно методике медианного критерия это означает, что первая нулевая гипотеза не справедлива. Для второй нулевой гипотезы значение Т оказалось меньше критического, что согласно методике медианного критерия дало основание принять эту гипотезу и утверждать, что повышение уровня умений решения проблем технической физики студентов экспериментальных групп обусловлено не какими-либо случайными факторами, а является следствием использования в образовательном процессе развитой в работе методики обучения физике. Таким образом, результаты педагогического эксперимента подтверждают выдвинутую в диссертационном исследовании гипотезу и свидетельствуют о том, что использование предлагаемой методики формирования у студентов умений решения физико-технических проблем педагогически целесообразно. Основные результаты и выводы работы состоят в следующем. 1. Обоснована целесообразность формирования; умений у сг \2ц;ентов решения физико-технических проблем в процессе обучения- фн зике и выявлены присущие физическому образованию в этом-аспекте против речия 2. Определены и обоснованы умения решения; физико-техитт зеских проблем, которые необходимо формировать. , 3. Определены критерии отбора содержания обучения; направленного на формирование у студентов умений,решения, физико-технических ггроблем и в их контексте обоснована целесообразность обновления содержания обучения физике проблематикой полупроводниковой оптической и квантовой электроники. 4. Определены и обоснованы требования к организации обучения физике, выполнение которых необходимо для формирования у студентов умений решения физико-технических проблем. 5. На основе сформулированных положений разработана Методика формирования у студентов умений решения физико-технических Проблем которая детализирована для теоретической подготовки, лабораторного практикума, проектно-исследовательской деятельности студентов. 6. Освоение студентами умений решения физико-технических ггроблем на основе фундаментальных.физических знаний предложено осуществлять в форме лекционных исследований и проблемных семинаров, предусматривающих самостоятельную работу обучающихся по Уяснению содержания, поиску подходов к решению проблемы» и,его конкретизации организованную сообразно логике и методологии деятельности приведшей к значимым научно-техническим достижениям. Возможности реализации предлагаемой методики теоретической подготовки студентов раскрыты на примерах освоения ими физики полупроводниковых инжекционных лазеров, на гетероструктурах с низкоразмерной активной областью и полупроводниковых устройств амплитудной модуляции оптического излучения. 7. Определению возможностей технического использования» изучаемых явлений предложено придать статус обязательного компонента заданий лабораторного практикума по физике, а развитию соответствующих умений - его цели. Для ее достижения предлагается включить в содержание практикума учебно-исследовательские задания единой в своем прикладном аспекте направленности, выполнение которых требует сочетания экспериментального и аналитического решения задач. Представлена методическая разработка учебно-исследовательских заданий лабораторного практикума по изучению фотоэлектрических явлений в полупроводниках, которые могут быть положены в основу принципа действия датчиков оптического излучения в ультрафиолетовой области спектра. 8. Проектно-исследовательскую деятельность студентов, призванную дать им опыт логически завершенного решения физико-технических проблем, требующего использования всего комплекса заявленных умений, предложено структурировать в соответствии с присущей практико-ориентированным поисковым работам поэтапностью и на каждом из этапов определены задачи, решаемые студентами и преподавателями. 9. В результате педагогического эксперимента доказана эффективность использования разработанной методики формирования у студентов умений решения физико-технических проблем в процессе обучения физике.
