Научно-методическое обеспечение целостного исследовательского обучения физике в подготовке педагогических кадров (11.10.2010)

Автор: Хинич Иосиф Исаакович

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.

?????*?ј

Qроэлектроники. 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;


загрузка...