Методика преподавания микро- и наноэлектроники в курсе физики профильных классов: на примере сельской школы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 13.00.02, кандидат педагогических наук Официн, Сергей Иванович

• Официн, Сергей Иванович
• кандидат педагогических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат педагогических наук Официн, Сергей Иванович

Введение

Общая характеристика работы.

Главы основной части

Глава I Современное состояние проблемы формирования нового знания у учащихся профильных классов сельской средней школы в области микро-и наноэлектроники.

1.1. Анализ содержания действующих программ и учебных пособий по изучению физико-технических основ микро- и наноэлектроники в школьном курсе физики.

1.2. Состояние методики преподавания микро- и наноэлектроники в средней профильной школе.

1.3. Школьное учебное оборудование по микро- и наноэлектронике.

1.4. Компетентностный подход в оценке индивидуальных образовательных достижений учащихся.

1.5. Выводы из обзора литературных данных и выбор основных методических направлений исследований. Постановка задачи.

Глава П Методика изучения физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в курсе физики профильной сельской средней школы.

2.1. Экспериментальные образовательные программы по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для профильных классов средней школы и объединения по интересам дополнительного образования детей и подростков.

2.1.1. Программа элективного курса по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для физико-математического и индустриально-технологического профилей обучения физике.

2.1.2. Программа по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для объединения « Радиотехническое » Дома детского творчества.

2.2. Методика изучения отдельных вопросов тем, включенных в экспериментальные образовательные программы.

2.2.1. Собственная электрическая проводимость полупроводников.

2.2.2. Электрическая проводимость полупроводников на основе зонных представлений.

2.2.3. Технология поверхности в микро- и наноэлектронике.

2.2.4. Роль радиолюбительства в формировании знаний о микроэлектронике

2.2.5. Эволюция дискретных электронных компонентов электрической цепи и конструкций на их основе.

2.2.6. Фундаментальные научные достижения в области нанотехнологии, включая наноэлектронику.

2.3. Демонстрационные экспериментальные модели по микроэлектронике и элементам наноэлектроники как средство формирования знаний по физике.

2.3.1. Модель транзисторного радиоприемника и методика его применения в образовательном процессе.

2.3.2. Модель усилителя мощности низкой частоты с интегральной схемой и методика его использования на уроках физики.

2.3.3. Макроскопическая модель элементов микросхемы.

2.4. Лабораторный физический эксперимент по микроэлектронике и элементам наноэлектроники.

2.4.1. Изучение микросхемы на экспериментальной модели усилителя мощности низкой частоты с интегральной схемой.

2.4.2. Определение параметров биполярного транзистора малой мощности.

2.4.3. Определение параметров униполярного транзистора малой мощности.

2.4.4. Изучение эволюции дискретных электронных компонентов электрической цепи и конструкций на их основе.

2.4.5. Снятие вольт-амперной характеристки полупроводникового плоскостного диода и определение дифференциального сопротивления р-п-перехода.

2.5. Выводы по методике преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники.

Глава III Эффективность применения методики преподавания микроэлектроники и элементов наноэлектроники в профильных классах сельской средней школы.

3.1. Место микроэлектроники и элементов наноэлектроники в педагогической технологии комплексного подхода в обучении физико-математическим дисциплинам.

3.2. Формирование ключевых компетенций у учащихся в процессе воспитания и развития через дополнительное образование и проектную форму обучения физике.

3.3. Результаты педагогического эксперимента по проверке гипотезы исследования.

3.4. Выводы. Пути совершенствования методики изучения физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в профильных классах средней школы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика преподавания микро- и наноэлектроники в курсе физики профильных классов: на примере сельской школы»

Актуальность и значимость темы исследования объясняются изменениями, происходящими в Российском образовании. В «Концепции модернизации Российского образования на период до 2010 г.» отмечено формирование школой ключевых компетенций, основанных на профильных достижениях учащихся как результате обучения по программам профильной подготовки и дополнительного образования.

Одним из направлений модернизации содержания образовательного процесса школьного профильного курса физики служит изучение физико-технических основ микро- и наноэлектроники. Оно продиктовано необходимостью формирования у учащихся новых знаний в соответствии с научно-техническим прогрессом современного мира.

Микроэлектроника в настоящее время является в основном интегральной, поскольку создание большинства современных полупроводниковых приборов немыслимо без использования принципа интеграции. Одним из важнейших факторов, стимулирующих развитие интегральной электроники, является низкая стоимость ее элементов. Только современные интегральные схемы позволяют создавать электронно-вычислительные машины, мобильные телефоны, аудио и видеотехнику, доступные рядовому потребителю. Вторым фактором, способствовавшим прогрессу интегральной электроники, являются чрезвычайно малые габариты интегральных схем при сохранении сложности и многообразия выполняемых ими функций и весьма низком энергопотреблении.

В настоящее время типичные размеры элементов интегральных схем составляют единицы микрометра, а толщины диэлектрических пленок — десятки и сотни нанометров. Такие схемы требуют обычно питающих напряжений, измеряемых единицами вольт, а мощность, потребляемая схемой средней степени интеграции, часто не превышает 10"6 Вт. Актуальность разработок в области наноэлектроники (создание полупроводниковых гетероструктур и интегральных схем) отмечена присуждением в 2000 г. Нобелевской премии Ж.И. Алферову, Г. Крамеру, Дж. Кибли.

В связи с глобальным распространением конструкций, созданных на основе микро- и наноэлектроники, воспитание компетентного в данной области знания человека становится очевидным. За последние годы наметилась тенденция снижения мотивации у участников образовательного процесса к изучению физических основ и принципа действия различных конструкций на базе микро- и наноэлектроники. Это послужило формированию у старшеклассников только навыков «пользователя» современной аппаратуры.

Понятия «микро- и наноэлектроника» включают в себя очень широкий спектр вопросов, среди которых можно реально рассматривать в школьном курсе физики лишь ту часть, которая не требует специальной теоретической подготовки. Поэтому необходимо внимательно подбирать содержание тем, отвечающих принципам школьного физического образования: доступности, научности и методичности.

Усиление внимания к обновлению образования, его приближению к заказу социума обусловлено рекомендациями Совета Европы (Берн, 1996 г.) Становится важным разработка программ элективных учебных курсов для физико-математического и индустриально-технологического направлений в соответствии с Приложением к приказу Минобразования России №1312 от 09.03.04 г., создание методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в школьном профильном курсе физики.

В настоящее время классическая методика преподавания физики для средней профильной школы имеет существенные пробелы в изучении физико-технических основ микро- и наноэлектроники. Формирование у учащихся нового эмпирического знания в данной области стало педагогической проблемой по причине недостаточного оснащения физических кабинетов и лабораторий средних образовательных учреждений, особенно сельских, современным учебно-методическим комплексом. Обучение старшеклассников экспериментальной и конструкторской деятельности значительно повысит мотивацию к получению ими нового физического знания, в частности по микро- и наноэлектронике. Усиление роли технического творчества, проектной деятельности школьников приведет к повышению их ключевых компетенций.

Вышеизложенное позволяет выявить следующие противоречия: между действующей методикой, содержанием курса физики в средней школе и новыми современными требованиями к формированию ключевых компетенций у учащихся по микроэлектронике и элементам наноэлектроники; между потенциальными возможностями демонстрационного и лабораторного эксперимента, физического практикума при изучении микроэлектроники в образовательном процессе и их недостаточной реализацией в практике профильной сельской школы.

Отсюда возникает проблема исследования: какой должна быть методика обучения физико-техническим основам микроэлектроники и элементам наноэлектроники, содержание в данной области знания для современной профильной сельской средней школы?

Актуальность проблемы исследования, ее недостаточная научная разработанность и практическая значимость определили выбор темы исследования: «Методика преподавания микро- и наноэлектроники в курсе физики профильных классов (на примере сельской школы)».

Объект исследования — процесс обучения физико-техническим основам микроэлектроники и элементам наноэлектроники в профильной сельской школе.

Предмет исследования — методика преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники, включающая содержание (дискретные и интегральные компоненты электрической цепи), принцип действия устройств (модель радиоприемника, микросхемы, усилителя мощности), лабораторный физический эксперимент в профильных классах сельской средней школы.

Гипотеза исследования — обучение физике в профильной сельской школе станет более эффективным, если обеспечить интеграцию физико-математического и индустриально-технологического профилей и разработать учебно-методический комплекс по микроэлектронике и элементам наноэлектроники, содержащий: экспериментальную образовательную программу элективного курса для физико-математического и индустриально-технологического классов, программу для объединения по интересам дополнительного образования детей и подростков; комплект лабораторных и демонстрационных экспериментальных установок, созданных в процессе проектной формы обучения, с методическим обеспечением, способствующий формированию у учащихся ключевых компетенций.

Цель исследования — разработка методики изучения в профильной сельской школе технических достижений в области микро- и наноэлектроники, включающей новое содержание.

В соответствии с целью и выдвинутой гипотезой определены следующие задачи исследования.

1. Выявление современного состояния проблемы формирования нового знания в области микро- и наноэлектроники в профильных классах средней школы.

2. Разработка программы, содержания и методики изучения элективного курса по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для профильных классов средней школы, включая авторские лабораторные работы и демонстрационные установки.

3. Создание программы, содержания и методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в дополнительном образовании - компонент комплексной образовательной системы профильных классов (на примере объединения «Радиотехническое» Дома детского творчества).

4. Проведение опытно-экспериментальной проверки эффективности использования разработанного авторского учебно-методического комплекса по микроэлектронике и элементам наноэлектроники с целью формирования у учащихся ключевых компетенций.

Методологической и теоретической основой исследования является общедидактическая теория содержания образования. Она представлена в трудах С.В. Анофриковой, М.А. Бобковой, JI.A. Бордонской, А.И. Бугаева, JI.A. Ивановой, С.Е. Каменецкого, А.П. Лиферова, Т.И. Носовой, В.П. Орехова, Н.Е. Парфентьевой, А.В. Перышкина, Н.С. Пурышевой, И.Г. Пустильника, В.Г. Разумовского, Л.П. Свиткова, М.М. Терентьева, В.В. Усанова, А.В. Усовой и др.

Вопросы постановки учебного эксперимента в процессе формирования физических понятий рассматриваются в работах А.В. Бурова, Б.С. Зворыкина, А.П. Кузьмина, А.А. Покровского, И.М. Румянцева, Т.Н. Шамало и др.

Методика изучения полупроводников в курсе физики средней школы представлена M.JI. Гатауллиным. Методические рекомендации и практические советы по организации и содержанию работы объединений радиолюбителей описаны В.Г. Борисовым. Моделирование и конструирование в обучении физике как методе научного познания изложены В.А. Тайницким и А.И. Капраловым. Методика организации и проведения домашней экспериментально-исследовательской деятельности учащихся в современном учебном процессе по физике разработана М.Г. Ковтунович.

Теоретические основы физики поверхности в микро- и наноэлектронике изложены в трудах Ж.И. Алферова, П.А. Арсеньева, А.В. Войцеховского,

A.А. Евдокимова, Н.А. Кульчинского, В.Г. Литовченко, А.А. Мельникова,

B.Г. Попова, В.И. Свитова. Физико-технические аспекты проблемы описаны Л.Н. Бочаровым, Р.Г. Варламовым, С.К. Жебряковым, И.Ф. Колесниковым, Ю.Н. Ронжиным, В.А. Степановым, Н.Н. Путятиным. Примеры самодельных наглядных пособий по радиотехнике ц радиоэлектронике представлены В.Г. Борисовым, А.И. Левак и др.

Среди работ, посвященных исследованию психолого-педагогических проблем школьного образования, есть труды JI.C. Выготского и Р.С. Немова. Компетентностный подход в оценке индивидуальных образовательных достижений учащихся изложен в работах Т.Б. Абрамовой, Н.Г. Корнейщука, Ш.Г. Рубина, В.А. Сластенина, А.В. Хуторского и др.

Для решения поставленных задач и проверки гипотезы использовались следующие методы: теоретический анализ проблемы исследования на основе изучения научно-методической и психолого-педагогической литературы, материалов и публикаций в периодической печати, школьных учебных программ и учебных пособий, нормативных документов; экспериментальная деятельность учащихся поискового характера в ходе разработки лабораторных установок, конструирования демонстрационных моделей по микроэлектронике и элементам наноэлектроники; анализ деятельности учащихся при выполнении заданий экспериментального содержания (фронтальные лабораторные работы, физический практикум, демонстрационный эксперимент по микроэлектронике и элементам наноэлектроники); педагогический эксперимент по проверке гипотезы исследования; качественный и количественный анализ результатов эксперимента; методы математической статистики по обработке данных педагогического эксперимента («хи — квадрат критерий» среднее арифметическое, выборочная дисперсия, среднее квадратичное отклонение); обсуждение результатов исследования на научно-методических конференциях, семинарах.

Основные этапы исследования:

В соответствии с поставленными задачами исследование осуществлялось в течение 5 лет (с 2005 г. - по 2009 г.) в несколько этапов.

Первый этап (2005-2006 гг.) включал изучение литературы по проблеме исследования, состояния физико-технического образования в профильной средней школе, опыта практической работы учителей и педагогов дополнительного образования Рязанской области, проведение констатирующего эксперимента. В этот период были определены проблема, гипотеза, цель и задачи исследования.

На втором этапе (2006-2007 гг.) в ходе опытной работы проведен формирующий эксперимент, определено содержание авторских лабораторных работ, вводимых в образовательный процесс школьного профильного курса физики, изготовлены и апробированы новые демонстрационные установки по микроэлектронике и элементам наноэлектроники, разработаны методические рекомендации по их применению на уроке.

Третий этап (2007-2009 гг.) содержал педагогический эксперимент по проверке гипотезы исследования, обработку и обобщение полученных результатов; формулирование теоретических выводов, анализ и обсуждение опытно-экспериментальной работы.

Экспериментальная база исследования. Педагогический эксперимент и исследования выполнены на базе физико-математического класса муниципального общеобразовательного учреждения «Тумская средняя общеобразовательная школа №46» Клепиковского муниципального района Рязанской области. Конструкторско-исследовательская работа осуществлена на базе объединения по интересам «Радиотехническое» муниципального образовательного учреждения дополнительного образования детей «Тумский Дом детского творчества». Апробация экспериментальных лабораторных работ по микроэлектронике и элементам наноэлектроники также проведена в лаборатории специального физического практикума, лаборатории квантовой электроники кафедры общей и теоретической физики и методики преподавания физики Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина. На отдельных этапах эксперимента участвовали три сельских школы Клепиковского муниципального района Рязанской области (муниципальные общеобразовательные учреждения: «Тумская средняя общеобразовательная школа №3», «Болоньская средняя общеобразовательная школа», «Спиринская средняя общеобразовательная школа») и Межрегиональный заочный лицей физики и математики «Авангард».

Научная новизна исследования:

1. Разработанный учебно-методический комплекс по микроэлектронике с элементами наноэлектроники носит авторский характер, предполагает интеграцию оригинальных экспериментальных программ, обеспечивающих формирование ключевых компетенций по физике у учащихся профильных классов сельской средней школы и учреждений дополнительного образования детей и подростков.

2. Предложенные лабораторные работы (изучение микросхемы на экспериментальной модели усилителя мощности низкой частоты с интегральной схемой, определение параметров униполярного и биполярного транзисторов, изучение эволюции дискретных электронных компонентов электрической цепи и конструкций на их основе, .) базируются на оригинальных установках и методическом обеспечении, посвящены рассмотрению актуальных вопросов, которые обычно не рассматриваются в курсе физики средней школы.

3. На новой предметной базе продемонстрирована эффективность комплексного подхода к организации проектной, экспериментальной и исследовательской деятельности учащихся при взаимодействии различных образовательных структур (сельских средних школ, домов детского творчества, заочных школ и лицеев).

Теоретическая значимость. Результаты исследования расширяют дидактические возможности методики преподавания физико-технических основ микро- и наноэлектроники в профильных классах (на примере сельской школы), включающей функциональную последовательность изучения физики электронного строения полупроводников, конструкций и технологий изготовления моделей и радиоэлектронных устройств, в сочетании с дополняющими друг друга различными видами учебных занятий, обеспеченных новым демонстрационным оборудованием и лабораторными работами физического практикума, широким использованием межпредметных связей (физики, технологии и радиотехники).

Практическая значимость исследования состоит в том, что методика формирования у учащихся теоретических знаний по микроэлектронике и элементам наноэлектроники, результаты педагогической деятельности могут служить для дальнейшей разработки системы формирования ключевых компетенций по физике в профильных классах не только сельской, но и городской средней школы. Прошедшие апробацию экспериментальные демонстрационные и лабораторные установки с соответствующими методическими рекомендациями найдут применение в учебном процессе физико-математического и индустриально-технологического профилей по обеспечению условий развития ключевых компетенций у старшеклассников. Предложенные экспериментальные образовательные программы по микроэлектронике и элементам наноэлектроники могут быть введены в профильное обучение с использованием конструкторской деятельности учащихся применительно к созданию ими. опытных экземпляров учебного оборудования для уроков физики, что особенно актуально для сельских образовательных учреждений. Внедрение разработанной методики в учебный процесс комплексного обучения физико-математическим дисциплинам на примере муниципального общеобразовательного учреждения «Тумская-средняя общеобразовательная школа №46» Клепиковского муниципального района Рязанской области повысило успешность освоения учебных программ и качество подготовки учащихся по физике.

Достоверность научных положений и выводов исследования обеспечена соблюдением основных требований, предъявляемых к организации и проведению педагогического эксперимента, обоснованностью исходных методологических положений, воспроизводимостью экспериментальных результатов, репрезентативностью выборки количества участников педагогического эксперимента; комплексным применением различных методов математической статистики.

Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялась в ходе опытно-экспериментальной работы на базе четырех физикоматематических классов сельских муниципальных общеобразовательных учреждений Клепиковского муниципального района Рязанской области. Конструк-торско-исследовательская работа проходила в объединении по интересам «Радиотехническое» муниципального общеобразовательного учреждения дополнительного образования детей «Тумский Дом детского творчества».

Основные теоретические положения диссертационного исследования и результаты опытно-экспериментальной работы докладывались на научно-практической конференции «Информационно-коммуникационные технологии в подготовке учителя технологии и учителя физики» (г. Коломна, 2007 г., 2008 г.); Международной научно-методической конференции, посвященной 105-летию со дня рождения А.В. Перышкина «Единство традиций и инноваций в системе непрерывного естественно-математического образования» (г. Рязань, 2007 г.); Российской научно-методической конференции «Управление качеством образования в системе учреждений дополнительного образования детей и подростков» (г. Рязань, 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Пути повышения качества воспитательной работы в образовательных учреждениях» (г. Рязань, 2008 г.); Четырнадцатой Всероссийской конференции «Учебный физический эксперимент. Актуальные проблемы. Современные решения» (г. Глазов, 2009 г.). Результаты исследований по материалам диссертации представлялись на заседаниях кафедры общей и теоретической физики и методики преподавания физики Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина, педагогических советах муниципального общеобразовательного учреждения «Тумская средняя общеобразовательная школа №46», методическом объединении учителей физики Клепиковского муниципального района Рязанской области.

Результаты исследования внедрены в учебный процесс физико-математического класса муниципального общеобразовательного учреждения «Тумская средняя общеобразовательная школа №46», кафедры общей и теоретической физики и методики преподавания физики Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина.

По теме исследования опубликовано 12 работ.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные образовательные программы по микроэлектронике и элементам наноэлектроники с тематическим планированием для физико-математического, индустриально-технологического классов средней школы и объединений учащихся по активизации их познавательной деятельности через проектную форму обучения.

2. Комплект авторских лабораторных работ и демонстрационных экспериментальных установок с методическим обеспечением для освоения учебных программ по физике в физико-математическом и индустриально-технологическом профилях по формированию ключевых компетенций у учащихся в области микро- и наноэлектроники.

3. Комплексный подход в обучении физико-математическим дисциплинам при взаимодействии различных образовательных структур (сельских средних школ, домов детского творчества, заочных школ и лицеев, .) способствует созданию единой образовательной среды, направленной на развитие экспериментальной и исследовательской деятельности учащихся, поиск нестандартных решений и формирование политехнических знаний.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований и 7 приложений. Основной текст диссертации изложен на 182 страницах, имеет 13 таблиц и 39 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)», Официн, Сергей Иванович

1.5. Выводы из обзора литературных данных и выбор основных методических направлений исследований. Постановка задачи

Анализ содержания действующих программ и учебных пособий по изучению физико-технических основ микро- и наноэлектроники в школьном курсе физики выявил противоречие между содержанием физического образования и новой образовательной парадигмой, представленной современными наукоемкими технологиями.

Очевидное различие между имеющимся учебно-методическим комплексом по физике и необходимым для формирования ключевых компетенций учащихся в области микро- и наноэлектроники демонстрационным и лабораторным оборудованием определило методические направления исследования:

1. Разработка программы, содержания и методики изучения физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в виде элективного курса по физике для учащихся 10,11 классов.

2. Создание программы по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для дополнительного образования школьников с целью построения комплексной образовательной системы, направленной на изучение научно-технических проблем современного общества и привития практического интереса учащихся к конструкторской деятельности.

3. Разработка новых демонстрационных моделей и лабораторных установок по теме диссертационного исследования; подготовка методических рекомендаций их применения на уроках физики и внеклассных занятиях.

4. Осуществление опытной проверки эффективности использования разработанного учебно-методического комплекса: экспериментальных демонстрационных моделей, лабораторных работ по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для формирования ключевых компетенций учащихся.

5. Применение компетентностного подхода при оценке индивидуальных достижений учащихся в области изучения физико-технических основ микроэлектроники с элементами наноэлектроники.

Глава II

Методика изучения физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в курсе физики профильной сельской средней школы

Введение

Применение микроэлектроники и элементов наноэлектроники в образовательном процессе школьного курса физики, смежных учебных дисциплин связано с необходимостью обеспечения учебным оборудованием, методическими разработками учителей и учащихся. Формирование нового научного знания у учащихся в области микро- и наноэлектроники связано с проблемой оснащения учебно-методическим комплексом физических кабинетов и лабораторий: таблицами, дидактическими материалами, лабораторным и демонстрационным оборудованием, что особо актуально для сельских образовательных учреждений. Его недостаточность снижает мотивацию, интерес у участников образовательного процесса к познанию уникального мира микро- и наноэлектроники, способствует формированию только навыков «пользователя».

В данной главе представлены авторские экспериментальные демонстрационные модели и лабораторные установки, сконструированные учащимися под руководством учителя в процессе проектной деятельности радиотехнического объединения Дома детского творчества. Созданные оригинальные модели и установки имеют техническое, методическое описание и используются на уроках физики, во внеурочной деятельности.

Введение микроэлектроники и элементов наноэлектроники в современный образовательный процесс эффективно при комплексном обучении и воспитании. Так, например, демонстрационная модель транзисторного радиоприемника, выполненная на занятиях радиотехнического объединения Дома детского творчества, дает возможность показать на уроках физики эволюцию радиоприемных средств, взяв для этого детекторный [108] и транзисторный радиоприемники, ламповый усилитель низкой частоты, раскрытую модель современного радиоприемника на транзисторах. На модели можно проследить виды соединений и связей элементов электрической цепи — полупроводников, сопротивлений, емкостей и индуктивностей. Модель может быть применена на уроках физики при изучении тем: «Ферромагнетики», «Изобретение радио А.С. Поповым», «Принципы радиотелефонной связи», а также в работе элективного курса. Собранную плату с дополнительным усилителем низкой частоты можно использовать для школьного походного радиоприемника, который собирают на радиотехническом объединении [66].

Переход к изучению физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в профильных классах целесообразно осуществлять с введением экспериментальной, исследовательской деятельности для участников образовательного процесса [65]. Проведение экспериментов с интегральными схемами, изучение свойств дискретных полупроводников: транзисторов, диодов и др. наряду с теоретическими знаниями позволит современному школьнику иметь фундаментальные практические представления, умения и навыки общения с конструктивными элементами устройств. Важным направлением этой работы является создание методики проведения эксперимента с минимально возможным числом содержащих в нем компонентов.

Удовлетворение познавательных интересов школьников средствами элективных учебных предметов возможно через обязательные учебные предметы по выбору учащихся. Это могут быть курсы:

- радиоэлектроника,

- полупроводниковая электроника,

- микроэлектроника и элементы наноэлектроники,

- микропроцессорная техника [40],

- физика поверхности и микроэлектроника [50].

Основной их целью является развитие творческой индивидуальности обучающихся, углубление и расширение знаний, умений и навыков, которые способствуют обдуманному выбору будущей профессии.

Разработка учебных программ данных курсов и методика изучения тем предоставляется учителю в виде экспериментальной, творческой, научно-методической деятельности исходя из наличия учебно-методического комплекса в физическом кабинете, пожеланий родителей и учащихся [63, 98].

Содержание данной главы представлено двумя авторскими экспериментальными образовательными программами по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для профильных классов средней школы и объединения по интересам дополнительного образования детей и подростков.

Программа элективного курса по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для физико-математического и индустриально-технологического профилей обучения физике имеет нетрадиционное оформление. Содержание программы включает темы, углубляющие и расширяющие профильный курс физики 10, 11 класса.

Программа по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для объединения «Радиотехническое» Дома детского творчества способствует развитию конструкторских способностей школьников в процессе проектирования устройств, необходимых для успешной реализации программы элективного курса профильной направленности.

Для успешной реализации представленных программ в главе изложена методика изучения отдельных вопросов тем, описаны апробированные в школе и вузе демонстрационные экспериментальные модели и лабораторный физический эксперимент по микроэлектронике и элементам наноэлектроники.

Лабораторные работы содержат теоретическое введение, которое целесообразно использовать на занятиях элективного курса по темам, непосредственно связанных с выполнением данных работ.

В этой главе предложена обновленная экспериментальная лабораторная работа: «Снятие вольт-амперной характеристики полупроводникового плоскостного диода и определение дифференциального сопротивления р-п-перехода», которая при необходимости может войти в перечень тем программного материала элективного курса физики.

2.1. Экспериментальные образовательные программы по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для профильных классов средней школы и объединения по интересам дополнительного образования детей и подростков

2.1.1. Программа элективного курса по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для физико-математического и индустриально-технологического профилей обучения физике

Пояснительная записка

Элективный курс по микроэлектронике и элементам наноэлектроники является одним из предметно-ориентированных курсов, которые могут быть предложены учащимся X, XI классов с целью их самоопределения относительно дальнейшего способа образования (учреждения образования и профиля). В повседневной жизни учащиеся встречаются с примерами, в которых присутствует новейшие технологии, в том числе конструкции, созданные на основе микро- и наноэлектроники. Очевидными становятся ключевые компетенции при изучении сущности физических процессов, протекающих в устройствах, изготовленных на базе микросхем и дискретных элементов электрической цепи, а также при рассмотрении их технического содержания [67].

Курс построен на использовании разнообразных методик обучения, направленных на способ восхождения от абстрактного к конкретному. При изучении курса большую роль играют наглядно-деятельностные методы в форме лабораторных, экспериментальных работ, демонстраций, моделирования, где создается образ, объект рассмотрения, а затем в ходе исследования появляются его свойства и закономерности.

Программа курса содержит физико-математическое, историческое и философское знание, накопленное человечеством. Современные физико-технические идеи реализуются в виде демонстрационных моделей, экспериментальных работ, которые предлагаются старшеклассникам для творческого исследования. В программу включены вопросы, выходящие за рамки общеобразовательного стандарта по физике для X, XI классов.

Элективный курс рассчитан на 17 или 34 учебных часа. Он может применяться как самостоятельно на занятиях по выбору, так и в виде модулей в рамках учебного предмета «Физика» и «Технология (включая электротехнику и радиоэлектронику)» [61].

Цель курса: развитие творческой индивидуальности учащегося в процессе формирования ключевых компетенций, способствующих осознанному выбору будущей профессии.

Успешному достижению цели содействует решение следующих учебно-воспитательных задач: углубление и расширение знаний в области физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники для повышения общего научного и культурного уровня; , приобретение знаний, позволяющих самостоятельно по алгоритму изучать и создавать простейшие электронные конструкции; накопление политехнических знаний, помогающих выпускнику школы в выборе будущей профессии; формирование познавательного интереса к микро- и наноэлектронике в процессе экспериментальной деятельности; развитие у учащегося творческого воображения, внимания, аккуратности; воспитание в атмосфере коллективного сотрудничества и доверия для раскрытия творческого потенциала личности школьника.

В результате изучения курса у учащихся развиваются следующие компетенции: осуществлять экспериментальную исследовательскую деятельность в процессе выполнения демонстрационных и лабораторных работ; создавать конструкции, применяя метод проектов; получать информацию из разных источников и использовать ее для обоснования суждения, приводить доказательства физичности процессов, протекающих в конструкциях на базе микро - и наноэлектроники; применять собственные знания для решения задач, с которыми приходится встречаться, общаясь с устройствами, созданными на основе микро- и наноэлектроники.

Основные формы организации занятий

Интегрированный характер содержания курса предполагает такие формы деятельности, как лекции, семинары, работу в группах, фронтальные лабораторные, экспериментальные работы, подготовка докладов, рефератов и исследовательских проектов. Данный курс поможет учащимся в дальнейшем сделать более осознанный выбор профиля образования, оценить уровень своей подготовки.

Содержание курса Предлагается следующий вариант содержания программы, который является компонентом экспериментального учебно-методического комплекса по микроэлектронике и элементам наноэлектроники.

1. Введение (1/2 ч)

Актуальность микро- и наноэлектроники в современном мире. История возникновения и развития электроники. Эволюция электронных устройств. Роль радиолюбительства в формировании представлений о микроэлектронике и транзисторной технике [68].

2. Дискретные элементы электрической цепи (2/4 ч)

Резисторы. Конденсаторы. Диоды. Транзисторы. Катушки индуктивности. Условные обозначения на принципиальных схемах. Кодированное обозначение параметров. Типы элементов.

3. Расчеты параметров электрической цепи по законам, правилам постоянного и переменного тока (1/2 ч)

Законы Г.Ома для участка цепи, для полной цепи. Правила Г.Кирхгофа. Закон Д.Джоуля - Э.Ленца. Последовательное и параллельное соединение.

4. Биполярный транзистор (1/2 ч)

Физические основы р — п — перехода. Устройство и принцип действия биполярного транзистора. Типы транзисторов. Электрическая проводимость полупроводников.

5. Униполярный транзистор (1/2 ч)

Устройство и принцип действия полевого транзистора. Типы транзисторов. Область применения униполярного транзистора.

6. Транзисторный радиоприемник (1/2 ч)

Экспериментальная работа «Наблюдение действия и изучение устройства транзисторного радиоприемника на демонстрационной модели» [64].

7. Интегральная схема — основной элемент современной микро- и наноэлектроники (2/4 ч)

Экспериментальная работа «Макетирование отдельного элемента электрической цепи микросхемы на макроскопической модели». Экспериментальная работа «Наблюдение и изучение свойств усиления звука с помощью модели усилителя мощности низкой частоты на интегральной схеме» [71].

8. Проблемы и задачи физики и технологии поверхности в микро- и наноэлектронике (1/2 ч)

Перспективы развития микроэлектроники. Технология поверхности в микро- и наноэлектронике. Фундаментальные научные представления в области нанотехнологии, включая наноэлектронику [85].

9. Особенности конструирования устройств, содержащих элементы микро-и наноэлектроники (1/2 ч)

Чертежи и расчеты принципиальной схемы, корпуса конструкции. Экспериментирование на макетной плате. Условие температурного режима в процессе пайки и наличие заземления. Сборка и наладка конструкции.

10. Экскурсия на производство радиоэлектронной промышленности (1/3 ч)

Планирование, организация конструкторской деятельности. Производственный цикл по выпуску части электронного устройства. Знакомство с профессией - конструктор радиоэлектронной аппаратуры.

11. Итоговый контроль (1/2 ч)

Защита творческих работ учащихся.

Фронтальные лабораторные работы (4/7 ч)

1. Изучение эволюции дискретных электронных компонентов электрической цепи и конструкций на их основе.

2. Определение параметров биполярного транзистора малой мощности.

3. Определение параметров униполярного транзистора малой мощности.

4. Изучение микросхемы на экспериментальной модели усилителя мощности низкой частоты с интегральной схемой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат педагогических наук Официн, Сергей Иванович, 2009 год

1. Бессонов В.В. Электроника для начинающих и не только. М.: Солон-Пресс, 2005.

2. Борисов В.Г. Практикум начинающего радиолюбителя. М.: ДОСААФ СССР, 1984.

3. Бочаров JI.H., Жебряков С.К., Колесников И.Ф. Расчет электронных устройств на транзисторах. М.: Энергия, 1978.

4. Гатауллин Ш.Л. Изучение полупроводников в курсе физики средней школы: пособие для учителя. М.: Просвещение, 1964.

5. Герасименко Н.Н., Пархоменко Ю.Н. Кремний — материал наноэлектроники. М.: Техносфера, 2007.

6. Ельянов М.М. Практикум по радиоэлектронике: учебное пособие для учащихся 9 и 10 классов. М.: Просвещение, 1971.

7. Жеребцов И.П. Электрические и магнитные цепи: основы электротехники. Л.: Энергоатомиздат, 1987.

8. Ковтунович М.Г. Домашний эксперимент: пособие для учителя. М.: Вла-дос, 2007.

9. Литовченко В.Г., Попов В.Г. Физика поверхности и микроэлектроника. М.: Знание, 1990.

10. Милехин А.Г. Радиотехнические схемы на полевых транзисторах. М.: Энергия, 1976.

11. Нестеренко И.И. Цветовая кодовая маркировка радиоэлектронных компонентов, отечественных. М.: Солон-Р, 1999.

12. Официн С.И. Демонстрационная модель транзисторного радиоприемника // Физика в школе. 1995. №3. С. 64-65.

13. Официн С.И. Роль радиолюбительства в формировании знаний о микроэлектронике // Физика в школе. 2008. №3. С. 60-62.

14. Официн С.И., Орлов С.Н. Модель усилителя мощности на интегральной схеме // Физика в школе. 2008. №4. С.54-56.