автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Методика преподавания микро- и наноэлектроники в курсе физики профильных классов

Автореферат диссертации по теме "Методика преподавания микро- и наноэлектроники в курсе физики профильных классов"

На правах рукописи

ОФИЦИН Сергей Иванович

Методика преподавания микро- и наноэлектроники в курсе физики профильных классов (на примере сельской школы)

13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания (физика)

Автореферат

диссертации на соискание ученой с ии3480733 кандидата педагогических наук

Рязань-2009

003480733

Работа выполнена на кафедре общей и теоретической физики и методики преподавания физики государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

КРАСНИКОВ Анатолий Сергеевич

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук, профессор

БАННАЯ Вера Федоровна, ГОУ ВПО «Московский государственный гуманитарный университет»

кандидат педагогических наук, доцент АБРОСИМОВ Павел Викторович ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет» Рязанский институт (филиал)

Ведущая организация ГОУ ВПО МО «Коломенский государственный

педагогический институт»

Защита состоится «24» ноября 2009 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.212.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора педагогических наук в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина» по адресу: 390000, Рязань, ул. Свободы, д. 46, ауд. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина» по адресу: 390000, Рязань, ул. Свободы, д. 46.

Автореферат диссертации размещен на сайте Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина www.rsu.edu.ru

Автореферат разослан « 14 » СЖЛ13£5пЯ. 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Б.С. Кирьяков

Общая характеристика работы

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 конструкций 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 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.

Общедидактическая теория содержания школьного образования рассматривается в трудах C.B. Анофриковой, М.А. Бобковой, JI.A. Бордонской,

A.И. Бугаева, Л.А. Ивановой, С.Е. Каменецкого, А.П. Лиферова, Т.И. Носовой,

B.П. Орехова, Н.Е. Парфентьевой, A.B. Перышкина, Н.С. Пурышевой, И.Г. Пустильника, В.Г. Разумовского, Л.П. Свиткова, М.М. Терентьева, В.В. Усанова, A.B. Усовой и др.

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

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

A.A. Евдокимова, H.A. Кульчинского, В.Г. Литовченко, A.A. 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, H.H. Путятиным. Примеры самодельных наглядных пособий по радиотехнике и радиоэлектронике представлены В.Г. Борисовым, А.И. Левак и др.

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

Проведенный анализ современной психолого-педагогической, методической, научно-технической литературы указал на необходимость формирования ключевых компетенций у учащихся при изучении физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в профильных классах. Это

является одним из главных компонентов комплексного обучения физико-математическим дисциплинам, построенного на проектном методе.

Анализ показал, что проблема формирования ключевых компетенций у старшеклассников сельской профильной школы в данной области знания не нашла должного отражения в работах педагогов-исследователей. Обширные экспериментальные и технические знания, которыми живет современная физическая наука, остаются незнакомыми для учащихся, а как следствие этого -снижение познавательного интереса молодежи к естественным наукам и, в первую очередь, к физике.

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 соответствия с целью, предметом 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.

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);

- 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, цель, гипотеза 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 установ-

ках 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), включают 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 с элементами 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 физико-математических 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 A.B. 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, содержит 13 таблиц и 39 рисунков.

Во ппсдсиии обоснована актуальность темы, определены объект и предмет, сформулированы цель, гипотеза и задачи исследования, показаны научная новизна, теоретическая и практическая значимость результатов работы, раскрыты методология и методы исследований, сформулированы основные результаты и положения, выносимые на защиту, приводятся данные об апробации и внедрении результатов диссертационной работы.

В первой главе «Современное состояние проблемы формирования нового знания у учащихся профильных классов средней школы в области микро- и наноэлектроники» обозначена сущность имеющихся противоречий в методике преподавания данного вопроса, определены основные научно-методические направления исследований.

Во второй главе «Методика изучения физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в курсе физики профильной сельской средней школы» представлены экспериментальные образовательные программы по микроэлектронике и элементам наноэлектроники в виде элективного курса для профильных классов средней школы и объединения по интересам дополнительного образования детей и подростков, методика изучения отдельных вопросов тем, включенных в программы.

Средством формирования у учащихся профильных классов эмпирических знаний в области микроэлектроники и элементов наноэлектроники служат созданные автором диссертационного исследования новые демонстрационные экспериментальные модели по микро- и наноэлектронике, методика их конструирования и применения в образовательном процессе.

В главе описана методика постановки физического эксперимента по микроэлектронике с элементами наноэлектроники, имеются лабораторные работы, углубляющие и расширяющие знания школьников по физике.

В третьей главе «Эффективность применения методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в профильных классах сельской средней школы» отражены результаты проведенного педагогического эксперимента.

В заключении обобщены результаты исследования, изложены основные выводы, подтверждающие заявленную гипотезу, и положения, выносимые на защиту.

В приложении приведены материалы, отражающие ход и результаты экспериментальной работы, материалы справочного характера.

Основиое содержание работы

В первой главе «Современное состояние проблемы формирования нового знания у учащихся профильных классов средней школы в области микро- и наноэлектроники» на основе теоретического анализа содержания действующих программ и учебных пособий по изучению физико- технических основ микро- и наноэлектроники показана необходимость модернизации содержания школьного физического образования в соответствии с новой образовательной парадигмой, представленной современными наукоемкими технологиями.

Характеризуя состояние методики преподавания микро- и наноэлектроники в средней профильной школе необходимо отметить актуальность решения задачи методического обеспечения образовательного процесса в данной области знания. Подчеркивается, что проблема создания методики преподавания физико-технических основ микро- и наноэлектроники впервые возникла в последнее десятилетие XX века и существенно не разрешена до настоящего времени. Имеющаяся в распоряжении учителя методика преподавания физики, написанная в период советской школы, содержит отдельные темы по изучению данной проблемы. Однако методика освещения современных научно-технических достижений в области микро- и наноэлектроники не нашла должного отражения в научно-методической литературе.

В ходе анализа выявлено различие между имеющимся учебно-методическим комплексом по физике и необходимым для формирования ключевых компетенций у учащихся в области микро- и наноэлектроники демонстрационным и лабораторным оборудованием. Показана недостаточная комплектация современным учебным оборудованием кабинетов физики сельских образовательных учреждений.

Учитывая актуальность компетентностного подхода в педагогической науке, проанализировано современное состояние формирования компетенций у учащихся. Обоснована необходимость определения компетенций при оценке индивидуальных достижений учащихся, в частности при изучении физико-технических основ микро- и наноэлектроники.

Анализ научно-методической литературы и нормативной документации позволил определить направления для проведения педагогического 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 изучению физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники для дополнительного образования школьников с целью построения комплексной образовательной системы, направленной на рассмотрение 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 рекомен-

даций по их применению в образовательном процессе уроков и внеклассных занятий.

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

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

Во второй главе представлена «Методика изучения физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в курсе физики профильной сельской средней школы».

На основе анализа современного состояния проблемы формирования ключевых компетенций у учащихся физико-математического и индустриально-технологического классов средней школы в области микро- и наноэлектроники создана авторская экспериментальная программа элективного курса.

Другая экспериментальная программа по изучению физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники разработана для дополнительного образования школьников. Программа объединения «Радиотехническое» является компонентом инновационной комплексной образовательной системы, в которой развитие познавательного интереса учащихся к физике осуществляется в процессе проектной формы обучения по конструированию электронных устройств на основе микроэлектроники и элементов наноэлектроники.

Успешное освоение данных программ возможно при методическом обеспечении процесса изучения отдельных вопросов тем курса. По-новому рассматривается вопрос об исторической роли радиолюбительства в формировании знаний о микроэлектронике, показана связь с эволюцией дискретных электронных компонентов электрической цепи и конструкций на их основе. Очевидный интерес вызывает методика освещения собственной электрической проводимости полупроводников на основе зонных представлений. Новое знание у учащихся формируется в процессе изучения технологии поверхности в микро- и наноэлектронике. Представлены фундаментальные научные достижения в области нанотехнологии.

Школьникам излагаются фундаментальные основы нанотехнологии в виде интеграции физики, технологии и химии с опорой на математический аппарат. Показана важность широкого использования наноэлектроники во многих областях науки и техники.

Средством формирования ключевых компетенций у учащихся по микроэлектронике и элементам наноэлектроники служат новые демонстрационные экспериментальные модели.

В ходе исследования создана авторская «Демонстрационная модель транзисторного радиоприемника», которая способствует знакомству учащихся с физико-техническим процессом работы радиоприемника прямого усиления. Устройство, сконструированное школьниками в процессе проектной деятельности, используется на уроках физики для показа эволюции радиоприемных

средств на примере детекторного и транзисторного радиоприемников, лампового усилителя низкой частоты. На модели можно представить виды соединений и связей компонентов электрической цепи - полупроводников, сопротивлений, емкостей, индуктивностей. Конструкция транзисторного радиоприемника может быть использована при изучении отдельных вопросов тем профильного курса физики: «Ферромагнетики», «Изобретение радио A.C. Поповым», «Принципы радиотелефонной связи», а также на занятиях элективного курса.

Второй экспериментальной установкой, расширяющей возможности учебно-методического комплекса по микроэлектронике и элементам наноэлек-троники, является «Демонстрационная модель усилителя мощности низкой частоты на интегральной схеме». Применение созданной на радиотехническом объединении конструкции позволяет наглядно представить процесс усиления колебаний звуковой частоты, продемонстрировать целесообразность распространения интегральной схемы в качестве усилителя мощности, смоделировать техническое применение законов электродинамики. Новая модель позволяет выявить отличительные особенности устройств на интегральных схемах: использование минимального физического объема, повышение плотности упаковки, то есть размещение соответствующих элементов в объеме, размеры которого ограничиваются условиями отвода тепла и механическими соображениями. Данная конструкция способствует качественному образовательному процессу, построенному на проектной деятельности учащихся как в ходе уроков физики, так и во внеклассной работе по предмету.

Созданная автором «Макроскопическая модель элементов микросхемы» позволяет продемонстрировать школьникам технологию нанесения металлизированных и диэлектрических пленок, освоенную при изготовлении полупроводниковых приборов и послужившую основой создания пленочных интегральных схем. В методическом руководстве приводится расчет толщины металлизированной пленки, полученной химическим способом, и описываются способы нанесения пленок. На основе демонстрационной модели у учащихся формируются исследовательские навыки в области технологии производства микросхем.

В ходе исследовательской деятельности подготовлены новые лабораторные установки и методические описания по микроэлектронике с элементами наноэлектроники.

«Изучение микросхемы на экспериментальной модели усилителя мощности низкой частоты с интегральной схемой» происходит на установке, сконструированной учащимися старших классов в ходе проектной деятельности. В работе изучается планарная технология - способ изготовления микросхем, конструкция усилителя мощности низкой частоты на интегральной схеме, исследуются выходные характеристики микросхемы ТДА 2003. В ней определяется вольт-амперная характеристика микросхемы; находится зависимость выходной мощности микросхемы от напряжения питания, сопротивления нагрузки, частоты источника сигнала. Лабораторная работа является инновационным компонентом учебно-методического комплекса по физике.

Лабораторная работа по определению параметров биполярного транзистора малой мощности позволяет углубить и расширить ключевые компетенции

у учащихся в области микроэлектроники. В процессе экспериментальной деятельности находится обратный ток коллектора 1«о, коэффициент усиления по току р в схеме с общим эмиттером, вычисляется коэффициент усиления по току а в схеме включения транзистора с общей базой. Новизна работы состоит в применении многопредельного комбинированного электроизмерительного прибора.

В лабораторной работе по определению параметров униполярного транзистора малой мощности учащиеся знакомятся с физико-техническим принципом действия полевого транзистора, его основными параметрами, измеряют ток насыщения стока Ico, вычисляют крутизну S, напряжение отсечки Uotc, строят график зависимости Ic(Uc). Созданная лабораторная работа вносит новое содержание в программу изучения физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники школьного профильного курса физики. Разработка экспериментальной установки также осуществлена учащимися в ходе проектной деятельности под руководством учителя.

«Изучение эволюции дискретных электронных компонентов электрической цепи и конструкций на их основе» отражает историческое направление в развитии научно-технических достижений по электронике. Отличительной особенностью данной лабораторной работы является доступность содержания и то, что по результатам измерений и вычислений у учащихся формируются ключевые компетенции о целесообразности эволюции ламповой электронной техники в полупроводниковую микроэлектронику. Для постановки лабораторной работы подобрана новая экспериментальная установка, позволяющая достичь поставленной в методическом руководстве цели.

Лабораторная работа по снятию вольт-амперной характеристики полупроводникового плоскостного диода и определению дифференцального сопротивления р-п-перехода проходит на оборудовании учебно-методического комплекса физической лаборатории. Усовершенствование известной лабораторной работы состоит в определении дифференциального сопротивления р-п-перехода и в графическом представлении результата физического эксперимента. Дидактические преимущества этой модернизации очевидны потому, что у учащихся формируются ключевые компетенции по микроэлектронике на основе межпредметных физико-математических знаний.

В третьей главе «Эффективность применения методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в профильных классах сельской средней школы» показано место микроэлектроники и элементов наноэлектроники в педагогической технологии комплексного подхода в обучении физико-математическим дисциплинам.

Педагогическая технология содержит цель и задачи, направленные на индивидуализацию обучения и воспитания, когда за счет изменений в структуре, содержании и организации образовательного процесса более полно учитываются интересы, склонности и способности обучающихся, создаются условия для образования учащихся в соответствии с их профессиональными интересами и намерениями в отношении продолжения образования.

Обращение к данной теме технологии продиктовано необходимостью модернизации учебно-воспитательного процесса в естественно-научном и ма-

тематическом направлении подготовки школьников, совершенствованием форм, методов обучения и воспитания учащихся по физике и математике, особенно в сельской средней школе.

Изменения учебно-воспитательного процесса в старшей школе приводят к новым формам организации деятельности учащихся не только на уроке физики, но и во внеурочной работе. Проектная форма обучения - образовательная инновация. Поэтому формированию ключевых компетенций у учащихся в процессе воспитания и развития через дополнительное образование и проектную форму обучения физике посвящен отдельный параграф педагогического исследования.

Изучение физико-технических основ микроэлектроники и элементов на-ноэлектроники в элективном курсе физики средней профильной школы, на занятиях радиотехнического объединения требует поиска учащимися творческих конструкторских решений. При этом воспитываются деловые качества личности школьника: практичность, дисциплинированность, бережливость; волевые качества: целеустремленность, требовательность, сосредоточенность; а также критическое отношение к результату своего труда. Это способствует саморазвитию, самосовершенствованию, самовоспитанию. Школьник перестанет бездумно подражать окружающим, начнет сравнивать, анализировать, планировать, ставить внутренние цели, стремиться к ним. Появится возможность овладения собственным поведением, способность волевой саморегуляции. А значит - ответственности перед собой.

Результаты педагогического эксперимента по проверке гипотезы исследования получены в физико-математических классах сельских муниципальных общеобразовательных учреждений «Тумская средняя общеобразовательная школа №46», «Тумская средняя общеобразовательная школа №3», «Болоньская средняя общеобразовательная школа», «Спиринская средняя общеобразовательная школа» 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 и демонстрационных моделей 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. В эксперименте по формированию ключевых компетенций принял участие Межрегиональный заочный лицей физики и математики «Авангард».

Педагогический эксперимент состоял из нескольких этапов: констатирующего (2005-2006 гг.), формирующего (2007-2008 гг.) и контрольного (20082009 гг.). В эксперименте приняли участие 279 школьников и студентов, 13 педагогов.

Констатирующий этап эксперимента посвящен изучению задачи формирования ключевых компетенций у учащихся профильных классов индустриально-технологического: направление - электротехника / радиоэлектроника и физико-математического классов в области физико-технических основ микро- и

наноэлектроники. Для решения этой задачи осуществлялись наблюдение отдельных элементов деятельности учителей и учащихся, анкетирование и тестирование школьников, а также опрос учителей школ Рязанской области.

Данные констатирующего эксперимента показали низкий уровень развития у учащихся профильных классов ключевых компетенций в области физико-технических основ микро- и наноэлектроники, на отсутствие современных лабораторных работ, демонстрационных моделей, на несоответствие содержания учебных пособий и действующих программ проблеме формирования нового знания. На данном этапе выяснилась необходимость модернизации имеющегося учебно-методического комплекса: программ и учебных пособий, создания методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники, а также новых демонстрационных моделей и работ лабораторного физического эксперимента по проблеме диссертационного исследования.

В результате констатирующего эксперимента были определены гипотеза, цель и поставлены задачи исследования. Одной из задач педагогического эксперимента обозначилась необходимость создания технологии комплексного подхода в обучении физико-математическим дисциплинам с приоритетом на изучение физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники. При этом возможным направлением профилизации сельской средней школы выдвинуто предположение об интеграции физико-математического и индустриально-технологического классов с целью создания единой образовательной среды, направленной на формирование у учащихся политехнических знаний. Очевидным стала необходимость доказательства эффективности проектной формы обучения в формировании ключевых компетенций школьника. Учитывая важность воспитательного процесса в современной сельской школе, на данном этапе эксперимента предложена задача проверки влияния нетрадиционных форм и методов организации обучения и воспитания на формирование деловых качеств и творческой самореализации личности школьника.

В констатирующем педагогическом эксперименте приняли участие 185 учащихся и 8 учителей.

Результатом формирующего эксперимента явилось создание методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в курсе физики профильных классов. В ходе эксперимента апробированы впервые созданные образовательные программы по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для физико-математического и индустриально-технологического профилей обучения физике, для объединения «Радиотехническое» дополнительного образования школьников, которые содержат методику изучения ключевых тем. Вновь поднято изучение вопроса об исторической роли радиолюбительства в формировании знаний о микроэлектронике и показана связь с темой эволюции дискретных электронных компонентов электрической цепи и конструкций на их основе. Впервые рассматриваются фундаментальные научные достижения в области нанотехнологии.

Современные физико-технические идеи реализуются в программах в виде новых сконструированных в ходе проектной деятельности учащихся демонстрационных моделей, экспериментальных лабораторных работ, которые содер-

жат методическое руководство и предлагаются старшеклассникам для творческого исследования. Содержание программ является частью экспериментального учебно-методического комплекса по микроэлектронике и элементам нано-электроники, позволяющего развить познавательный интерес у старшеклассников к несложным научным исследованиям, углубить и расширить политехнические знания по курсу физики и с большей уверенностью определить выбор будущей профессии.

На разных стадиях формирующего эксперимента принимали участие учащиеся физико-математических классов сельских муниципальных общеобразовательных учреждений «Тумская средняя общеобразовательная школа №46», «Тумская средняя общеобразовательная школа №3», «Болоньская средняя общеобразовательная школа», «Спиринская средняя общеобразовательная школа» Клепиковского муниципального района Рязанской области и члены объединения по интересам «Радиотехническое» муниципального общеобразовательного учреждения дополнительного образования детей «Тумский Дом детского творчества» (всего 247 человек). В апробации лабораторного физического эксперимента по микроэлектронике и элементам наноэлектроники также участвовали студенты физико-математического факультета Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина (всего 32 человека).

Контрольный этап педагогического эксперимента предполагал проверку выдвинутой гипотезы и оценку эффективности предлагаемой методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в курсе физики профильных классов сельской средней школы. В эксперименте участвовали две группы: контрольная (80 человек) и экспериментальная (60 человек). Каждая группа состояла из четырех классов. Уровни успеваемости до начала эксперимента в контрольной и экспериментальной группах были аналогичными. Преподавание микроэлектроники и элементов наноэлектроники в физико-математическом классе для первой группы и традиционное углубленное изучение дисциплины физико-математического цикла предметов для второй группы осуществлялось одним учителем.

Сформированность ключевых компетенций в физико-математических классах контрольной и экспериментальной групп представлена на рис. 1.

Критерий - овладение зна- \ Критерий - применение зна- Критерий - применение тех-

ниями и умениями в ходе уг- ний и умений в практической нологий в ходе проектирова-

лубленного изучения физики \ деятельности при выполне- ния моделей и электронных

нии лабораторных работ устройств

Условные обозначения: К - контрольная группа, Э - экспериментальная группа Рис. 1. Качество образовательного процесса в контрольной и экспериментальной группах

Анализ диаграмм, изображенных на рис. 1, показал положительный результат комплексного обучения физико-математическим дисциплинам с различными видами деятельности, включающими экспериментальные, проектные, лабораторные работы по изучению физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники.

Оценивание образовательных достижений школьников в данных группах осуществлялось в соответствии с Положением об оценке устного ответа учащегося, требованием к уровню подготовки выпускников, характеристикой ключевых компетенций.

Применялись педагогические методы: наблюдение, анкетирование, тестирование, изучалось отношение школьников к исследовательской, проектной деятельности и экспериментальному учебно-методическому комплексу.

В связи с положительными результатами эксперимента принято окончательное решение об участии школьников в проектной деятельности по изготовлению учебно-наглядного оборудования, внедряемого в новый лабораторный физический эксперимент. Выполнение творческих конструкторских заданий на занятиях объединения «Радиотехническое» Дома детского творчества способствовало развитию познавательного интереса у школьников к физике.

Такой научный подход к разработке методики преподавания основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в курсе физики профильных классов для сельской средней школы положительно сказался на качестве подготовки учащихся по предмету. За период исследования 15 учащимися экспериментальной группы (одного из четырех физико-математических классов) выполнено 5 проектных работ, оцененных на «отлично» в ходе государственной (итоговой) аттестации. 9 школьников стали призерами Межрегиональной заочной физико-математической олимпиады, учредителем которой является Министерство образования и науки России (из них 7 человек по физике); 6 учащихся определены победителями районных предметных олимпиад по математике и физике (из них 2 человека по физике). Из числа выпускников профильного класса подготовлено 5 «золотых» и 3 «серебряных» медалиста. 92% выпускников экспериментальной группы продолжили обучение в высших и средне-специальных учебных заведениях (из них 41% - в вузах), связав получение будущей профессии с приобретенными ключевыми компетенциями в области физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники. Под руководством учителя 15 учащихся прошли дополнительную физико-математическую подготовку в Межрегиональном заочном лицее физики и математики «Авангард», учредителем которого является Министерство образования и науки России, из них 7 человек получили свидетельство об углубленном изучении физики с отличной отметкой.

Для определения наличия или отсутствия различий в контрольной и экспериментальной группах по состоянию уровня сформированное™ ключевых компетенций воспользуемся критерием однородности х2 («хи - квадрат критерий») и сформулируем гипотезы: об отсутствии различий (нулевая гипотеза), о значимости различий (альтернативная гипотеза). В дальнейшем ограничим уровень значимости а = 0,05. Практическое значение критерия %2 для уровня зна-

чимости 0,05 возьмем из таблицы критических значений статистических критериев х2 = 5,99.

Статистика критерия %2 позволяет установить наличие или отсутствие различий в группах, испытуемых по состоянию измеряемого свойства. Для получения дополнительной информации проведем сравнение средних баллов, выставленных школьникам экспериментальной и контрольной групп в ходе контрольных мероприятий (освоение экспериментальных образовательных программ, выполнение лабораторного физического эксперимента, разработка творческих проектов демонстрационных моделей и лабораторных установок).

Из таблицы 1 видно, что обнаружены несущественные различия в качестве результатов выполнения заданий экспериментальной и контрольной групп учащихся на первых двух уровнях: х2 < 5,99 = > поэтому принимаем нулевую гипотезу. Незначительные отличия в ключевых компетенциях экспериментальной и контрольной групп связаны с тем, что освоение образовательной программы элективного курса традиционно осуществляется на основе теоретических знаний, уровень которых не имеет существенных отличий в классах физико-математического профиля обучения.

Таблица 1. Сравнительная характеристика уровня развития ключевых

компетенций у учащихся физико-математического класса

Уровни развития ключевых компетенций Экспериментальная группа 60 человек (4 класса) Контрольная группа 80 человек (4 класса) X2

«5» «4» <6» X а «5» «4» «3» X а

1.Овладение учащимися знаниями и умениями в процессе углубленного изучения физики 28 20 12 4,3 0,19 16 32 32 3,8 0,16 2,3

2.Эффективность освоения школьниками физико-математического класса экспериментальных программ 23 21 16 4,1 0,18 17 37 26 3,9 0,16 5,0

З.Овладение умениями и навыками практической деятельности в процессе выполнения лабораторного физического эксперимента 22 28 10 4,2 0,19 20 29 31 3,9 0,16 8,2

4.Применение технологий в разработке творческих проектов демонстрационных экспериментальных моделей и новых лабораторных установок 24 27 9 4,3 0,19 16 29 35 3,8 0,16 14

На третьем уровне %2 = 8,2 > 5,99 =х1,<я принимаем альтернативную гипотезу - характеристики экспериментальной и контрольной групп различны на уровне значимости а = 0,05 (х = 4,20 при <7м= 0,19). Экспериментальная

группа имеет результаты более качественного выполнения работ лабораторного физического эксперимента.

На четвертом уровне видно, что 14 > 5,99 = х*05. поэтому принимаем альтернативную гипотезу. Характеристики экспериментальной и контрольной групп различны на уровне значимости а = 0,05 (х = 4,25 при<т3ю = 0,19). Очевидно, что учащимся экспериментальной группы было намного легче выполнять задания, связанные с разработкой творческих проектов в виде демонстрационных моделей и новых лабораторных установок. Обоснованность данного утверждения заключается в большей компетентности школьников, сформированной при изучении физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники, в отличие от контрольной группы, в которой подобного обучения учащиеся не проходили.

По данным контрольного эксперимента подтверждена эффективность созданного авторского учебно-методического комплекса по микроэлектронике и элементам наноэлектроники, в том числе экспериментальных образовательных программ с целью успешного формирования ключевых компетенций в данной области физических знаний.

С представленными результатами контрольного эксперимента согласуются данные, полученные при анализе учебно-воспитательного процесса в физико-математическом классе: учащиеся экспериментальной группы овладели более высоким уровнем ключевых компетенций и как следствие - уровень проявления профессиональной ориентации и их творческой самореализации выше. Основные результаты исследования заключаются в следующем:

1. Данная работа является обобщением педагогической деятельности в сельской профильной школе, которая способствовала созданию единой образовательной среды, включающей интеграцию физико-математического и индустриально-технологического профилей, организацию форм взаимодействия различных образовательных структур (сельских школ, домов детского творчества, заочных школ и лицеев,...), направленных на формирование у учащихся политехнических знаний и развитие экспериментальной и исследовательской деятельности в процессе изучения физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники.

2. Создан учебно-методический комплекс, включающий новые экспериментальные образовательные программы по микроэлектронике с элементами наноэлектроники для физико-математического, индустриально-технологического классов средней школы и объединения по интересам «Радиотехническое» дополнительного образования подростков. К содержанию программ приложена методика изучения отдельных тем, необходимых для формирования ключевых компетенций в данной области знания.

3. Разработано и изготовлено в ходе проектной деятельности учащихся демонстрационное экспериментальное оборудование в виде моделей по микроэлектронике, содержащих элементы наноэлектроники с соответствующим методическим и техническим описанием его применения в образовательном процессе:

- модель транзисторного радиоприемника;

- модель усилителя мощности низкой частоты с интегральной схемой;

- макроскопическая модель элементов микросхемы.

4. Поставлен новый физический эксперимент по микроэлектронике и элементам наноэлектроники на спроектированных лабораторных установках:

- изучение микросхемы на модели усилителя мощности низкой частоты с интегральной схемой;

- определение параметров биполярного транзистора малой мощности;

- определение параметров униполярного транзистора малой мощности;

- изучение эволюции дискретных электронных компонентов электрической цепи и конструкций на их основе;

- снятие вольт-амперной характеристики полупроводникового плоскостного диода и определение дифференциального сопротивления р-п-перехода.

К работам приложено методическое описание.

5. Осуществлена экспериментальная апробация эффективности применения разработанного учебно-методического комплекса по изучению физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники с целью формирования ключевых компетенций учащихся по физике. Получена положительная динамика результатов педагогического эксперимента. Подтверждена правильность гипотезы и избранной логики исследования, эффективность и практическая значимость разработанной методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в школьном профильном курсе физики.

Новизна содержания диссертационного исследования и результаты педагогического эксперимента подтверждены соответствующими актами о внедрении материала в учебный процесс муниципального общеобразовательного учреждения «Тумская средняя общеобразовательная школа №46» Клепиковского муниципального района Рязанской области, учреждения дополнительного образования школьников «Тумский Дом детского творчества». Представлены два акта о внедрении четырех лабораторных работ в учебный процесс специального физического практикума, лабораторий квантовой электроники и общего практикума кафедры общей и теоретической физики и методики преподавания физики Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина. Все предложенные документы содержат положительные отзывы о результатах экспериментальной апробации содержания диссертационной работы.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях общим объемом 2,4 п.л. (авторских 2,2 пл.):

1. Официн С.И. Демонстрационная модель транзисторного радиоприемника // Физика в школе. 1995. №3. С. 64-65 (0,18 п.л.).

2. Официн С.И. Роль радиолюбительства в формировании знаний о микроэлектронике // Физика в школе. 2008. №3. С.60-62 (0,27 пл.).

3. Официн С.И., Орлов С.Н. Модель усилителя мощности на интегральной схеме // Физика в школе. 2008. №4. С. 54-56 (0,22 пл., авторских 50%).

4. Официн С.И. Проблемы методики преподавания современной микроэлектроники в курсе физики средней школы // Сб. материалов научно-практической конференции «Информационно-коммуникационные техно-

логии в подготовке учителя технологии и учителя физики». В 2-х ч. 4.2. -Коломна: КГПИ, 2007. С. 75-76 (0,13 пл.).

5. Официн С.И. Изучение экспериментальной образовательной программы по микро- и наноэлектронике в профильных классах средней школы // Труды Международной научно-методической конференции, посвященной 105-летию со дня рождения A.B. Перышкина «Единство традиций и инноваций в системе непрерывного естественно-математического образования». - Рязань: РГУ, 2007. С. 184-187 (0,20 пл.).

6. Официн С.И. Микроэлектроника в дополнительном образовании -компонент комплексной образовательной системы // Материалы Российской научно-методической конференции «Управление качеством образования в системе учреждений дополнительного образования детей и подростков». - Рязань: РГУ, 2007. С. 234-238 (0,24 пл.).

7. Официн С.И. Методика изучения теории собственной электрической проводимости полупроводников в микро- и наноэлектронике школьного курса физики // Аспирантский Вестник Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина. 2008. №11. С.48-52 (0,36 пл.).

8. Официн С.И. Формирование ключевых компетенций в процессе изучения физики и технологии поверхности в микро- и наноэлектронике // Сб. материалов научно-практической конференции «Информационно- коммуникационные технологии в подготовке учителя технологии и учителя физики». В 3-х ч. 4.2. - Коломна: КГПИ, 2008. С. 62-64 (0,18 пл.).

9. Официн С.И., Орлов С.Н. Методика постановки демонстраций по объяснению эволюции дискретных электронных компонентов электрической цепи и конструкций на их основе // Сб. материалов научно-практической конференции «Информационно-коммуникационные технологии в подготовке учителя технологии и учителя физики». В 3-х ч. 4.2. — Коломна: КГПИ,

2008. С. 64-66 (0,18 пл., авторских 50%).

10. Официн С.И. Формирование предметных компетенций у учащихся профильной школы в процессе воспитания и развития через дополнительное образование и проектную форму обучения физике И Материалы Международной научно-практической конференции «Пути повышения качества воспитательной работы в образовательных учреждениях». - Рязань: РГУ,

2009. С. 299-300 (0,10 пл.).

11. Официн С.И. Формирование предметных и профессиональных компетенций у старшеклассников и студентов в процессе лабораторного физического эксперимента // Программа и материалы четырнадцатой Всероссийской научно-практической конференции «Учебный физический эксперимент. Актуальные проблемы. Современные решения». - Глазов: ГГПИ, 2009. С. 23-24 (0,04 пл.).

12. Официн С.И. Методика изучения теории электрической проводимости полупроводников на основе зонных представлений по микро- и наноэлектронике школьного профильного курса физики // Аспирантский Вестник Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина. 2009. №12. С. 64-68 (0,31 пл.).

Подписано в печать 05.10.09. Бумага офсетная. Формат 60x84'/if,. Гарнитура Times New Roman. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,9. Тираж 100 экз. Заказ №312

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет имени СЛ. Есенина» 390000, г. Рязань, ул. Свободы, 46

Редакционно-издательский центр РГУ имени С.А. Есенина 390023, г. Рязань, ул. Урицкого, 22

Содержание диссертации автор научной статьи: кандидата педагогических наук, Официн, Сергей Иванович, 2009 год

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 по педагогике, на тему "Методика преподавания микро- и наноэлектроники в курсе физики профильных классов"

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 научная статья по теме "Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)"

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 диссертации автор научной работы: кандидата педагогических наук, Официн, Сергей Иванович, Рязань

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.