Формирование у студентов готовности к освоению и использованию современных физических методов диагностики микро- и наноструктур

Шушарина, Наталья Николаевна

Темы диссертаций по педагогике » Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)

автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Формирование у студентов готовности к освоению и использованию современных физических методов диагностики микро- и наноструктур

Автореферат

Автор научной работы: Шушарина, Наталья Николаевна
Ученая степень: кандидата педагогических наук
Место защиты: Санкт-Петербург
Год защиты: 2013
Специальность ВАК РФ: 13.00.02

Диссертация

Автореферат диссертации по теме "Формирование у студентов готовности к освоению и использованию современных физических методов диагностики микро- и наноструктур"

005050795

На правах рукописи

УДК 53:372.8

Шушарина Наталья Николаевна

ФОРМИРОВАНИЕ У СТУДЕНТОВ ГОТОВНОСТИ К ОСВОЕНИЮ И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СОВРЕМЕННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР

Специальность: 13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания (физика, уровень профессионального образования)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Санкт-Петербург 2013 г.

2 1 МАР 2013

005050795

Работа выполнена на кафедре методики обучения физике федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена»

Научный руководитель

доктор педагогических наук, доцент Хинич Иосиф Исаакович

профессор кафедры физической электроники Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Кожевников Николай Михайлович

профессор кафедры экспериментальной физики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский

государственный политехнический университет»

доктор педагогических наук, доцент Горбунова Ирина Борисовна

профессор кафедры информатизации образования Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет»

Защита состоится « » г. в 15 часов на заседании

диссертационного совета Д212.199.21, созданного на базе Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена», по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 48, корпус 3, ауд. 52.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена, 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, 48, корпус 5.

Автореферат разослан « С/г 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, доцент Н.И. Анисимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одной из основных тенденций развития современного общества является обновление его технологической платформы, где ключевую роль играет развитие нанотехнологий. Необходимым условием реализации последних является наличие методов диагностики функциональных материалов и структур. Это должно найти отражение в содержании подготовки на физических и физико-технических факультетах университетов.

Формирование у студентов готовности к освоению и практическому использованию современных физических методов диагностики микро- и наноструктур отвечает не только потребностям современной социокультурной ситуации, но и решению проблем самого физического образования в их основных аспектах. В мотивационном аспекте деятельное освоение студентами современных методов диагностики способствует актуализации учебного материала в части изучаемых физических эффектов, которые лежат в их основе. В содержательном аспекте особое значение имеют открывающиеся возможности расширения спектра изучаемых физических эффектов и интеграции физических знаний. В деятельностном аспекте особенно важно формирование у студентов умений практического использования современных физических методов диагностики.

Проведенный на констатирующем этапе педагогического эксперимента анализ учебных программ, учебников, учебных пособий, организации процесса обучения физике в рассматриваемом аспекте выявил ряд противоречий, к основным из которых относятся следующие:

1. Противоречие между необходимостью формирования знаний о физике и инструментарии современных методов диагностики микро- и наноструктур на уровне, отвечающем потребностям развития наукоемких технологий, и ограниченностью содержания обучения краткими сведениями о них.

2. Противоречие между необходимостью проблемно-ориентированного, дея-тельностного освоения аналитических возможностей современных физических методов и преимущественно информационным характером обучения в этой области.

3. Противоречие между необходимостью приобретения обучающимися умений практического применения экспериментальных методов диагностики в физическом образовании и неоправданно сильным отставанием его инструментального обеспечения от современного уровня развития науки и техники.

4. Противоречие между необходимостью приобретения обучающимися опыта целостного решения актуальных для науки задач и фрагментарностью их исследовательской деятельности в этом направлении.

/ \

гностики микро- и наноструктур, и указывают на необходимость решения проблемы разработки научно-методического обеспечения подготовки студентов в данной области.

Объект исследования: процесс обучения при подготовке профессиональных кадров в области нанофизики и наноматериалов.

Предмет исследования: содержание и организация обучения физике, направленного на формирование у студентов готовности к освоению и практическому использованию современных методов диагностики микро- и наноструктур.

Цель исследования: обоснование, разработка и реализация методики формирования у студентов готовности к освоению и практическому использованию современных методов диагностики микро- и наноструктур.

Гипотеза исследования - уровень готовности студентов к освоению и практическому использованию современных методов диагностики микро- и наноструктур будет более высоким, если:

— изучение студентами аналитических возможностей методов диагностики, отвечающих проблеме исследования, будет осуществляться посредством решения циклов специально подобранных задач;

- умения практического использования современных методов диагностики микро- и наноструктур будут приобретаться в процессе выполнения проблемно-ориентированного специального физического практикума;

— опыт эффективного применения методов диагностики будет осваиваться в рамках проектно-исследовательского обучения.

Исходя из цели и гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи.

1. Проанализировать состояние теории и практики физического образования в части формирования у студентов готовности к освоению и практическому использованию современных физических методов диагностики микро-и наноструктур.

2. Разработать положения, которые могут быть положены в основу разрабатываемой методики.

3. Разработать методику обучения, обеспечивающую деятельностное освоение студентами аналитических возможностей и умений практического использования современных физических методов диагностики микро- и наноструктур.

4. Создать разработки, обеспечивающие реализацию предлагаемой методики.

5. Проверить эффективность разработанной методики в педагогическом эксперименте.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:

- теоретический анализ проблемы на основе изучения физической, психолого-педагогической и методической литературы;

- анализ содержания и организации подготовки студентов в области диагностики микро- и наноструктур;

- проведение педагогического эксперимента с целью определения эффективности разработанной методики.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов исследования

обеспечиваются:

- опорой на современные научные достижения в области изучения и использования методов диагностики микро- и наноструктур, результаты психолого-педагогических и методических исследований;

- использованием различных методов, адекватных поставленным задачам;

- рациональным выбором критериев оценки эффективности разработанной методики формирования готовности к освоению и практическому использованию современных физических методов диагностики микро- и наноструктур;

- широтой апробации разработанной методики на факультетах физики вузов;

- положительными результатами проведенного педагогического эксперимента.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем. В отличие от принятого при обучении физике преимущественно информационного подхода к изучению современных физических методов диагностики микро- и наноструктур, в настоящей работе разработана и обоснована методика деятель-ностной подготовки студентов к освоению таких методов и их практическому использованию.

Обоснован и реализован методический подход к освоению знаний об аналитических возможностях современных физических методов, основанный на решении циклов проблемно-ориентированных задач.

Развит и реализован подход к построению специального физического практикума, направленного на формирование умений практического использования современных физических методов диагностики микро- и наноструктур и отвечающий по своей логико-операциональной структуре реальному научному поиску. Отличительной особенностью этого подхода является проблемная детерминация процесса освоения изучаемых методов.

Обоснована целесообразность в рассматриваемом аспекте выполнения студентами исследовательских проектов, направленных на решение актуальных физико-технических задач с использованием современных методов экспериментальных исследований. Отличительной особенностью предлагаемого подхода в этом аспекте является его целостность применительно к формированию у обучающихся опыта продуктивной практико-ориентированной деятельности в области нанофизики и нанотехнологий.

Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

- раскрытии дидактического значения формирования у студентов готовности к освоению и практическому использованию современных физических методов диагностики микро- и наноструктур;

- обосновании целесообразности проблемно-ориентированного подхода к освоению студентами знаний об аналитических возможностях и умений практического использования современных методов диагностики микро- и наноструктур;

- определении принципов отбора учебного материала и организации учебного процесса, направленного на формирование у студентов готовности к освоению и практическому использованию современных физических методов диагностики микро- и наноструктур;

- построении модели структуры специального физического практикума, направленного на освоение умений практического использования современных методов диагностики микро- и наноструктур.

Практическое значение работы состоит в следующем. Результаты исследования доведены до уровня конкретных разработок и рекомендаций, которые могут быть использованы и используются в физическом образовании в вузах.

Развитые в работе методические подходы к предметному освоению умений практического использования современных методов диагностики использованы при составлении и реализации рабочих программ и учебно-методических комплексов по специальностям «Нанотехнологии и наноматери-алы», «Медицинская физика», «Физика конденсированного состояния», «Физическая электроника» на факультетах физики ряда классических, технических и педагогических университетов, в том числе в вузах, участвовавших в педагогическом эксперименте.

На защиту выносятся следующие положения

1. Необходимость гармонизации содержания образования с приоритетными направлениями развития науки и техники делает целесообразным, а разработанные в диссертации положения и основанные на них методики и методические разработки - возможным формирование у студентов готовности к освоению и практическому использованию современных физических методов диагностики микро- и наноструктур.

2. Эффективным для формирования знаний об аналитических возможностях современных методов диагностики является задачный подход, предполагающий решение проблемно-ориентированных циклов задач, результаты которого позволяют осуществлять обоснованный выбор метода и определять необходимые условия эксперимента.

3. Действенным средством формирования умений практического применения современных методов исследования является специальный физический практикум, состоящий из этапов формулирования проблемы исследования, разработки конкретного подхода к ее решению, выполнения экспериментальных и теоретических исследований и основанный на использовании методов экспериментальной и компьютерной физики.

в обучении в форме проектно-исследовательской деятельности, направленной на решение актуальных физико- технических проблем и обеспечивающей взаимосвязь эксперимента, теории и практики.

Апробация результатов исследования

Основные положения и результаты работы докладывались на Международных конференциях: НТК «Наука и образование - 2007» (Мурманск, 2007 г.); «Физика в системе инженерного образования стран ЕврАзЭС» (Москва, 2007 г.); Академических чтениях МАН ВШ «Интеграция фундаментальной и целевой практико-ориентированной подготовки специалистов в высших учебных заведениях» (Калининград, 2009 г.); «Современные методы физико-математических наук» (Орел, 2006 г.); «Современное образование: содержание, технологии, качество» (Санкт-Петербург, 2011г.); IX конференции «Морская индустрия, транспорт и логистика в странах региона Балтийского моря, новые вызовы и ответы» (Калининград, 2011 г.); Межвузовских научно-практических конференциях (Калининград, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.).

Результаты диссертационного исследования докладывались на семинарах кафедры прикладной физики, кафедры теоретической физики и кафедры психологии и педагогики Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта, кафедры методики обучения физике Российского государственного педагогического университета имени А.И. Герцена.

Структура и объем диссертации. Общий объем работы составляет 152 страницы. Она включает в себя введение, три главы, заключение, библиографию из 127 наименований и содержит 28 рисунков, 19 таблиц и 9 формул.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе «Психолого-педагогические и научно-методические основы формирования у студентов готовности к освоению и практическому использованию современных методов исследования» осуществляется постановка проблемы и с указанных позиций обосновывается целесообразность ее решения.

На основе проведенного анализа показано, что современные методы физического эксперимента играют ведущую роль в системе диагностики микро- и наноструктур. Определены основные задачи диагностики применительно к контролю функциональных материалов, приборных структур и технологических процессов их получения. Эффективность использования физических методов в диагностике показана на примерах применения методов электронной Оже-спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

Обосновано важное значение освоения обучающимися современных методов диагностики микро- и наноструктур в аспекте формирования профессиональных компетентностей, личностных качеств будущего специалиста, повы-

шения качества и эффективности физического образования во всем спектре их основных параметров.

В качестве основных аспектов, требуемых для овладения обучающимися, выделены следующие:

• аналитические возможности изучаемых методов;

• умения практического их использования;

• реализованный опыт их применения для решения актуальных в данной области физико-технических проблем.

Осуществлен анализ состояния рассматриваемого вопроса в теории и практике обучения физике, обсуждаются основные результаты имеющихся в данном направлении публикаций и диссертационных исследований. На основе проведенного анализа выявлены присущие физическому образованию в рассматриваемом аспекте основные противоречия и проблема исследования (см. раздел «Актуальность»).

Во второй главе «Методика формирования у студентов готовности к освоению и практическому использованию современных физических методов диагностики микро- и наноструктур» формулируются концептуальные положения, составляющие основу решения проблемы исследования, осуществляется и обосновывается выбор предметного содержания обучения, подходы к организации его освоения, представляется разработанная методика и обеспечивающие ее реализацию методические разработки.

Следуя методологии реальной научно-технической деятельности в области нанофизики и нанотехнологий, выделены следующие компоненты готовности студентов к освоению и практическому использованию современных методов диагностики микро- и наноструктур:

• мотивационный, характеризующийся пониманием значимости изучения современных методов исследования, заинтересованностью, удовлетворенностью от их изучения и собственной исследовательской деятельности;

• ориентационный, заключающийся в готовности выявлять физическую сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-математический аппарат, аргументировано выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования наноматериалов и компонентов наносистемной техники;

• деятельностный, определяющийся готовностью к работе на современном технологическом оборудовании, используемом в диагностике для решения различных научно-технических, технологических и производственных задач в области нанотехнологий; готовностью к использованию базового контрольно-измерительного оборудования для метрологического обеспечения исследований и промышленного производства наноматериалов, компонентов наноэлектроники и наносистемной техники;

• рефлексивный, предполагающий адекватную самооценку, способность анализировать собственную исследовательскую деятельность.

На основе проведенного с дидактических и методологических позиций анализа в качестве основных умений, которые необходимо формировать у студентов в плане подготовки к самостоятельному решению проблем экспериментальных физических исследований микро- и наноструктур, определены следующие: обоснованного целеполагания, формулирования отвечающих ему задач исследования; нахождения нужной информации, ее творческой переработки; критического оценивания существующих подходов и способов решения поставленной задачи (аналогичных задач); теоретически обоснованного выбора и разработки метода (методики) решения; планирования целенаправленной деятельности; реализации запланированной программы действий; анализа полученных результатов; соотнесения полученных результатов с имеющимися знаниями об изучаемом объекте (классе объектов); соотнесения приобретаемых знаний с запросами науки и практики; постановки новых, значимых для науки и практики задач, критически - рефлексивного анализа полученных результатов и процесса их получения.

В качестве основных принципов, которые должны быть положены в основу подготовки студентов к самостоятельной исследовательской деятельности с использованием физического эксперимента, выступают: принцип поисково-познавательной направленности обучения - ориентации экспериментальной деятельности обучающихся на получение новых (во всяком случае, для студентов) знаний; принцип проблемности обучения - проблемной детерминации содержания обучения и процесса его развертывания; принцип системности в обучении - представленности в учебном процессе всех компонентов экспериментального и теоретического исследования в их структурно-функциональной связи соответственно методологии реального научного поиска; принцип диалогич-ности в обучении.

В соответствии со сформулированными принципами основными методическими подходами к формированию у студентов готовности к самостоятельному решению проблем экспериментальных физических исследований микро-и наноструктур выступают следующие подходы: проблемный подход, предполагающий включение в обучение экспериментальной физике заданий проблемного характера, требующих использования нестандартных (новых для обучающихся) методов решения; системно-деятельностный подход, предполагающий методологическую направленность содержания обучения, приобретение обучающимися обобщенных исследовательских умений, системное освоение ими организации деятельности при проведении экспериментальных физических исследований, деятельностный характер освоения обучающимися знаний, методов их получения и возможностей практического использования, единство (целостность) учебной, исследовательской и проектной деятельности; практико-ориентированный исследовательский подход, предполагающий приобретение студентами умений самостоятельной постановки и решения исследовательских задач прикладного характера, анализа результатов решения в зависимости от направления корректировки постановки задачи.

В качестве основных критериев отбора предметного содержания обучения выделены: высокий уровень научной и практической значимости; лич-ностно-смысловое значение для обучающихся; широкий спектр и системность задач экспериментальных физических исследований; органичная связь предметного материала в его содержательном и процессуальном аспектах с фундаментальными физическими знаниями; востребованность нестандартных, выходящих за рамки учебных программ, подходов к решению; незавершенность, востребованность экспериментальных исследований; состояние развития; соответствие направлениям научных исследований, проводимых в вузе; возможность результативного освоения средствами физического эксперимента в условиях обучения.

Основными требованиями к организации учебного процесса выступает построение деятельности обучающихся в соответствии с логико-операциональной структурой решения физико-технических проблем и ее продуктивность.

Освоение аналитических возможностей современных методов диагностики микро- и наноструктур в развиваемой методике предлагается основывать на за-дачном подходе, предполагающем решение циклов проблемно-ориентированных задач, решение которых в их совокупности способствует формированию у студентов умений выбора необходимого для диагностики метода эксперимента, его режима и условий.

В качестве примера приведем содержание цикла задач, относящихся к использованию метода электронной Оже-спектроскопии. В этот цикл входят задачи, направленные на определение:

• вероятности возникновения Оже-процесса в атомах разных элементов;

• энергий Оже-электронов;

• количественного состава вещества;

• концентрации и глубины выхода Оже-электронов;

• скорости распыления материала при его послойном анализе посредством

ионной бомбардировки.

Как видно, решение этих задач в совокупности и заданной последовательности на основе имеющихся у студентов знаний позволяют приобрести необходимые знания об аналитических возможностях метода электронной Оже-спектроскопии, который в дальнейшем они будут реализовывать.

Компонентом методики, необходимым для формирования у студентов умений практического использования современных физических методов диагностики, выступает специальный физический практикум. В работе представлена следующая структурная модель организации такого практикума.

Этап 1. Формулировка и обоснование решаемой проблемы.

Этап 2. Обоснование целесообразности использования определенного метода.

Этап 3. Приобретение умений работы на современном оборудовании, позволяющем реализовать выбранный метод.

Этап 4. Выполнение экспериментальных исследований с использованием предлагаемого и дополнительных к нему методов исследования.

Этап 5. Анализ и обработка полученных результатов. На этом этапе предполагается активное использование студентами специального программного обеспечения обработки полученной информации и количественного определения необходимых параметров.

Этап 6. Соотнесение полученных знаний с запросами науки и практики.

Приведем пример выполнения заданий специального физического практикума в модуле «Электронная Оже- спектроскопия» по разработанной методике студентами 5 курса физико-технического факультета Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта в данной последовательности.

На первом этапе формулируется проблема: определить возможность использования многослойных структур Si/Si02//Fe/Si02/Co и Si/Si02//Fe/Si02/Ni в качестве функциональных элементов логических и запоминающих устройств спинтроники.

На втором этапе студенты определяют необходимые режимы и условия предстоящего эксперимента на основе решения проблемно-ориентированных задач, содержание которых конкретизировано применительно к решаемой проблеме. Приведем условия этих задач.

Задача 1. Оцените глубину стравливаемого слоя для материала Ni 0 = 8.91 г/см3) при бомбардировке образца в течение 45 с ионами аргона (Ео~ 1 кэВ) при следующих параметрах ионного пучка: 7=5 мкА, D = 1 мм. Коэффициент распыления никеля равен 0.63.

Задача 2. Оцените глубину стравливаемого слоя для материала Со (р = 8.90 г/см ) при бомбардировке образца в течение 45 с ионами аргона (Е0 = 1 кэВ) при следующих параметрах ионного пучка: 1=5 мкА, D = 1 мм. Коэффициент распыления кобальта равен 0.57.

Задача 3. Рассчитайте скорость распыления железа (р = 0.51 г/см3) ионами аргона, если ионный ток равен 3 мкА, а диаметр ионного пучка 2 мм. Коэффициент распыления железа равен 0.51.

Решение этих задач, как видно, позволяет студентам определять режимы и условия предстоящего эксперимента.

На третьем этапе используется специально разработанная, ориентированная на имеющуюся приборную базу (Оже-микроанализатор JAMP 9500F) ви-деообучающая система (ВОС), позволяющая моделировать основные действия в процессе реального эксперимента. Основные функции ВОС: автоматизация проведения эксперимента; формирование практических умений для работы с прецизионной физической аппаратурой; оптимизация параметров экспериментальной установки, выбор режимов ее работы, предварительная оценка ожидаемых эффектов.

На четвертом и пятом этапах студенты получают спектры и анализируют их на предмет определения элементного состава приповерхностной области об-

разца, толщины пленки металла на диэлектрической подложке, концентрационных профилей элементов.

Наконец, на последнем этапе делается вывод о пригодности использования данных наноструктур и формулируются практические рекомендации по модификации технологического процесса их создания для получения необходимых для спинтроники функциональных свойств.

Таким образом, реализация предлагаемой структуры специального физического практикума обеспечивает возможности формирования у студентов умений практического использования современных методов диагностики микро- и наноструктур.

Целостное освоение и практический опыт применения методов микро- и нанодиагностики наиболее полно реализуются в процессе проектно-исследовательского обучения, осуществляемого в следующие этапы: постановочный, информационно-аналитический, поисково-исследовательский и опытно-конструкторский. На первом этапе раскрывается физический аспект содержания проблемы; на втором определяются перспективные направления поиска ее решения; на третьем устанавливаются физические закономерности и механизмы формирования функциональных свойств проектируемого устройства; на завершающем этапе научно - обоснованное решение получает свое материальное воплощение.

Реализация разработанного подхода рассмотрена на примере выполнения проекта по теме: «Создание контактных систем для приборов высокотемпературной электроники». В результате использования обоснованно выбранного студентами метода электронной Оже-спектроскопии для анализа строения изучаемых наноструктур на основе карбида кремния, а также измерений их электрических свойств студенты устанавливают, что устойчивый для эксплуатации при температурах более 400°С омический контакт к может быть сформирован на основе N1 при отжиге в вакууме ~ 10"4 Па при температуре 1000°С в течение 2-3 минут. В образцах карбида кремния п-типа с концентрацией некомпенсированных доноров (Л^ - Ау ~ 1018 см"3, удельное контактное сопротивление находится в пределах 10"3 - 10"4 Ом-см2, что обеспечивает возможность использования никеля в качестве высокотемпературного невыпрямляющего контакта в приборах на основе БЮ.

В третьей главе «Экспериментальная проверка эффективности методики формирования у студентов готовности к освоению и практическому использованию современных физических методов диагностики микро- и наноструктур» представлены результаты педагогического эксперимента, проведенного в Балтийском федеральном университете имени Иммануила Канта, Балтийской государственной академии, Благовещенском государственном педагогическом университете, Петрозаводском государственном университете, Псковском педагогическом университете.

Педагогический эксперимент включал в себя четыре этапа: констатирующий, поисковый, формирующий и контрольный. В качестве критериев эффек-

тивности в нем выступают уровни готовности студентов к освоению и практическому использованию современных физических методов диагностики микро-и наноструктур в выделенных в главе 2 компонентах готовности. В последних принята следующая градация уровней. Мотивационный:

• высокий уровень готовности характеризуется наличием стремления и способностей к выявлению проблем и освоению современных физических методов диагностики микро- и наноструктур;

• средний уровень готовности характеризуется личностной заинтересованностью в получении информации о состоянии методической базы диагностики и готовности к ее использованию;

• низкий уровень готовности характеризуется отсутствием устойчивого интереса к изучаемой проблематике.

Ориентационный:

• высокий уровень готовности характеризуется наличием способностей к выявлению аналитических возможностей современных методов физических исследований применительно к диагностике микро- и наноструктур и способностей к реализации этих возможностей для решения актуальных проблем;

• средний уровень готовности характеризуется наличием понимания выбора метода диагностики и способностями к его практической реализации в соответствии с предписанными режимами и условиями эксперимента;

• низкий уровень готовности характеризуется отсутствием необходимых умений выбора, обоснования и реализации метода диагностики. Деятельностный:

• высокий уровень готовности характеризуется способностью самостоятельно выбрать, обосновать и реализовать метод диагностики;

• средний уровень готовности характеризуется способностью к реализации предлагаемого (известного) метода диагностики;

• низкий уровень готовности характеризуется отсутствием познавательной активности и самостоятельности.

Рефлексивный:

• высокий уровень готовности характеризуется способностью к критически рефлексивному, продуктивному анализу результатов деятельности и процесса их достижения;

• средний уровень готовности характеризуется наличием способности к выявлению положительных сторон используемого метода диагностики и недостаточным стремлением к выявлению его недостатков;

• низкий уровень готовности характеризуется отсутствием адекватной оценки результатов деятельности и процесса их достижения.

В таблице 1 представлены результаты оценки эффективности использования разработанной методики по определенным критериям.

Таблица 1

Уровни готовности студентов к выбору и практическому применению современных физических методов

Уровни готовности Критерии оценки эффективности

Мотивационный компонент Ориентационный компонент Деятельностный компонент Рефлексивный компонент

Относительное количество студентов в %

Экспериментальные группы Контрольные группы Экспериментальные группы Контрольные группы Экспериментальные группы Контрольные группы Экспериментальные группы Контрольные группы

Низкий 15 40 20 50 30 45 20 45

Средний 35 30 35 25 30 30 35 25

Высокий 50 30 45 25 40 25 45 30

Как видно из полученных результатов, студенты экспериментальных групп, в обучении которых использовалась разработанная методика, обнаруживают существенно более высокий уровень готовности по всем критериям, чем студенты контрольных групп, обучавшиеся по стандартной методике. Тот факт, что это обусловлено применением разработанной методики, подтверждается посредством метода проверки статистических гипотез, реализуемого сравнением полученного значения статистики медианного критерия с критическим значением.

Таким образом, результаты педагогического эксперимента подтверждают выдвинутую в диссертационном исследовании гипотезу и свидетельствуют о том, что использование разработанной методики обучения физике педагогически целесообразно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и общие выводы работы состоят в следующем:

1. Обоснована целесообразность формирования у студентов готовности к освоению и использованию современных физических методов диагностики микро- и наноструктур. Раскрыты дидактическое значение освоения студентами умений выбора и разработки экспериментальных методик, его роль как важного фактора, определяющего качество и эффективность физического образования.

2. Сформулированы концептуальные положения, определяющие компоненты формируемой готовности, принципы и подходы к ее формированию, критерии отбора предметного материала, требования к организации учебного процесса.

3. Показано и обосновано, что освоение аналитических возможностей современных методов диагностики может эффективно осуществляться посредством решения обучающимися циклов проблемно-ориентированных задач.

4. Показано и обосновано, что эффективным средством формирования у обучающихся умений практического использования современных физических методов диагностики микро- и наноструктур является специальный физический практикум, построенный в соответствии с предложенной для его организации моделью и осуществляемый с использованием предложенных технических средств.

5. Обосновано, что для формирования у студентов реализованного опыта деятельности в области научных основ и методов диагностики микро- и наноструктур необходима интеграция науки и образования, реализуемая в обучении в форме проектно - исследовательской деятельности, направленной на решение актуальных физико - технических проблем.

6. Созданы методические разработки, обеспечивающие реализацию развитых методических подходов к освоению студентами знаний об аналитических возможностях современных физических методов диагностики микро- и наноструктур, умений их практического использования и формирования у них опыта целостной научно-технической деятельности в рассматриваемой области.

7. В результате педагогического эксперимента доказана эффективность развитой методики формирования у студентов готовности к освоению и использованию современных физических методов диагностики.

Основные положения диссертационного исследования отражены в следующих публикациях:

1. Шушарина H.H., Корнев К.П. Системный подход в процессе формирования исследовательских навыков студентов // Вестник Российского государственного университета им. И. Канта: Серия Педагогические и психологические науки. № 11. - 2008, С. 66-70. (0,25 п.л./0,17 п.л.)

2. Шушарина H.H., Корнев К.П., Корнева И.П. Физический практикум как средство формирования информационно-аналитической деятельности студентов в области нанотехнологий // Известия Балтийской государственной академии рыбопромыслового флота. №2/16. - 2011, С 93-98. (0,312 п.л./0,2 п.л.)

3. Шушарина H.H. Специальный физический практикум, направленный на формирование умений использования современных методов диагностики микро- и наноструктур // Письма в Эмиссия. Оффлайн (The Emissia. Offline Letters): (электронный журнал). - Апрель 2012, ART 1777.- СПб., 2012 - URL: http://ww.emissia.org/oflline/2012/1777.htm -Гос. per. 0421200031. ISSN 1997-8588. - Объем 0.5 п.л. [дата обращения 19.05.2012]

4. Шушарина H.H. Интеграция учебно-познавательной, исследовательской и проектной деятельности в процессе освоения студентами современных методов диагностики микро- и наноструктур // Письма в Эмиссия. Оффлайн (The Emissia.Ofiline Letters): (электронный журнал). - Март 2012, ART 1766. - СПб., 2012 URL

http://www.emissia.org/offfine/2012/1766.htm - Гос. per. 0421200031. ISSN 1997-8588. - Объем 0.5 п.л. [дата обращения 19.05.2012]

5. Шушарина H.H., Корнев К.П. Компьютерные технологии в физическом практикуме // Материалы XIX межвузовской научно-практической конференции. Научно - методический сборник №19, часть 5, книга 2. - Калининград, 2006. С. 33-36. (0,188 п.л./0,1 п.л.)

6. Шушарина Н.Н, Корнев К.П. Использование компьютерных технологий в физическом практикуме при обработке результатов измерений с малой надежностью // Материалы IX ежегодной межвузовской научно-практической конференции. - Калининград, 2006. С. 109-112. (0,188 п.л./0,1 п.л.)

7. Шушарина H.H., Корнев К.П. Сочетание в обучении решения задач и лабораторного практикума // Материалы международной конференции «Современные методы физико-математических наук». - Орел, 2006. Т. 3. С. 281-284. (0,188 п.л./0,12 п.л.)

8. Шушарина Н.Н, Корнев К.П. Системный подход при использовании компьютеров в лабораторном практикуме // Материалы конференции «Калининград: прошлое, настоящее будущее - 2006: Физико-математические науки». - Калининград: Изд-во РГУ им. И. Канта. - 2006. С. 3. (0,063 п.л./0,04 п.л.)

9. Шушарина H.H., Корнев К.П. Применение программного обеспечения на лабораторных занятиях // Вестник РГУ им. Канта. №3,- 2007. С. 105-107. (0,125 п.л./0,08 п.л.)

Ю.Шушарина H.H., Корнев К.П., Корнева И.П. Самостоятельная постановка студентами задач на исследование // Материалы X ежегодной межвузовской научно-практической конференции. - Калининград: Балтийский военно-морской институт им. адмирала Ф.Ф.Ушакова. - 2007. С. 213. (0,063 п.л./0,04 п.л.)

11 .Шушарина Н.Н, Корнев К.П. Повышение уровня самостоятельности студентов // Материалы международной научно-методической школы-семинара «Физика в системе инженерного образования стран ЕврАзЭС». - М.: МАИ. -2007. С. 85-87. (0,125 п.л./0,08 пл.)

12.Шушарина H.H., Корнев К.П. Повышение исследовательской активности студентов путем сочетания в обучении решения задач и лабораторного практикума // Альманах современной науки и образования. - Тамбов: «Грамота». № 1(8).-2008. С. 97-100. (0,188 п.л./0,12 п.л.)

13.Шушарина H.H., Корнев К.П. Организация лабораторного практикума в рамках исследовательско-ориентированного подхода // Материалы XV Международной научно-практической конференции Академических чтений МАН ВШ «Интеграция фундаментальной и целевой практико-ориентированной подготовки специалистов в высших учебных заведениях». - Калининград, 2009. С. 135-138. (0,188 п.л./0,12 п.л.)

14. Шушарина H.H., Корнев К.П. Физический практикум как средство развития навыков моделирования // Материалы 10ой межвузовской НТК аспирантов,

соискателей и докторантов «Научно-технические разработки в решении проблем РФ и подготовки кадров». - Калининград, 2010. С. 89-93 (0,25 п.л./0,15 п.л.)

15. Шушарина H.H., Корнев К.П. Физический практикум как средство развития умения моделировать // Материалы Международной научно-методической конференции «Современное образование: содержание, технологии, качество». - СПб.: ЛЭТИ, 2011. С. 83-85. (0,125 п.л./0,08 п.л.)

16. Шушарина H.H., Корнев К.П., Корнева И.П. Математические модели в физическом моделировании // Материалы IX Международной конференции «Морская индустрия, транспорт и логистика в странах региона Балтийского моря, новые вызовы и ответы». - Калининград: Изд-во БГАРФ. - 2011. С. 289-292. (0,188 п.л./0,1 п.л.)

Подписано в печать 01.02.2013 г. формат 60x84 '/іб Бумага офсетная. Печать офсетная. Объём 1,06 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 24

Текст диссертации автор научной работы: кандидата педагогических наук, Шушарина, Наталья Николаевна, Санкт-Петербург

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ! УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ А. И. ГЕРЦЕНА»

На правах рукописи

Шушарина Наталья Николаевна ФОРМИРОВАНИЕ У СТУДЕНТОВ ГОТОВНОСТИ К ОСВОЕНИЮ И

ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СОВРЕМЕННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР

Специальность 13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания (физика, уровень профессионального образования)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Научный руководитель: д. п. н. Хинич И.И.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ-2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ...............................................................................2

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................4

ГЛАВА 1. ПСИХО ЛОГО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ И НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ У СТУДЕНТОВ ГОТОВНОСТИ К ОСВОЕНИЮ И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СОВРЕМЕННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР..........................................................................11

1.1. Физические методы анализа микро- и наноструктур в современной науке и технике.....................................................................................11

1.2. Роль и место современных методов исследования в образовании.................................................................................19

1.3. Состояние вопроса изучения современных методов исследования в теории и практике обучения физике....................................................33

1.4. Противоречия в реализации формирования у студентов готовности к освоению и использованию современных физических методов диагностики микро- и наноструктур..................................................................51

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ У СТУДЕНТОВ ГОТОВНОСТИ К ОСВОЕНИЮ И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СОВРЕМЕННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР.................54

2.1. Концептуальные основы формирования у студентов готовности к освоению и использованию современных физических методов диагностики микро- и наноструктур..................................................................................54

2.2. Задачный подход как средство изучения аналитических возможностей современных методов диагностики микро- и наноструктур...................66

2.3. Специальный физический практикум как средство освоения умений практического использования современных методов диагностики микро- и наноструктур..............................................................................75

2.4. Проектно-исследовательская деятельность как средство формирования умений практического использования современных физических методов диагностики микро- и наноструктур..................................................90

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДИКИ ФОРМИРОВАНИЯ У СТУДЕНТОВ ГОТОВНОСТИ К ОСВОЕНИЮ И ПРАКТИЧЕСКОМУ ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СОВРЕМЕННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР........................................................................101

3.1. Организация и проведение педагогического эксперимента...............101

3.2. Состояние проблемы в практике физического образования в вузах. Констатирующий этап педагогического эксперимента..........................109

3.3. Формирующий этап педагогического эксперимента........................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................134

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................139

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы

2. Противоречие между необходимостью проблемно-ориентированного, деятельностного освоения аналитических возможностей современных физических методов и преимущественно информационным характером обучения в этой области.

4. Противоречие между необходимостью приобретения обучающимися опыта целостного решения актуаных для науки задач и фрагментарностью их исследовательской деятельности в этом направлении.

Выявленные противоречия в своей совокупности свидетельствуют об отсутствии условий, необходимых для достижения требуемого уровня готовности студентов к освоению и использованию современных физических методов диагностики микро- и наноструктур, и указывают на необходимость решения проблемы разработки научно-методического обеспечения подготовки студентов в данной области.

Цель исследования: обоснование, разработка и реализация методики

формирования у студентов готовности к освоению и практическому

использованию современных методов диагностики микро- и наноструктур.

Гипотеза исследования - уровень готовности студентов к освоению и

практическому использованию современных методов диагностики микро- и

наноструктур будет более высоким, если:

- изучение студентами аналитических возможностей методов диагностики, отвечающих проблеме исследования, будет осуществляться посредством решения циклов специально подобранных задач;

- опыт эффективного применения методов диагностики будет осваиваться в рамках проектно-исследовательского обучения.

Исходя из цели и гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи.

2. Разработать положения, которые могут быть положены в основу разрабатываемой методики.

4. Создать разработки, обеспечивающие реализацию предлагаемой методики.

5. Проверить эффективность разработанной методики в педагогическом эксперименте.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:

- теоретический анализ проблемы на основе изучения физической,

психолого-педагогической и методической литературы;

- анализ содержания и организации подготовки студентов в области диагностики микро- и наноструктур;

- проведение педагогического эксперимента с целью определения эффективности разработанной методики.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов исследования обеспечиваются:

- использованием различных методов, адекватных поставленным задачам;

- широтой апробации разработанной методики на факультетах физики вузов;

- положительными результатами проведенного педагогического эксперимента.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем. В отличие от принятого при обучении физике преимущественно информационного подхода к изучению современных физических методов диагностики микро- и наноструктур, в настоящей работе разработана и обоснована методика деятельностной подготовки студентов к освоению таких методов и их практическому использованию.

Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

Развитые в работе методические подходы к предметному освоению умений практического использования современных методов диагностики использованы при составлении и реализации рабочих программ и учебно-методических комплексов по специальностям «Нанотехнологии и наноматериалы», «Медицинская физика», «Физика конденсированного состояния», «Физическая электроника» на факультетах физики ряда классических, технических и педагогических университетов, в том числе в вузах, участвовавших в педагогическом эксперименте.

На защиту выносятся следующие положения

использовании методов экспериментальной и компьютерной физики.

4. Для подготовки студентов в области научных основ и методов микро-и нанодиагностики, отвечающей требованиям высокотехнологичного общества, необходима интеграция науки и образования, которая может быть реализована в обучении в форме проектно-исследовательской деятельности, направленной на решение актуальных физико- технических проблем и обеспечивающей взаимосвязь эксперимента, теории и практики.

Апробация результатов исследования

Основные положения и результаты работы докладывались на Международных конференциях: НТК «Наука и образование - 2007» (Мурманск, 2007 г.); «Физика в системе инженерного образования стран ЕврАзЭС» (Москва, 2007 г.); Академических чтениях МАН ВШ «Интеграция фундаментальной и целевой практико-ориентированной подготовки специалистов в высших учебных заведениях» (Калининград, 2009 г.); «Современные методы физико-математических наук» (Орел, 2006 г.); «Современное образование: содержание, технологии, качество» (Санкт-Петербург, 2011 г.); IX конференции «Морская индустрия, транспорт и логистика в странах региона Балтийского моря, новые вызовы и ответы» (Калининград, 2011г.); Межвузовских научно-практических конференциях (Калининград, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.).

ГЛАВА 1. ПСИХОЛОГО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ И НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ У СТУДЕНТОВ ГОТОВНОСТИ К ОСВОЕНИЮ И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СОВРЕМЕННЫХ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР

1.1. Физические методы анализа микро- и наноструктур в современной науке и технике

Одним из ключевых направлений в социально- экономических приоритетах государства является развитие высокотехнологичных отраслей производства с высоким уровнем добавленной стоимости [114]. На современном этапе для лидеров мировой экономики таким направлением является «наноиндустрия» или индустрия наносистем — интегрированный комплекс, включающий: оборудование, материалы, программные средства, систему знаний; технологическую, метрологическую, информационную, организационно-экономическую культуру и кадровый потенциал, обеспечивающие производство наукоемкой продукции, основанной на использовании новых нетрадиционных свойств материалов и систем при переходе к наномасштабам [76]. Российская наноиндустрия нуждается в специалистах, способных выполнять сложные исследования на современном научно-технологическом оборудовании, а затем внедрять полученные результаты в производство. Так как именно от квалификации кадров зависят уровень проводимых междисциплинарных исследований и качество производственных решений в сфере наноиндустрии, то университетская подготовка высококвалифицированных