автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Изучение взаимосвязи строения и свойств твердого тела в курсе физики педагогических вузов

Автореферат диссертации по теме "Изучение взаимосвязи строения и свойств твердого тела в курсе физики педагогических вузов"

Р Г О О Л На правах рукописи

УДК 53 (077.72)

Урицкая Ирина Александровна

ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ ТВЕРДОГО ТЕЛА В КУРСЕ ФИЗИКИ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ

13.00.02 -теория и методика обучения физике

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена на кафедре методики обучения физи. Российского государственного педагогического университе ИМ.А.И. Герцена

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор С.Д. Ханш

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Л.Т. Тер-Мартиросян

Защита состоится "/¿7 " шок41997 года в 16 часов на заседали диссертационного совета К 113.05.03 по присуждению ученой степен кандидата наук в Российском государственном педагогическо университете им. А.И. Герцена по адресу: 191186, Санкг-Петербур наб.р.Мойки, д.48, корпус 3, ауд. 20.

С диссертацией можно познакомиться в фундаментальной библиотеь университета.

Автореферат разослан " 1997 года

кандидат педагогических наук, доцент С.А. Феофанов

Ведущая организация

Санкт-Петербургский государственный университет

Ученый секретарь диссертационного совета

(

Н.К. Михеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современная концепция теории обучения физике предполагает необходимость осуществления учебного процесса как реализации учебной модели научного исследования. Путь к этому лежит через разработку методики изучения конкретных вопросов, содержащих необходимый фактический материал для развития исследовательского подхода к обучению.

Одним из таких вопросов является взаимосвязь строения и свойств твердого тела - центральная проблема физического материаловедения. Изучение данного вопроса в рамках общего курса физики и специальных физических дисциплинах, связанных с изучением физики твердого тела, дает возможность развития у студентов исследовательского подхода на основе решения следующих взаимосвязанных, отвечающих логике науки и имеющих важное практическое значение задач:

- анализ строения и свойств изучаемого объекта;

- экспериментальное исследование и разработка моделей атомных и электронных процессов, определяющих изучаемые свойства;

- разработка физических методик диагностики твердого тела на основе установленных структурно-чувствительных свойств;

- поиск возможностей управления свойствами твердого тела посредством направленных изменений его состава и структуры.

Решение указанных задач и особенно разработка подходов к конструированию твердотельных материалов и приборных систем с заданными свойствами на основе результатов физических исследований открывает широкие возможности для развития творческих способностей студентов. Способность же к творчеству является компонентом профессиональной готовности будущего учителя, что обусловлено невозможностью алгоритмизации деятельности педагога.

Значение приобретения студентами навыков исследовательской деятельности, формирования творческого мышления особенно возрастает в связи с начавшейся в последние годы подготовкой в педагогических вузах, в частности, в РГПУ им.А.И.Герцена бакалавров и магистров физики со специализацией в 'области физики конденсированного состояния. Учитывая профессиональную значимость знаний о взаимосвязи

строения и свойств твердого тела, изучение данного вопроса выполняет при этом не только развивающую, но и обучающую функцию.

Содержание рассматриваемой проблемы позволяет ставить вопрос о создании методики ее изучения, направленной на развитие у студентов способности к теоретическому предсказанию характера протекания процессов в твердом теле и отвечающих им свойств, что может рассматриваться как высшая степень физического понимания.

Предметное осмысление студентами предсказательной функции физической теории является не только свидетельством ее адекватного понимания, но и стимулом развития у них познавательного интереса.

Изучение взаимосвязи строения и свойств твердого тела дает обширный материал для осознания модальности представлений об окружающем мире, развития подхода к разработке (выбору) адекватных моделей строения твердого тела и протекающих в нем явлений.

Кроме соответствия общим требованиям к моделям, привлекаемая здесь для описания физического явления модель должна согласовываться с удачными моделями, которые используются при анализе других явлений в том же твердом теле.

Наконец отметим, что акцентирование внимания на вопросе о взаимосвязи строения и свойств твердого тела позволяет в известной степени преодолеть существующее противоречие между лидирующей по объему исследований и практической значимости результатов ролью физики твердого тела во всем комплексе физических исследований и тем скромным местом, которое она занимает в учебных курсах.

Объектом исследования является учебный процесс студентов-физиков педагогических вузов, направленный на приобретение ими методологической компетентности, формирование исследовательского подхода и творческой активности.

Предметом исследования является технология организации исследовательской деятельности и развития творческих способностей студентов в процессе изучения взаимосвязи строения и свойств твердого тела.

Цель исследования - разработка методики изучения студентами взаимосвязи строения и свойств твердого тела, отвечающей современным требованиям исследовательской ориентации учебного процесса.

Гипотеза исследования - изучение взаимосвязи строения и свойств твердого тела в общем курсе физики и специальных физических дисциплинах педагогических вузов станет средством развития исследовательского подхода, творческих способностей, существенно повлияет на уровень знаний и методологическую компетентность студентов, если будет достигнуто соответствие предметного содержания курса и форм организации деятельности студентов уровню сформированное™ их исследовательских умений и познавательных возможностей. ■

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

1. Определить возможности, которые предоставляет изучение вопроса о взаимосвязи строения и свойств твердого тела для развития исследовательского подхода к обучению, творческих способностей студентов, повышения уровня их знаний и методологической компетентности.

2. Проанализировать состояние рассматриваемого вопроса в теории и методике обучения физике.

3. Определить, систематизировать и обосновать содержание учебного материала по изучаемой проблеме в общем курсе физики и специальных физических дисциплинах при подготовке учителей, бакалавров и магистров физики.

4. Разработать учебно-исследовательские задания, включающие скоординированные между собой лекционное исследование, решение задач, натурный и вычислительный эксперимент.

5. Разработать и обоснобать технологию исследовательской деятельности студентов при изучении взаимосвязи строения и свойств твердого тела.

6. Проверить эффективность изучения взаимосвязи строения и свойств твердого тела в плане интеллектуального развития студентов.

Методологическую основу исследования составляют:

- философские, психологические и педагогические концепции познавательной деятельности (А.НЛеонтьев, СЛ.Рубинштейн, И.ЯЛернер, Я.А.Пономарев, ' В.В.Давыдов, Ю.Н.Кулюткин, А.П.Тряпицына, Г.И.Щукина и др.);

- методология науки физики (В.А.Извозчиков, ПЛ.Капица, А.С.Кондратьев, В.А.Фок, и др.);

- достижения и тенденции развития теории и методики обучения физике (В.А.Извозчиков, А.С.Кондратьев, И.Я.Ланина, А.В.Перышкин, Н.А.Родина, A.A. Самарский и др.);

исследовательские технологии как инновационные модели изучения учебного материала (М.В.Кларин, В.ВЛаптев, В.Г.Разумовский и др.).

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:

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

- анализ вузовских программ, учебников и учебных пособий по физике твердого тела и опыта ее преподавания на предмет отражения в них изучаемого вопроса;

- проведение педагогических измерений (проведение наблюдений, интервьюирование, анкетирование преподавателей и студентов и др.) ;

- проведение педагогического эксперимента и статистическая обработки его результатов с целью выяснения эффективности предлагаемой методики;

- получение экспертных оценок.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается:

- опорой на достижения физики, психолого-педагогических и методических исследований по развитию исследовательского подхода, творческих способностей, формированию методологической компетентности;

рациональным выбором показателей эффективности предложенной методики изучения взаимосвязи строения и свойств твердого тела;

- использованием разнообразных экспериментальных методик, адекватных поставленным задачам;

- анализом и обработкой результатов педагогического эксперимента с помощью статистических методов с обеспечением необходимой репрезентативности выборки.

Содержание исследования определило его логику, которая включала в себя следующие этапы.

1. Анализ психолого-педашгической литературы по проблеме, Определение роли методики изучения взаимосвязи строения и свойств твердого тела в формировании познавательного интереса, исследовательского подхода и творческих способностей студентов-физиков педагогических вузов.

2. Разработка гипотезы исследования и постановка основных его

задач.

3. Определение и систематизация учебного материала по анализируемому в работе вопросу в разделах общего курса физики и специальных физических дисциплинах, связанных с изучением физики твердого тела.

4. Определение форм организации учебно-исследовательской деятельности студентов по данной проблеме и разработка необходимых практических рекомендаций.

5. Апробация предложенных рекомендаций в ходе проведения формирующего эксперимента и внесение необходимых корректив.

6. Оценка эффективности предложенной методики на основе результатов контрольного эксперимента.

Новизна и теоретическая значимость работы заключается в следующем.

1. Установлена и обоснована роль изучения взаимосвязи строения и свойств твердого тела в формировании исследовательского подхода и развитии творческих способностей студентов педагогических вузов.

2. Предложен системный подход к построению учебного материала, основанный на выделении различных уровней структурной организации твердого тела и отвечающий логике и методологии физики твердого тела.

3. Разработана технология организации учебной деятельности студентов, структурной единицей которой является учебное исследование, в ходе которого они приобретают необходимые умения и навыки исследовательской деятельности.

4. Разработан комплекс учебно-исследовательских заданий, включающих в себя координированные лекционное исследование, решение задач, натурный и вычислительный эксперимент,

способствующих интеллектуальному развитию и повышению методологической компетентности студентов.

5. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность разноуровневого подхода к проведению учебных исследований по анализируемой проблеме с различной степенью самостоятельности студентов в проведении исследований на разных уровнях.

Практическая значимость исследования.

1. Основные результаты исследования доведены до уровня конкретных методических разработок, которые внедрены в практику работы ряда педагогических вузов.

2. Разработан и опубликован задачник по физике твердого тела, включающий в себя задачи, являющиеся важной составной частью учебно-исследовательских заданий по установлению взаимосвязи строения и свойств твердого тела и способствующие развитию творческих способностей студентов.

3. Внесены соответствующие изменения в учебные программы студентов-физиков в РГПУ им. А.И. Герцена.

Апробация результатов исследования. Основные положения и результаты работы излагались на Герценовских чтениях (С.-Петербург, 1997), Всероссийской конференции по физике диэлектриков (С.Петербург, 1993), Международной конференции "Физика окисных пленок" (Петрозаводск, 1994), Международной конференции "Релаксация-94" (С.-Петербург, 1994), Международной конференции по пассивации металлов и полупроводников "Passivation-94" (Klausthal, Germany, 1994), Международном симпозиуме по электретам ISE9 (Shanghai, 1996) и неоднократно обсуждались на научно-методических семинарах кафедры общей и экспериментальной физики РГПУ им.А.И.Герцена. Результаты исследования использованы при составлении учебного пособия и сборника задач по физике твердого тела для студентов педагогических вузов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Изучение взаимосвязи строения и свойств твердого тела открывает возможности осуществления исследовательского подхода при обучении и при реализации соответствующей методики способствует

интеллектуальному развитию студентов, повышению уровня их знаний и методологической компетентности.

2. Интеллектуальное развитие студентов достигается при условиях,

когда:

- вопрос о взаимосвязи строения и свойств является стержневым при построении учебных курсов, связанных с изучением физики твердого тела;

- практические занятия студентов (решение задач, лабораторные работы и спецпрактикумы) проводятся как выполнение исследовательских заданий;

- диагностически определено соответствие содержания учебного материала сущности метода его изучения, а планируемые пути решения проблемной задачи занятия соответствуют уровню сформированности исследовательских умений и познавательных возможностей студентов.

3. Методика проведения занятий по изучению взаимосвязи строения и свойств твердого тела будет эффективной в том случае, когда в ее основу будет положен разноуровневый подход к использованию исследовательского метода, позволяющий максимально активизировать познавательные возможности студентов и развивать их творческие способности. Реализация разноуровневого подхода должна осуществляться на трех уровнях, отличающихся степенью самостоятельности студентов в проведении исследования.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии, содержащей 149 источников (в том числе 19 на иностранных языках). Работа содержит 189 е., включая 55 рисунков и 15 таблиц.

Основное содержание диссертации

В первой главе проводится психолого-педагогический анализ проблемы. На основе анализа философской, психолого-педагогической, физической и методической литературы сделаны следующие заключения.

1. Изучение взаимосвязи строения и свойств твердого тела способствует развитию способностей к теоретическому предсказанию характера протекания изучаемых явлений и процессов, что стимулирует познавательный интерес и повышает уровень познавательных возможностей студентов;

2. Последовательное использование моделей строения твердого тела и протекающих в нем явлений и процессов при изучении данного вопроса дает важный предметный материал для освоения студентами метода моделирования, играющего первостепенную роль в методологии физики как науки.

3. Изучаемый вопрос содержит обширный фактический материал для осуществления исследовательского подхода к обучению, в том числе разноуровневого подхода к использованию исследовательского метода.

4. Выполнение учебно-исследовательских заданий по определению механизмов физических процессов, отвечающих за формирование структурно-чувствительных свойств твердого тела, создание на их основе методов диагностики и управления свойствами изучаемого объекта, изыскание путей получения материалов с заданными свойствами и использование их в приборных системах способствует формированию у студентов творческого стиля деятельности.

Вторая глава посвящена методике изучения взаимосвязи строения и свойств твердого тела.

Предлагаемый план построения учебного материала основывается на выделении следующих трех уровней структурной организации твердого тела.

1. Структура идеального кристалла и идеального стекла.

2. Дефектная структура реальных кристаллов и некристаллических твердых тел.

3. Микроструктура поликристаллических твердых тел.

Взаимосвязь строения и свойств твердого тела изучается на

указанных уровнях последовательно, что обеспечивается выбором свойств, определяемых в основном одним из уровней структурной организации.

Такой подход к изложению методически оправдан, поскольку:

- основывается на фактических данных о строении твердых тел;

- позволяет систематизировать накопленный в настоящее время обширный материал по данному вопросу;

- соответствует логике и методологии физики твердого тела, успехи которой в значительной степени связаны с возможностью раздельного изучения свойств идеального в структурном отношении твердого тела и свойств его структурных дефектов.

В первом параграфе гаавы приведена методика изучения структурных моделей и свойств идеальных кристалла и стекла. Рассматривается технология организации исследовательской деятельности

в лекционном курсе, на практических занятиях по решению задач и лабораторном практикуме.

В рамках темы "Кристаллическая решетка идеального кристалла и свойства твердого тела" предлагается проводить лекционное исследование по определению необходимых условий, которым должна удовлетворять структура кристалла, для формирования у него сегнето-, пьезо- и пироэлектрических свойств по отдельности и одновременно. Этот вопрос решается в контексте общей проблемы симметрии и дает предметный материал для освоения одного из важнейших методологических принципов - принципа симметрии.

Тема лекционного курса "Химические связи, структура и свойства твердых тел" предполагает развитие представлений о возможностях прогнозирования структуры и электронных свойств твердого тела на основе качественного кристаллохимического подхода. Основываясь на представления об основных типах химической связи в кристаллах, преподаватель совместно со студентами исследует вопрос о наиболее вероятных типах кристаллической структуры различных твердофазных веществ и анализирует с ними электронное строение и свойства металлических и неметаллических твердых тел.

С данным лекционным исследованием скоординировано содержание задач, решаемых студентами на практических занятиях. Рассматривается решение двух следующих задач.

1. Определить, какой оболочке атома (ш, пр или пс1) принадлежат состояния, которые формируют валентную зону и зону проводимости для следующих веществ: Ыа, Си, МаС1 и ваАБ, и к какому типу материалов относятся эти вещества: металлам или неметаллам?

2. Определить на качественном уровне корреляцию между типом структуры и шириной запрещенной зоны Е3 кристаллических модификаций (политипов) карбида кремния БЮ - 4Н, 6Н, ЗС.

В процессе решения второй задачи студенты осваивают новое для них понятие сверхрешетки (в данном случае естественной сверхрешетки), разрабатывают соответствующую структурную модель и на ее основе прогнозируют соотношение величины для указанных политипов

Существенной особенностью предлагаемой методики является общность подхода к анализу строения и свойств кристаллических и некристаллических твердых тел. При изучении последних, подобно кристаллам, выделяется структура идеального стекла и дефектов некристаллических веществ.

В лекционной теме "Электронная структура и свойства некристаллических твердых тел" исследуется вопрос о сходстве и

различии электронного строения и свойств идеальных кристалла и стекла. Вместе с преподавателем студенты анализируют особенности электрических свойств неупорядоченных систем, связанные с локализацией электронных состояний и прыжковым механизмом переноса заряда.

На заключительном этапе показывается, что характерные для неупорядоченных систем свойства присущи не только некристаллическим веществам, но и некоторым кристаллам. Это делается на примерах полупроводниковых материалов с позиционной неупорядоченностью (оксиды свинца и системы типа РЬО-В1гОз) и квазиаморфных полупроводников (полиморфных модификаций бора и его соединений, которые могут рассматриваться как природные модели некристаллических твердых тел).

С целью сравнительного изучения электронных свойств кристаллических и некристаллических твердых тел разработано учебно-исследовательское задание по экспериментальному исследованию проводимости аморфных диэлектрических пленок ТагОг и №>205 в процессе старения, протекающего в форме их кристаллизации. Выполняя это задание в лабораторном практикуме, студенты анализируют соотношение проводимостей кристаллического и некристаллического веществ одинакового состава, обнаруживают структурную чувствительность в поведении их неомической проводимости, устанавливают диапазон напряжений, соответствующий максимальному различию в проводимости, и на основе полученных результатов формируют рекомендации по выявлению структурной неоднородности и прогнозированию срока службы оксидного диэлектрика конденсаторных систем.

Как видно из содержания и логики данной исследовательской работы, ее выполнение студентами соответствует задаче превращения учебного процесса в конкретную реализацию учебной модели научного исследования.

Во втором параграфе главы представлена методика изучения проблемы взаимосвязи строения и свойств твердого тела на уровнях дефектной структуры реальных кристаллов и некристаллических твердых тел. Как и в предыдущем параграфе, последовательно рассматривается методика проведения лекционных и практических занятий. Последние представлены учебно-исследовательской работой, включающей в себя решение задач и лабораторный эксперимент.

В первой теме лекционного курса "Дефекты структуры и атомные процессы в реальных кристаллах и некристаллических твердых телах" на

основе развитых представлений об основных типах структурных дефектов, включая точечные и протяженные дефекты нестехиометрии, исследуются следующие вопросы:

ионная электропроводность кристаллов со структурными дефектами различных типов (на примере NaCl и AgCI) в широком температурном диапазоне;

- диффузия молекул окислителя в аморфных диэлектрических слоях SÍO2 на поверхности Si, содержащих структурные каналы;

- перенос протонов в аморфных диэлектрических слоях ТагС>5 и №>205 на поверхности металла.

Студенты при этом изучают не только указанные вопросы, но и анализируют возможности управления свойствами твердого тела (легирование ионных кристаллов гетеровалентными примесями, уплотнение структуры аморфного вещества, стабилизация высших степеней окисления металла и др.). Открывая эти возможности, они убеждаются в практической значимости решения проблемы взаимосвязи строения и свойств твердого тела.

Вторая тема лекционного курса "Дефекты структуры и электронные свойства кристаллических и некристаллических твердых тел".

В части электронных свойств здесь изучается электропроводность легированных полупроводников с различной концентрацией основной примеси и степенью ее компенсации. В качестве проблемной задачи, иллюстрирующей влияние структурных дефектов кристалла на его свойства, на лекции исследуется поведение температурной зависимости легированных одной примесью и легированных и компенсированных полупроводников.

Лекционное исследование вопроса об электронных свойствах реальных некристаллических веществ содержит два этапа. На первом этапе, основываясь на модели электронного строения реального стекла, студенты определяют основные механизмы электропроводности в некристаллических веществах и прогнозируют поведение температурной зависимости их проводимости в общем случае.

На втором этапе студенты совместно с преподавателем решают конкретную задачу - определяют влияние структурных дефектов типа оборванных связей на электронное строение и проводимость аморфного кремния (a-Si). Анализируя свойства гидрогенизированного a-Si, студенты убеждаются в возможности управления проводимости аморфного вещества посредством изменения концентрации соответственных структурных дефектов (водород насыщает оборванные связи) и придания

ему заданного типа электропроводности посредством легирования соответствующими примесями.

Основное содержание третьей темы лекционного курса "Строение и свойства поликристаллических твердых тел" составляет влияние их специфических структурных дефектов - межзеренных границ раздела (МЗГ) - на различные свойства поликристаллов: механические, электрические, магнитные, диффузионную проницаемость. Все эти вопросы являются новыми для учебного курса, Целесообразность их изучения обусловлена все возрастающей ролью и перспективами развития физики поликристаллических материалов, а также возможностью изучения явлений, чувствительных к наличию и движению дислокаций (эффекты деформационного упрочнения, сегрегация атомов примеси на МЗГ и др.).

Сопряженной с лекционным исследованием по второй теме является учебно-исследовательская работа студентов, направленная на выбор легирующей примеси в германии для создания на его основе фоторезистора, предназначенного для приема излучения в ИК-области спектра. По-существу, перед студентами стоит задача конструирования материала с заданными свойствами, предполагающая осмысление ими физики процессов, ответственных за формирование функциональных свойств материала, принятие конкретного, научно-обоснованного решения, экспериментальную проверку выбранного решения. На первом этапе работы студенты анализируют основные факторы, определяющие выбор примеси. На втором этапе - анализируется модель примесной фотопроводимости с учетом указанных выше факторов; студенты приходят к выводу о целесообразности получения компенсированного германия. Они выбирают основную и компенсирующую примесь и определяют необходимое соотношение концентраций. На заключительном этапе работы студенты осуществляют экспериментальную проверку выбранного ими решения.

Третий параграф главы содержит методику изучения физики поверхности твердого тела и систем диэлектрик-полупроводник как предмета специальных физических дисциплин.

В кратком лекционном курсе даются главным образом основные понятия, идеи и методы физики поверхности, границ раздела диэлектрик-полупроводник, структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-структур), владея которыми студенты могут самостоятельно изучать научную литературу и вырабатывать подходы к решению исследовательских задач. В заключительной части курса проводится лекционное исследование информативности вольт-фарадных

характеристик МДП-структуры с точки зрения определения ее параметров. Результаты этого исследования служат мостом к самостоятельному выполнению студентами учебно-исследовательских заданий.

Предлагаемая технология организации этих занятий основана на разноуровневом подходе к использованию исследовательского метода с различной степенью самостоятельности студентов в проведении исследований на разных уровнях. На первом уровне преподаватель формулирует проблему и предлагает метод ее решения; на втором уровне преподаватель ставит перед студентами проблему, а способ ее решения и само решение студенты находят самостоятельно и, наконец, на третьем, высшем уровне проведения исследований студенты самостоятельно (или с помощью преподавателя) формулируют проблему, предлагают метод ее решения и находят само решение.

В качестве примера реализации разноуровневого подхода в работе представлена серия взаимосвязанных учебно-исследовательских заданий по изучению свойств границ раздела диэлектрик-полупроводник и зарядового состояния диэлектрика в системе 8ь5Ю2. Задание, соответствующее первому уровню исследовательского обучения, состоит в определении плотности поверхностных состояний (ПС) на границе раздела 81-8102 и эффективного заряда в диэлектрике, приведенного к границе раздела, методом вольтфарадных характеристик (ВФХ). Оно включает в себя решение задачи по расчету ВФХ идеальной МДП-структуры и определение по ВФХ реальной МДП-структуры плотности ПС и величины встроенного заряда в диэлектрике, экспериментальное определение из высокочастотных ВФХ реальной МДП-структуры искомых параметров с использованием результатов решенных задач.

Выполнение студентами задания по определению энергетического спектра и сечения захвата поверхностных состояний на границе раздела йьБЮг соответствует второму уровню исследовательского обучения. Студентам предлагается аналитически показать, что изменяя скорость нарастания напряжения, подаваемого на структуру, и(или) температуру, можно получить неравновесные ВФХ и по ним определить энергетическую плотность и сечение захвата ПС .

На основе решения этой задачи студенты приходят к выводу о целесообразности использования здесь метода неравновесных ВФХ. В дальнейшем они получают эти характеристики экспериментально и на их основе рассчитывают искомые параметры ПС.

Для реализации третьего уровня исследовательского обучёния преподаватель создает педагогическую ситуацию, способствующую

постановке проблемы самими студентами. В рассматриваемом примере студентам предлагается сначала задача и серия взаимосвязанных вопросов по определению влияния распределения заряда заданной величины в диэлектрическом слое на свойства МДП-структуры. В результате учебной дискуссии с обсуждением результатов решения задачи студентами формулируется проблема определения величины и центроида полного заряда в диэлектрике МДП-структуры неразрушающим образом. В процессе обсуждения проблемы преподаватель наводит студентов на мысль о целесообразности использования для ее решения ПДП-структуры (полупроводник-диэлектрик-полупроводник) ЗьБЮг^пк (слаболегированный или нелегированный). Студенты анализируют ВФХ такой структуры и получают выражения для расчета величины и центроида полного заряда в диэлектрике. На заключительном этапе выполнения задания они экспериментально получают ВФХ этой структуры и рассчитывают искомые параметры системы.

В третьей главе представлены результаты педагогического эксперимента по определению эффективности предлагаемой методики, в первую очередь, готовности студентов, обучаемых с ее помощью, к исследовательской деятельности.

Педагогический эксперимент проводился в Российском государственном педагогическом университете им.А.И.Герцена (С.Петербург), Уральском государственном педагогическом университете (г.Екатеринбург), Орском государственном педагогическом институте.

Поисковый эксперимент позволил методологически обосновать содержание учебного материала по вопросу о взаимосвязи строения и свойств твердого тела и целесообразность разноуровневого подхода к реализации исследовательского метода как способа организации деятельности студентов.

Результаты констатирующего эксперимента показали, что в существующей практике обучения физике твердого тела в педагогических вузах преобладает репродуктивная форма обучения, не обеспечивающая должного развития исследовательских умений, творческих способностей и познавательных возможностей студентов.

В ходе формирующего эксперимента определялась готовность студентов к участию в исследовательской деятельности посредством анализа совершаемых ими практических действий при выполнении конкретных учебно-исследовательских заданий. Содержание одного из таких заданий, например, изучение температурной зависимости проводимости матричной системы металл-диэлектрик при различной концентрации проводящей фазы предполагало поэтапное исследование,

на каждом из этапов которого выявлялись определенные умения проводить исследование.

Как показали полученные результаты, студенты экспериментальных групп лучше владеют знаниями на уровне применения. Это является главной их особенностью и свидетельствует о более высокой методологической компетентности.

Достоверность того, что различие в степени овладения знаниями у студентов экспериментальных и контрольных групп является следствием применения разработанной методики, а не каких-то случайных факторов, доказана с помощью метода проверки статистических гипотез на основе критерия Колмогорова-Смирнова.

На основании полученных результатов можно утверждать, что предложенная в работе методика изучения вопроса о взаимосвязи строения и свойств твердого тела педагогически целесообразна.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Доказана возможность и целесообразность изучения вопроса о взаимосвязи строения и свойств твердого тела в общем курсе физики и специальных физических дисциплинах педагогических вузов.

2. Разработан подход к определению содержания учебного материала и его построению, основанный на раздельном изучении идеального в структурном отношении твердого тела и его структурных дефектов.

3. В программы подоготовки учителей, бакалавров и магистров физики введены новые, ранее не изучаемые вопросы, в том числе, строение и свойства некристаллических и поликристаллических твердых тел, физика поверхности и систем диэлектрик-полупроводник, которые рассматриваются в комплексе с традиционными вопросами физики кристаллов с единых позиций.

4. Разработаны технология организации учебной деятельности студентов, структурной единицей которой является учебное исследование, и тематический комплекс учебно-исследовательских заданий, охватывающих вопросы взаимосвязи строения и свойств твердого тела на всех выделенных уровнях его структурной организации и включающих скоординированные лекционные исследования, исследование при решении задач и лабораторные эксперименты.

5. В организации учебно-исследовательской деятельности студентов реализован разноуровневый подход к использованию исследовательского

метода обучения, предполагающий возрастание степени самостоятельности студентов с повышением уровня.

6. В результате проведения педагогического эксперимента доказана эффективность предлагаемой методики изучения взаимосвязи структуры и свойств твердого тела как средства развития исследовательского подхода, творческих способностей студентов и повышения уровня их знаний и методологической компетентности.

Общий итог работы состоит в методической адаптации фундаментальной проблемы физики твердого тела - установления взаимосвязи его строения и свойств, - отвечающей актуальной задаче постановки процесса обучения как учебной модели науки.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: ¡.Взаимосвязь структуры и свойств твердого тела как вопрос курса физики.//Современные проблемы физического образования: Тез. докл. межвуз.конф.-СПб.: Образование, 1997, с. 118-120 (в соавторстве).

2. Элементы физики полупроводников в курсе физики педагогических вузов.// Современные проблемы физического образования: Тез. докл. межвуз. конф.-СПб.: Образование, 1997, с. 128-130 (в соавторстве).

3. Учебное исследование студентов педвуза в курсе физики твердого тела.// Физическое образование в школе и в вузе. - СПб.: Образование, 1997, с.94-96 (в соавторстве).

4. Сборник задач по физике твердого тела./Учебное пособие РГПУ им.А.И.Герцена. - СПб., 1997, 50с. ( в соавторстве).

5. Исследование спектров сечений захвата ПЭС в структурах Si-Si02-//Te3. Всерос. конф. по физике диэлектриков (Диэлектрики-93).-СПб., 1993, с.42-43 (в соавторстве).

6. Подвижный заряд в окисле систем Si-Si02 с поликремниевым затвором.//Тез. межд. конф. "Физика окисных пленок".-Петрозаводск, 1994, с. 75-76 (в соавторстве).

7. Non steady state C-V methods for determination of interface state parameters.//Material Science Forum, 1995, v.185-188, p.59-62 (в соавторстве).

8. Passivation and depassivation of electrically active centers in the polysilico-oxide-silicon structures.// Там же, с. 109-114 (в соавторстве).

9. Application of C-V characteristics of semiconductor-insulator-semiconductor structures for investigation of charge state in thin dielectric layers.//Proc. of the 9-th Intern. Symp. on Electrets (ISE9).-Shanghai, 1996, p.211-216 (в соавторстве).