Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 53:372.8

Хинич Иосиф Исаакович

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЦЕЛОСТНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ОБУЧЕНИЯ ФИЗИКЕ В ПОДГОТОВКЕ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ КАДРОВ

13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания

(физика, уровень профессионального образования)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора педагогических наук

Санкт-Петербург

2010

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

педагогический кадры физика исследовательский

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, профессор Ханин Самуил Давидович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Никифоров Константин Георгиевич,

доктор педагогических наук, профессор Писарева Светлана Анатольевна,

доктор педагогических наук, профессор Соколова Ирина Ивановна

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Уральский государственный педагогический университет»

Защита состоится «_____» __________________ 2010 г. в «____» часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.199.21 при Российском государственном педагогическом университете имени 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 имени А.И. Герцена

Автореферат разослан «_____»__________________2010 г.

Ученый секретарь Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, кандидат физико-математических наук, доцент Н.И. Анисимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Необходимой составляющей подготовки педагогических кадров по физике является овладение ими опытом исследовательской деятельности. Это обусловлено рядом причин, к основным из которых относятся следующие. Во-первых, эффективностью исследовательской подготовки в развитии умений выполнения широкого комплекса мыслительных операций и творческих способностей, необходимых педагогу. Во-вторых, возможностью развития принципиально важных в профессионально-педагогической деятельности исследовательских умений, в том числе поиска, отбора и критического анализа имеющейся информации, обоснованного целеполагания, выбора (разработки) метода эксперимента, освоения и адаптации к учебному процессу новых теоретических представлений, определения научной и практической значимости изучаемой проблематики. В-третьих, выработкой в процессе исследовательской деятельности навыков систематического самообразования, являющихся ключевыми в профессиональной деятельности педагога. В-четвертых, востребованностью исследовательской подготовки педагога в силу направленности современного физического образования на освоение учащимися методов исследовательской деятельности. Наконец, необходимостью обеспечения конкурентоспособности физика-педагога в области физических исследований, где, как показывает исторический опыт, ему по силам самые высокие достижения. Достаточно сказать, что базовым педагогическое образование было у А. Эйнштейна и Д. И. Менделеева.

Теория и практика подготовки педагогических кадров по физике в рассматриваемом аспекте основывается на концепции исследовательского обучения. Сформулированная А. А. Самарским и развитая применительно к физическому образованию А. С. Кондратьевым, она предполагает построение учебного процесса таким образом, что по структуре и содержанию он моделирует реальное научное исследование и создает таким образом условия для овладения методологией получения знаний методами и средствами поисково-познавательной деятельности.

В ряду требований к исследовательскому обучению физике в подготовке педагогических кадров особое значение имеет его целостность. Не преследуя цели подготовки профессиональных физиков-исследователей, экспериментаторов и теоретиков, физическое образование педагога должно формировать у него системный подход к освоению изучаемого материала во всей его полноте и взаимосвязях, включая знания о методологии и методах научного познания в конкретном их проявлении, и создавать, таким образом, необходимые стартовые условия для организации полномасштабной исследовательской деятельности, как самого педагога, так и его учащихся. Отсюда проистекают два аспекта проблемы достижения целостности исследовательского обучения - содержательный и методологический.

Следует учитывать, что в практике подготовки по физике в педагогических вузах основное место в учебных планах занимает общий курс физики, а следующие за ним спецкурсы, направленные на углубленное освоение определенных областей науки и техники, весьма ограничены по объему. В этой связи возникает еще один аспект проблемы - организационный: целостность исследовательского обучения должна быть обеспечена на всем протяжении обучения, осуществляемого посредством использования единых методических подходов.

Целостное исследовательское обучение физике - ответ на вызов времени. Оно отвечает логике развития теории и методики обучения физике - переходу от разработки методов и приемов формирования отдельных исследовательских умений, чему главным образом посвящены ранее выполненные работы, к его системному научно-методическому обеспечению.

Предпосылками для постановки проблемы диссертационного исследования - научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения физике - явились накопившиеся и обострившиеся в современных условиях противоречия между запросами к содержанию, организации и результатам обучения со стороны науки, социума и самих обучаемых и состоянием теории и практики подготовки педагогических кадров по физике. Будучи ориентированным на разрешение этих противоречий, целостное исследовательское обучение находится в русле реализации современного компетентностного подхода к обучению, а учитывая роль исследовательской подготовки в формировании личностных качеств педагога - и личностно-развивающего подхода и способствует, таким образом, интеграции этих подходов.

Важное достоинство целостного исследовательского обучения наряду с полномасштабным характером подготовки состоит в том, что оно обеспечивает продуктивность обучения - получение нового (субъективно или объективно) значимого результата. Продуктивность обучения выступает здесь не только как следствие его целостности, но и как средство его мотивации в силу формирования ценностного отношения к исследовательской деятельности, освоение которой по А. Эйнштейну - самое ценное в изучении физики.

В плане научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения физике необходимо в первую очередь обратиться к вопросу о его предметной основе. Подготовка педагогических кадров по физике осуществляется, главным образом, на материале, далеком от современного состояния науки и практики. Функциональные же возможности исследовательского подхода как любого объекта наиболее выразительно проявляются на предметном материале высокого уровня значимости.

Значительным потенциалом для постановки целостного исследовательского обучения физике обладает предметное содержание физических основ твердотельной электроники. Это связано со значимостью их достижений в развитии техногенной цивилизации, непреходящей ролью в развитии экспериментальных и теоретических исследований, общенаучным значением методов и результатов, развитостью и непрерывным развитием модельных представлений теории, доступностью проведения ключевых экспериментов в вузовской лаборатории.

Содержание физических основ твердотельной электроники отвечает целому ряду критериев отбора научных проблем в исследовательском обучении: разработанности, современности и незавершенности. При освоении студентом этого предметного материала оказывается востребованным и, соответственно, развиваемым целый ряд универсальных исследовательских умений, в том числе умения методического обеспечения эксперимента, разработки и анализа физических и математических моделей реальных физических процессов, компьютерного моделирования и вычислительного эксперимента, сопоставления теории и эксперимента на предметном материале высокого уровня значимости, причем это может осуществляться системно в соответствие с требованиями целостного исследовательского обучения.

Важным моментом является и то, что основы электроники изучаются при подготовке педагогических кадров, как в общем курсе физики, так и в следующих за ним спецкурсах, что открывает реальные возможности обеспечения на их основе непрерывного практико-ориентированного исследовательского обучения.

Вместе с тем в практике подготовки педагогических кадров обучение физическим основам твердотельной электроники остается по своему характеру, главным образом, информационным и фрагментарным, а его содержание неоправданно далеко от современного состояния физики материалов и приборных систем электроники. Таким образом, в реализации потенциала предметного содержания данной области физических знаний существует значительный резерв. Его использование может внести вклад в развитие системы исследовательского обучения физике в плане придания ему целостности во всех рассматриваемых аспектах - содержательном, методологическом и организационном.

Объект исследования: процесс исследовательского обучения физике при подготовке педагогических кадров.

Предмет исследования: содержание и организация целостного исследовательского обучения физике при подготовке педагогических кадров.

Цель исследования: разработка и практическая реализация научно-методических основ целостного исследовательского обучения физике при подготовке педагогических кадров.

Гипотеза исследования

Решение проблемы достижения целостности исследовательского обучения физике при подготовке педагогических кадров должно быть комплексным, охватывая содержательную, процессуальную и организационную стороны учебного процесса, и может быть осуществлено при условиях:

- опоры на предметное содержание физических основ твердотельной электроники, являющееся представительным в плане полноты востребованности методов поисково-познавательной деятельности, единства фундаментальной и прикладной составляющих содержания;

- обеспечения системности и логической завершенности его освоения, что предполагает привлечение различных видов и форм занятий и координацию их содержания;

- дидактически оправданного обогащения им предметного содержания общего курса физики и систематизации его освоения с широким использованием задачного подхода;

- проектирования учебного процесса в следующих за общим курсом специальных дисциплинах на основе укрупненных структурных единиц - циклов лекций и учебно-исследовательских заданий, направленных на освоение физики определенных материалов и устройств твердотельной электроники;

- использования проектно-исследовательской деятельности по решению актуальных физико-технических задач как эффективного средства реализации целевых установок.

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

1. Проанализировать состояние исследовательского обучения физике в подготовке педагогических кадров, выявить присущие ему противоречия и пути их устранения.

2. Определить и реализовать подходы к проектированию предметного содержания исследовательского обучения физике, обеспечивающего формирование у студентов умений и опыта целостного освоения предметного материала высокой научной и практической значимости.

3. Разработать и реализовать подходы к организации исследовательской подготовки педагогических кадров по физике, обеспечивающие целостное освоение методологии научных исследований.

4. Разработать и обосновать подходы к формированию у обучающихся умений и опыта самостоятельного освоения аналитических возможностей и практического использования физических методов исследования, адекватных его задачам.

5. Обеспечить непрерывность целостного практико-ориентированного исследовательского обучения физике при подготовке педагогических кадров.

6. Создать конкретные методические разработки, обеспечивающие целостность исследовательского обучения физике в подготовке педагогических кадров.

7. Проверить эффективность развитого научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения физике в педагогическом эксперименте.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:

- теоретический анализ проблемы на основе изучения современных достижений физических наук, результатов психолого-педагогических и методических исследований;

- научно-методический анализ и обобщение накопленного опыта исследовательского обучения физике в подготовке педагогических кадров;

- экспериментальное исследовательское обучение физике на основе разработанного научно-методического обеспечения, осуществляемое автором и другими преподавателями, анализ и обобщение полученных результатов;

- анкетирование студентов и преподавателей и метод экспертных оценок;

- педагогический эксперимент по определению эффективности предлагаемого научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения физике.

Теоретико-методологические основы исследования составляют:

- труды классиков физической науки по ее методологическим аспектам (М. Борн, Н. Бор, В. Гейзенберг, П. Л. Капица, Л. Д. Ландау, Р. Фейнман, В. А. Фок, А. Эйнштейн и др.);

- философские, психологические, педагогические концепции и научно-методические работы по проблемам познавательной деятельности (С. Н. Богомолов, Г. А. Бордовский, Л. С. Выготский, В. В. Давыдов, В. А. Извозчиков, С. Е. Каменецкий, Ю. Н. Кулюткин, И. Я. Ланина, А. Н. Леонтьев, А. Е. Марон, Я. А. Пономарев, Н. С. Пурышева, В. Г. Разумовский, С. Л. Рубинштейн, И. И. Соколова, А. П. Тряпицына, Г. И. Щукина и др.);

- принципы дидактики высшей школы (В. А. Извозчиков, А. А. Кирсанов, В. Н. Максимова, В. А. Сухомлинский, Н. М. Шахмаев и др.);

- достижения и тенденции развития теории и методики обучения физике (Г. А. Бордовский, С. В. Бубликов, В. А. Извозчиков, А. С. Кондратьев, И. Я. Ланина, В. В. Лаптев, Н. С. Пурышева, А.В. Усова, Т. Н. Шамало и др.);

- концепция исследовательского обучения физике и технологии исследовательско-ориентированного образования (Г. А. Бордовский, М. В. Кларин, А. С. Кондратьев, В. В. Майер, В. Г. Разумовский, Т. Н. Шамало и др.);

- технология проектной деятельности в образовании (Дж. Дьюи, Г. И. Ильин, Е. Коллингс, Н. Ю. Пахомова, Е. С. Полат, И. Д. Чечель и др.);

- результаты экспериментальных и теоретических исследований в области физических основ электроники (А. П. Барабан, Г. А. Бордовский, Ю. А. Гороховатский, В. А. Гуртов, С. Зи, П. П. Коноров, Л. С. Смирнов, С. Д. Ханин и др.).

Обоснованность и достоверность результатов и выводов исследования обеспечиваются: всесторонним анализом проблемы исследования; опорой на методологию современной физики и физического образования; использованием различных методов исследования, адекватных поставленным задачам; рациональным выбором критериев оценки эффективности развитого научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения физике; широтой экспериментальной базы педагогического эксперимента, контролируемостью и воспроизводимостью его результатов; применением методов математической статистики при обработке и анализе результатов педагогического эксперимента; положительными результатами проведенного педагогического эксперимента.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем. В отличие от предшествующих работ по исследовательскому обучению физике, где развивались методические подходы к формированию отдельных умений поисково-познавательной деятельности и их использование в учебном процессе, как правило, не преследовало значимых для практики целей, в настоящей работе разработано научно-методическое обеспечение целостной исследовательской подготовки с опорой на практико-ориентированный предметный материал. Раскрыт потенциал физических основ твердотельной электроники как предметного материала, освоение которого в исследовательской подготовке педагогических кадров открывает возможность достижения ее содержательной, методологической и организационной целостности.

В отличие от традиционного подхода к обучению физическим основам твердотельной электроники, когда они систематически изучаются только в специальных физических дисциплинах, в настоящей работе разработана методика непрерывного и единого по своим подходам их освоения, начиная с общего курса физики. Качественная особенность развиваемых подходов состоит в том, что понятия и представления физики материалов и приборных структур твердотельной электроники предоставляются студентам не в готовом виде, а предваряются экспериментальным установлением ими ключевых фактов, а значимые для практики результаты добываются в процессе решения циклов задач. Последнее позволяет без значительного увеличения объема курсов существенно расширить круг изучаемых вопросов, обеспечивает проблемно-ориентированный характер обучения и отвечает задаче сближения содержания физики как учебной дисциплины с содержанием физики как науки и деятельности.

В отличие от принятого в преподавании следующих за общим курсом физики специальных физических дисциплин построения теоретического курса и лабораторного практикума из отдельных, относящихся к разным материалам и приборным структурам, вопросов и работ, в диссертации развивается методический подход к организации учебного материала на основе разделов лекционного курса и циклов учебно-исследовательских заданий, направленных на разностороннее и углубленное изучение физики определенных классов материалов и приборных систем твердотельной электроники. Показано, что реализация этого подхода дает студентам опыт целостной практико-ориентированной исследовательской деятельности на предметном материале высокой научной и практической значимости.

Обоснована дидактическая целесообразность и раскрыты возможности включения в содержание целостного исследовательского обучения физическим основам твердотельной электроники методов нанотехнологий, осваиваемых в логике задачного подхода в общем курсе физики и далее применяемых студентами в их поисково-познавательной деятельности по решению проблем диагностики и получения материалов и приборных систем с заданными свойствами.

Обоснована целесообразность проектно-исследовательской деятельности студентов по решению актуальных физико-технических задач как эффективного средства приобретения ими опыта логически завершенной деятельности. Развит методический подход к ее организации, открывающий возможности овладения студентами современными исследовательскими методами и их системного использования для получения конструктивных результатов.

Теоретическая значимость работы заключается в следующем:

- постановке и обосновании проблемы научно-методического обеспечения целостности исследовательского обучения физике при подготовке педагогических кадров;

- определении понятия целостного исследовательского обучения в его содержательном, методологическом и организационном аспектах;

- определении требований к организации целостного исследовательского обучения физике;

- определении требований к отбору содержания и обосновании целесообразности выбора физических основ твердотельной электроники как предметной основы целостного исследовательского обучения физике при подготовке педагогических кадров;

- определении принципов проектирования содержания исследовательского обучения в специальных физических дисциплинах на основе структурных единиц, укрупненных до разделов лекционных курсов и циклов учебно-исследовательских заданий в лабораторных практикумах, посвященных физике определенных классов объектов (материалов и приборных систем) твердотельной электроники;

- определении роли и места освоения современных методов экспериментальной и вычислительной физики как эффективного средства обеспечения целостности исследовательского обучения;

- обосновании целесообразности проектно-исследовательской деятельности студентов в формировании их готовности к целостному и результативному решению значимых для науки и практики задач.

Практическое значение работы состоит в следующем. Полученные результаты в части развиваемых методических подходов к освоению физических основ твердотельной электроники в общем курсе физики, специальных физических дисциплинах и в проектно-исследовательской деятельности студентов доведены до уровня конкретных методических разработок и рекомендаций, которые используются в подготовке педагогических кадров по физике.

Для общего курса физики разработаны циклы задач, направленные на определение функциональных возможностей материалов и приборов твердотельной электроники, а также освоение используемых в ней современных методов наукоемких технологий.

Для следующих за общим курсом физики специальных физических дисциплин разработаны разделы лекционного курса, семинарские занятия и лабораторный практикум, состоящий из шести циклов учебно-исследовательских заданий по физике материалов и приборов твердотельной электроники, основанные на значимом для науки и практики предметном материале.

Развит методический подход к организации проектно-исследовательской деятельности, основанной на использовании современных методов получения и диагностики наноструктур в системной и логически завершенной продуктивной деятельности.

Предложенное в работе научно-методическое обеспечение целостного исследовательского обучения физике использовано при составлении и реализации образовательных программ, отвечающих Государственным образовательным стандартам II-ого и III-его поколений по направлениям педагогического образования: «Физико-математическое образование», «Технологическое образование», в том числе оригинальных программ по основам нанотехнологий.

Логика и основные этапы исследования

Исследование проводилось с 1996 по 2010 годы. В течение этого периода можно выделить три этапа, на которых решались следующие задачи.

Первый этап (1996 - 2002 гг.) состоял в изучении опыта исследовательского обучения физике, выявлении и анализе основных имеющихся здесь противоречий, формулировании проблемы исследования, поиске подходов к ее решению. Выполнены констатирующий и поисковый этапы педагогического эксперимента, в результате чего установлена целесообразность достижения целостности исследовательского обучения физике в подготовке педагогических кадров и обоснована необходимость его научно-методического обеспечения. На основании полученных здесь результатов сформулированы цель и задачи исследования.

На втором этапе (2003 - 2007 гг.) исследования развита концепция целостного исследовательского обучения физике при подготовке педагогических кадров с опорой на предметное содержание физики материалов и приборов твердотельной электроники, изучаемых в общем курсе физики, в специальных физических курсах и в процессе работы студентов в научных лабораториях. Разработаны методические подходы к организации лекционных, семинарских и практических занятий студентов, их проектно-исследовательской деятельности, предложены конкретные рекомендации, отвечающие целевым установкам диссертационного исследования. Определены критерии оценки эффективности предлагаемых методических подходов и выполнен формирующий этап педагогического эксперимента, в результате чего доказана их целесообразность.

Третий этап (2008 - 2010 гг.) связан с апробацией разработанного научно-методического обеспечения в практике подготовки педагогических кадров по физике в вузах, проведением контрольного этапа педагогического эксперимента на основе предложенных соискателем методических материалов, подготовкой учебных программ общего курса физики и специальных физических дисциплин, отвечающих требованиям целостного исследовательского обучения.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Необходимость формирования значимых для преподавателя в современных условиях способностей и готовности к творческой самореализации в профессиональной деятельности делает целесообразным, а созданное в работе научно-методическое обеспечение - возможным целостное в содержательном, методологическом и организационном аспектах исследовательское обучение физике при подготовке педагогических кадров.

2. Обеспечению целостности исследовательской подготовки педагогических кадров в плане предметной основы обучения отвечает содержание физических основ твердотельной электроники, осваиваемое студентами непрерывно, начиная с общего курса физики, и системно, включая освоение аналитических возможностей современных экспериментальных методов, на основе использования единых методических подходов.

3. Эффективным средством достижения содержательной целостности исследовательского обучения является освоение студентами физики определенных классов материалов и приборов твердотельной электроники, осуществляемое в процессе решения проблемно-ориентированных циклов задач - преимущественно аналитического в общем курсе физики и экспериментального - в практикуме по специальным дисциплинам.

4. Возможности обеспечения, наряду с содержательной, методологической целостности исследовательского обучения открывает реализация полного исследовательского цикла в процессе освоения студентами электронных свойств твердых тел в общем курсе физики и современных, признанных, в том числе удостоенных Нобелевской премии и отраженных в лекциях ее лауреатов, достижений твердотельной электроники в специальных физических дисциплинах.

5. Наиболее полно целостность, в том числе в ее организационном аспекте, достигается посредством освоения и использования студентами аналитических возможностей современных экспериментальных методов наукоемких технологий твердотельной электроники, включая технологии наноэлектроники, в процессе проектно-исследовательской деятельности, направленной на решение актуальных физико-технических проблем.

Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в процессе выступлений на конференциях и семинарах:

V, VII-X-ой международных конференциях «Физика в системе современного образования» (ФССО-99, ФССО-03, ФССО-05, ФССО-07, ФССО-09) (Санкт-Петрбург, 1999 г., 2003 г., 2005 г. 2007 г., 2009 г.); VIII-X-ой международных учебно-методических конференциях «Современный физический практикум» (Москва, 2004 г.; Волгоград, 2006 г.; Астрахань, 2008 г.); XI-ой Российско-Американской научно-практической конференции по актуальным вопросам современного университетского образования (Санкт-Петербург, 2008 г.); VII-VIII-ой международных научно-методических конференциях «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» (Москва, 2008 г., 2009 г.); V-ой Российской научно-методической конференции преподавателей вузов и учителей школ «Школа и вуз: достижения и проблемы непрерывного физического образования» (Екатеринбург, 2008 г.); Научно-методической школе-семинаре по проблеме «Физика в системе инженерного и педагогического образования стран ЕврАзЭС» (Москва, 2008 г.); VIII-ой Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы преподавания физико-технических дисциплин» (Пенза, 2008 г.); X-XI-ой международных конференциях «Физика диэлектриков» (Диэлектрики-2004, Диэлектрики-2008) на секциях, посвященных методике обучения физике (Санкт-Петербург, 2004 г.; 2008 г.); а также на ежегодных международных научно-методических конференциях «Герценовские чтения» (Санкт-Петербург, РГПУ им. А. И. Герцена) и на семинарах кафедр методики обучения физике и физической электроники РГПУ им. А.И. Герцена.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем текста 346 страниц. Список литературы содержит 326 наименований. Работа иллюстрирована 80 рисунками и 17 таблицами.

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 «Проблема научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения физике в подготовке педагогических кадров» осуществляются постановка проблемы исследований, обоснование необходимости ее решения в плане реализации общедидактических и частнометодических принципов физического образования, повышения его качества и эффективности; раскрывается потенциал содержания физических основ твердотельной электроники как предметной основы.

В результате проведенного в работе анализа содержания и организации подготовки педагогических кадров по физике на предмет их соответствия требованиям к исследовательскому обучению и его целевым установкам выявлен ряд противоречий, основными из которых являются следующие.

1. Противоречие между необходимостью приобретения студентами умений и опыта системного, логически завершенного освоения предметного материала, в том числе знаний о методах и средствах исследовательской деятельности, отвечающего магистральным для современных науки и практики направлениям развития, и далеким от передовых достижений содержанием физического образования при подготовке педагогических кадров.

2. Противоречие между необходимостью освоения обучающимися методологии исследовательской деятельности во всей полноте и фрагментарностью ее представленности в обучении физике при подготовке педагогических кадров.

3. Противоречие между необходимостью обеспечения активного, поискового характера деятельности студентов по выбору, освоению и реализации методов исследования как цели и средства целостного исследовательского обучения и преобладающими в практике обучения физике их заданностью и обеспеченностью.

4. Противоречие между необходимостью непрерывной практико-ориентированной исследовательской подготовки на всем протяжении обучения, во всех формах организации деятельности; преемственности приобретаемых студентами знаний и умений и представленностью такой деятельности в основном лишь в квалификационных работах студентов.

Выявленные противоречия явились предпосылкой для постановки проблемы разработки научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения в подготовке педагогических кадров по физике, предполагающего:

- содержательную целостность в плане полноты, широты охвата предметного материала от постановки проблемы до соотнесения ее решения с современными запросами науки и социума, представленности в нем наряду с результатами методов и средств их получения, единства фундаментальной и прикладной составляющих;

- методологическую целостность в плане представленности в процессе освоения предметного содержания всех форм научного знания и познания в последовательности и взаимосвязи, отвечающих методологии научного поиска;

- организационную целостность в плане непрерывности осуществления и единства методических подходов к обучению на всем его протяжении, во всех формах организации учебно-познавательной и исследовательской деятельности студентов с обеспечением при этом соответствующей динамики расширения проблемного поля исследований и повышения требований к их продуктивности.

Показано, что решение сформулированной проблемы находится в русле реализации ряда общедидактических принципов в высшем профессиональном образовании:

- принципа научности в силу направленности на приведение содержания физического образования в соответствие с состоянием современных научных знаний, отражения в нем методов научного познания в конкретном их проявлении;

- принципа системности в силу направленности на формирование у студентов целостных предметных знаний, включая методологические знания, необходимые для понимания структурных связей в системе;

- принципа доступности в силу расширения осваиваемого студентами проблемного поля и их познавательных возможностей;

- принципа дифференцированного и индивидуального подходов к обучению в силу широты освоения содержания и методологии поисково-познавательной деятельности, позволяющей учесть индивидуальные интересы и способности обучаемых;

- принципа мотивации к обучению в силу продуктивности целостного исследовательского обучения;

- принципа профессиональной направленности обучения в силу формирования у студентов качеств мышления и умений, необходимых для решения профессионально-педагогических задач.

В методическом плане принципиальное значение имеют присущие целостному исследовательскому обучению физике:

- синтез фактологической и методологической составляющих в его содержании;

- приведение в единую систему универсальных умений обоснования необходимости эксперимента, выбор (разработка) его методики и ее реализация;

- сущностный анализ экспериментальных результатов;

- выбор (разработка) физической и математической моделей изучаемого явления и их анализ;

- детальное сопоставление результатов эксперимента и теории;

- формулирование вытекающих из модельных представлений следствий и их экспериментальная проверка;

- применение полученных знаний в практических целях.

При этом оказываются востребованными основные операции мыслительного процесса, критичность мышления, методы и механизмы творческой познавательной деятельности. Это позволяет заключить, что решение поставленной проблемы отвечает задаче развития средствами физического образования интеллекта и творческих способностей личности.

Показано, что целостность исследовательской подготовки является важным фактором, способствующим повышению качества физического образования в части качества его результатов, способствуя расширению опыта познавательной деятельности, повышению уровня и прочности освоения ее опыта, осознанности и обобщенности действий; качества содержания в части его полноты, научности и, наконец, качества технологии обучения, приближая его к реальной научной деятельности. Соответствуя деятельностному и развивающему подходам к физическому образованию, целостное исследовательское обучение в подготовке педагогических кадров по физике отвечает и задаче повышения эффективности образования во всех ее компонентах: обученности, обучаемости и адаптируемости выпускника вуза.

Научно-методическое обеспечение целостного исследовательского обучения физике предполагает разработку конкретных форм и методов освоения студентами содержания образования, организации их познавательной деятельности, что делает необходимым, в свою очередь, опору на определенный предметный материал. Выбор последнего должен осуществляться с учетом ряда требований, основными из которых представляются следующие:

- высокий уровень научной и практической значимости;

- представительность предметного материала в содержательном и методологическом аспектах;

- разработанность, наличие общепринятых, устоявшихся концептуальных основ;

- состояние развития;

- выразительная связь предметного материала с общими знаниями, фундаментальными модельными представлениями физики;

- доступность для обучаемых с необходимым стартовым уровнем знаний и умений;

- возможность реализации в обучении системного освоения методологии исследовательской деятельности.

Указанным требованиям к отбору содержания целостной исследовательской подготовки отвечают физические основы твердотельной электроники. Последняя - лидер среди прикладных наук в учебных планах подготовки педагогических кадров по физике, присутствуя, сначала фрагментарно, в общем курсе физики, а затем и в следующих за ним спецкурсах, предполагающих систематическое изучение основ физики материалов и приборов электронной техники. Лидирующее положение твердотельной электроники связано с присутствием ряда ее вопросов в содержании школьного курса (поляризация диэлектриков, электропроводность твердых тел, элементы физики полупроводниковых приборов и др.), ее ролью в понимании принципов действия популярных технических устройств, в первую очередь компьютеров, и содержания высоких (наукоемких) технологий. Сказанное определяет значение предметного материала физических основ твердотельной электроники для физического образования в его мотивационном аспекте - формировании познавательного интереса и ценностного отношения к физическим знаниям.

Наряду с мотивационным аспектом обучение физическим основам твердотельной электроники существенно для физического образования в его содержательном и процессуальном аспектах. Их освоение, кроме необходимых для профессиональной деятельности преподавателя указанных выше знаний, способствует достижению важнейшей цели физического образования - формирования физического понимания, вплоть до его высшего, следуя А. С. Кондратьеву, уровня - прогнозирования явлений, проявляющегося здесь в конструировании материалов и приборных структур с заданными функциональными свойствами, когда, говоря словами Нобелевского лауреата по физике Лео Есаки, «вместо Богом созданных кристаллов, мы сами создаем “кристаллы, сделанные человеком”».

Включение основ физики материалов и приборных структур твердотельной электроники в физическое образование при подготовке педагогических кадров отвечает логике решения таких его проблем, как:

– интеграция знаний вследствие опоры на целый ряд фундаментальных физических моделей;

– преодоление формализма в знаниях физики в силу наполнения учебного курса конкретным, значимым для науки и практики материалом, что повышает мотивацию к получению новых знаний;

– обеспечение высокого уровня организации и динамичности умственной деятельности учащихся;

– расширение круга изучаемых фундаментальных физических явлений благодаря включению в учебный курс явлений, наблюдаемых в приборных системах твердотельной электроники;

– формирование присущего современной физике нелинейного стиля мышления на основе изучения физики нелинейных электрических и оптических процессов, самоорганизации в конденсированных средах;

– целостное освоение и результативное использование методологии исследовательской деятельности.

Таким образом, предметный материал физических основ твердотельной электроники предоставляет широкие возможности для исследовательского обучения, обеспечивая подготовку специалистов, способных в профессиональной деятельности к полноценному творчеству, которое, следуя Я. А. Пономареву, «заключается не в том лишь, что у человека возникают интересные идеи, а в том, что эти идеи воплощаются в соответствующий продукт, делающийся достижением общества, доступный восприятию, пониманию и оценке людей».

Во второй главе «Целостное исследовательское обучение в процессе освоения общего курса физики» раскрываются и обосновываются методические подходы к его проектированию и реализации на первом и основном в подготовке педагогических кадров этапе физического образования.

Сформулированы основные требования, определяющие отбор содержания физических основ твердотельной электроники и организацию процесса их освоения в рамках общего курса физики. В части отбора содержания к ним относятся следующие.

1. Актуализация содержания курса за счет введения в него проблематики современной физики материалов и приборных структур твердотельной электроники.

2. Обогащение содержания курса достижениями современной физики при сохранении его логической целостности.

3. Расширение круга доступных для полноценного анализа фундаментальных физических явлений благодаря использованию приборных структур твердотельной электроники.

4. Использование возможностей моделирования явлений квантовой микрофизики на макроскопических объектах твердотельной электроники.

5. Возможность обеспечения непрерывности освоения предметного содержания изучаемого материала в рамках отдельных разделов и всего курса.

6. Представительность в плане востребованности целостного использования методологии исследовательской деятельности, в том числе экспериментальной, в условиях вузовской лаборатории.

К основным требованиям к организации целостного исследовательского обучения на предметном материале физических основ твердотельной электроники относятся следующие.

1. Методика и технологии исследовательского обучения должны соответствовать принятой в современной науке «проблемной методологии» с максимально возможной активностью обучаемых в постановке проблемы, поиске и реализации подходов к ее решению.

2. Методика обучения должна в максимально возможной степени основываться на задачном подходе, обеспечивающем неформальное, сущностное освоение знаний, востребованность принципиально важных для поисково-познавательной деятельности методов.

3. Содержание теоретической части курса должно строиться как развивающаяся в связи с запросами со стороны эксперимента система моделей; ее освоение должно, по возможности, предваряться самостоятельным установлением студентом на эксперименте ключевых фактов и их предварительным анализом.

4. Сопоставление теории и эксперимента должно осуществляться на основе конкретных результатов исследований физики материалов и приборных структур твердотельной электроники как на качественном, так и на количественном уровне.

5. Исследовательская деятельность должна быть продуктивной в плане формирования физического понимания в целом, включая его наиболее высокий уровень - прогнозирование конструктивного результата.

Реализацию этих требований рассмотрим на примере освоения студентами раздела общего курса физики «Электропроводность полупроводников», где они изучают проблемы электроники твердых тел в неметаллическом состоянии. Здесь студенты экспериментально устанавливают характерные величины и активационный характер температурной зависимости концентрации носителей заряда и проводимости в полупроводниках (Ge, Si, GaAs), высокую чувствительность проводимости полупроводников к содержанию электрически активных примесей, концентрационный переход «полупроводник - металл» в сильно легированных полупроводниках, обратный переход сильно легированного полупроводника в неметаллическое состояние при увеличении степени компенсации основной примеси.

Далее в процессе лекционного исследования и самостоятельной информационно-аналитической деятельности студентов осваиваются адекватные полученным результатам модельные представления. Так, при построении модели андерсоновского перехода в сильно легированных и сильно компенсированных полупроводниках студенты, направляемые преподавателем, оценивают масштаб флуктуаций потенциала случайного поля неупорядоченной системы заряженных примесных центров, анализируют перенос заряда в зависимости от положения уровня Ферми по отношению к уровню протекания, объясняют на основе построенной электронной модели сам наблюдаемый переход и делают прогноз о наличии в такой системе с крупномасштабными флуктуациями потенциала долговременной релаксации фотопроводимости, который проверяют экспериментально. Отмечаются возможности практического использования последнего эффекта для создания устройств записи оптической информации.

В работе показано, что ключевые вопросы физических основ твердотельной электроники могут осваиваться в общем курсе физики на основе решения циклов задач, объединенных общей проблемой. Эти задачи могут относиться как к отдельным разделам общего курса физики, так и к целому их ряду.

В части классической физики разработан предназначенный для раздела «Электричество» вариант цикла задач, ориентированный на изучение проблемы повышения удельных характеристик конденсаторов. Он включает в себя задачи оценки возможностей повышения диэлектрической проницаемости композиционных материалов (слоистых, статистических смесей, матричных систем), используемых в качестве конденсаторных диэлектриков, и развития поверхности электродов. Первая задача цикла состоит в определении диэлектрической проницаемости слоистых диэлектриков; полученные результаты являются стартовыми для решения следующей задачи - определения диэлектрической проницаемости композиционного диэлектрика с хаотическим распределением компонентов и ее температурного коэффициента. Далее, переходя к матричным системам, аналитически выводятся формулы Вагнера и Бруггемана. Располагая последней, студенты решают задачу оценки сверхвысокой диэлектрической проницаемости (порядка 10⁴) керамических материалов на основе полупроводника с межзерновыми изолирующими слоями. В части оценки возможности повышения удельной емкости конденсаторов посредством увеличения площади электродов студентам предлагается определить зависимость емкости конденсатора на основе металлической фольги с развитой поверхностью от концентрации и диаметра созданных в ней цилиндрических каналов.

В разделе «Квантовая физика» предлагается решение цикла задач по оценке влияния на вольт-амперную характеристику полупроводниковых диодов физических параметров рабочего материала: ширины запрещенной зоны полупроводника, концентрации электрически активных примесей, а также температуры. Наряду с неформальным освоением физики p-n переходов, традиционно изучаемой в общем курсе, на основе решения задач данного цикла формируются представления о принципе действия туннельных диодов на основе сильно легированных полупроводников.

Решение указанных циклов задач предлагается координировать с выполнением соответствующих экспериментальных заданий, что обеспечивает достижение не только содержательной, но и методологической целостности обучения.

В качестве варианта цикла задач, охватывающего целый ряд разделов курса общей физики, предлагается цикл задач, направленных на решение проблемы физических ограничений минимальных размеров элементов микроэлектроники. В качестве оцениваемого выступает важнейший параметр, определяющий степень интеграции, - длина канала приборов на основе структур «металл - диэлектрик - полупроводник». В разделе «Электричество» оцениваются ограничения, обусловленные дробовым эффектом, разогревом носителей заряда в сильном электрическом поле, джоулевым разогревом; в разделе «Статистическая физика» - ограничения, связанные с устойчивостью технологического процесса по отношению к флуктуациям концентрации примесей; в разделе «Квантовая физика» минимальная длина канала оценивается из соображений недопустимости смыкания p-n переходов в областях истока и стока. Существенно, что решение указанных задач цикла дает сходящиеся оценки минимальной длины канала.

Из сказанного следует, что реализация развитых методических подходов к освоению элементов физики материалов и приборных структур твердотельной электроники обеспечивает активный характер деятельности студентов, который проявляется в следующем:

- освоении содержания лекций, построенных в форме лекционного исследования, проводимого (направляемого) преподавателем совместно со студентами;

- самостоятельной работе студентов по решению ключевых для обсуждаемой проблемы вопросов, осуществляемой в логике задачного подхода;

– выполнении студентами экспериментальных исследовательских заданий, координированных по своему содержанию с лекционными занятиями.

Важным средством обеспечения целостности исследовательского обучения является освоение студентами современных методов физического эксперимента, требующее использования всего арсенала исследовательской деятельности. В настоящей работе развита методика освоения в общем курсе физики широко используемых в метрологии и технологии современной твердотельной электроники (наноэлектроники) методов сканирующей зондовой микроскопии. Аналитические возможности этих методов предлагается осваивать на основе задачного подхода; экспериментальное исследование, осуществляемое студентами на зондовом микроскопе, - координировать с решением вышеуказанных задач и осуществлять в последовательности их решения.

...