Методика преподавания микро- и наноэлектроники в курсе физики профильных классов (на примере сельской школы)
Выявление современного состояния проблемы формирования нового знания в области микро- и наноэлектроники в профильных классах средней школы. Разработка программы, содержания и методики изучения элективного курса по микроэлектронике и наноэлектроники.
| Рубрика | Педагогика |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.09.2018 |
| Размер файла | 88,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Методика преподавания микро- и наноэлектроники в курсе физики профильных классов (на примере сельской школы)
13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания (физика)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата педагогических наук
ОФИЦИН Сергей Иванович
Рязань 2009
Работа выполнена на кафедре общей и теоретической физики и методики преподавания физики государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина»
Научный руководитель доктор технических наук, профессор КРАСНИКОВ Анатолий Сергеевич
Официальные оппоненты доктор физико-математических наук, профессор БАННАЯ Вера Федоровна, ГОУ ВПО «Московский государственный гуманитарный университет»
кандидат педагогических наук, доцент АБРОСИМОВ Павел Викторович ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет» Рязанский институт (филиал)
Ведущая организация ГОУ ВПО МО «Коломенский государственный педагогический институт»
Защита состоится «24» ноября 2009 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.212.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора педагогических наук в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина» по адресу: 390000, Рязань, ул. Свободы, д. 46, ауд. 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина» по адресу: 390000, Рязань, ул. Свободы, д. 46.
Автореферат диссертации размещен на сайте Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина www.rsu.edu.ru
Автореферат разослан « » 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Б.С. Кирьяков
Общая характеристика работы
Актуальность и значимость темы исследования объясняются изменениями, происходящими в Российском образовании. В «Концепции модернизации Российского образования на период до 2010 г.» отмечено формирование школой ключевых компетенций, основанных на профильных достижениях учащихся как результате обучения по программам профильной подготовки и дополнительного образования.
Одним из направлений модернизации содержания образовательного процесса школьного профильного курса физики служит изучение физико-технических основ микро- и наноэлектроники. Оно продиктовано необходимостью формирования у учащихся новых знаний в соответствии с научно-техническим прогрессом современного мира.
Микроэлектроника в настоящее время является в основном интегральной, поскольку создание большинства современных полупроводниковых конструкций немыслимо без использования принципа интеграции. Одним из важнейших факторов, стимулирующих развитие интегральной электроники, является низкая стоимость ее элементов. Только современные интегральные схемы позволяют создавать электронно-вычислительные машины, мобильные телефоны, аудио и видеотехнику, доступные рядовому потребителю. Вторым фактором, способствовавшим прогрессу интегральной электроники, являются чрезвычайно малые габариты интегральных схем при сохранении сложности и многообразия выполняемых ими функций и весьма низком энергопотреблении.
В настоящее время типичные размеры элементов интегральных схем составляют единицы микрометра, а толщины диэлектрических пленок - десятки и сотни нанометров. Такие схемы требуют обычно питающих напряжений, измеряемых единицами вольт, а мощность, потребляемая схемой средней степени интеграции, часто не превышает 10-6 Вт. Актуальность разработок в области наноэлектроники (создание полупроводниковых гетероструктур и интегральных схем) отмечена присуждением в 2000 г. Нобелевской премии Ж.И. Алферову, Г. Крамеру, Дж. Кибли.
В связи с глобальным распространением конструкций, созданных на основе микро- и наноэлектроники, воспитание компетентного в данной области знания человека становится очевидным. За последние годы наметилась тенденция снижения мотивации у участников образовательного процесса к изучению физических основ и принципа действия различных конструкций на базе микро- и наноэлектроники. Это послужило формированию у старшеклассников только навыков «пользователя» современной аппаратуры.
Понятия «микро- и наноэлектроника» включают в себя очень широкий спектр вопросов, среди которых можно реально рассматривать в школьном курсе физики лишь ту часть, которая не требует специальной теоретической подготовки. Поэтому необходимо внимательно подбирать содержание тем, отвечающих принципам школьного физического образования: доступности, научности и методичности.
Усиление внимания к обновлению образования, его приближению к заказу социума обусловлено рекомендациями Совета Европы (Берн, 1996 г.) Становится важным разработка программ элективных учебных курсов для физико-математического и индустриально-технологического направлений в соответствии с Приложением к приказу Минобразования России №1312 от 09.03.04 г., создание методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в школьном профильном курсе физики.
В настоящее время классическая методика преподавания физики для средней профильной школы имеет существенные пробелы в изучении физико-технических основ микро- и наноэлектроники. Формирование у учащихся нового знания в данной области стало педагогической проблемой по причине недостаточного оснащения физических кабинетов и лабораторий средних образовательных учреждений, особенно сельских, современным учебно-методическим комплексом. Обучение старшеклассников экспериментальной и конструкторской деятельности значительно повысит мотивацию к получению ими нового физического знания, в частности по микро- и наноэлектронике. Усиление роли технического творчества, проектной деятельности школьников приведет к повышению их ключевых компетенций.
Общедидактическая теория содержания школьного образования рассматривается в трудах С.В. Анофриковой, М.А. Бобковой, Л.А. Бордонской, А.И. Бугаева, Л.А. Ивановой, С.Е. Каменецкого, А.П. Лиферова, Т.И. Носовой, В.П. Орехова, Н.Е. Парфентьевой, А.В. Перышкина, Н.С. Пурышевой, И.Г. Пустильника, В.Г. Разумовского, Л.П. Свиткова, М.М. Терентьева, В.В. Усанова, А.В. Усовой и др.
Вопросы постановки учебного эксперимента в процессе формирования физических понятий представлены в работах А.В. Бурова, Б.С. Зворыкина, А.П. Кузьмина, А.А. Покровского, И.М. Румянцева, Т.Н. Шамало и др.
Теоретические основы физики поверхности в микро- и наноэлектронике изложены в трудах Ж.И. Алферова, П.А. Арсеньева, А.В. Войцеховского, А.А. Евдокимова, Н.А. Кульчинского, В.Г. Литовченко, А.А. Мельникова, В.Г. Попова, В.И. Свитова. Физико-технические аспекты проблемы описаны Л.Н. Бочаровым, Р.Г. Варламовым, С.К. Жебряковым, И.Ф. Колесниковым, Ю.Н. Ронжиным, В.А. Степановым, Н.Н. Путятиным. Примеры самодельных наглядных пособий по радиотехнике и радиоэлектронике представлены В.Г. Борисовым, А.И. Левак и др.
Среди работ, посвященных исследованию психолого-педагогических проблем школьного образования, есть труды Л.С. Выготского и Р.С. Немова. Компетентностный подход в оценке индивидуальных образовательных достижений учащихся изложен в работах Т.Б. Абрамовой, Н.Г. Корнейщука, Ш.Г. Рубина, В.А. Сластенина, А.В. Хуторского и др.
Проведенный анализ современной психолого-педагогической, методической, научно-технической литературы указал на необходимость формирования ключевых компетенций у учащихся при изучении физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в профильных классах. Это является одним из главных компонентов комплексного обучения физико-математическим дисциплинам, построенного на проектном методе.
Анализ показал, что проблема формирования ключевых компетенций у старшеклассников сельской профильной школы в данной области знания не нашла должного отражения в работах педагогов-исследователей. Обширные экспериментальные и технические знания, которыми живет современная физическая наука, остаются незнакомыми для учащихся, а как следствие этого - снижение познавательного интереса молодежи к естественным наукам и, в первую очередь, к физике.
Вышеизложенное позволяет выявить следующие противоречия:
между действующей методикой, содержанием курса физики в средней школе и новыми современными требованиями к формированию ключевых компетенций у учащихся по микроэлектронике и элементам наноэлектроники;
между потенциальными возможностями демонстрационного и лабораторного эксперимента, физического практикума при изучении микроэлектроники в образовательном процессе и их недостаточной реализацией в практике профильной сельской школы.
Отсюда возникает проблема исследования: какой должна быть методика обучения физико-техническим основам микроэлектроники и элементам наноэлектроники, содержание в данной области знания для современной профильной сельской средней школы?
Актуальность проблемы исследования, ее недостаточная научная разработанность и практическая значимость определили выбор темы исследования: «Методика преподавания микро- и наноэлектроники в курсе физики профильных классов (на примере сельской школы)».
Объект исследования - процесс обучения физико-техническим основам микроэлектроники и элементам наноэлектроники в профильной сельской школе.
Предмет исследования - методика преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники, включающая содержание (дискретные и интегральные компоненты электрической цепи), принцип действия устройств (модель радиоприемника, микросхемы, усилителя мощности), лабораторный физический эксперимент в профильных классах сельской средней школы.
Гипотеза исследования - обучение физике в профильной сельской школе станет более эффективным, если обеспечить интеграцию физико-математического и индустриально-технологического профилей и разработать учебно-методический комплекс по микроэлектронике и элементам наноэлектроники, содержащий:
экспериментальную образовательную программу элективного курса для физико-математического и индустриально-технологического классов, программу для объединения по интересам дополнительного образования детей и подростков;
комплект лабораторных и демонстрационных экспериментальных установок, созданных в процессе проектной формы обучения, с методическим обеспечением, способствующий формированию у учащихся ключевых компетенций.
Цель исследования - разработка методики изучения в профильной сельской школе технических достижений в области микро- и наноэлектроники, включающей новое содержание.
В соответствии с целью, предметом и выдвинутой гипотезой определены следующие задачи исследования.
Выявление современного состояния проблемы формирования нового знания в области микро- и наноэлектроники в профильных классах средней школы.
Разработка программы, содержания и методики изучения элективного курса по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для профильных классов средней школы, включая авторские лабораторные работы и демонстрационные установки.
Создание программы, содержания и методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в дополнительном образовании - компонент комплексной образовательной системы профильных классов (на примере объединения «Радиотехническое» Дома детского творчества).
Проведение опытно-экспериментальной проверки эффективности использования разработанного авторского учебно-методического комплекса по микроэлектронике и элементам наноэлектроники с целью формирования у учащихся ключевых компетенций.
Для решения поставленных задач и проверки гипотезы использовались следующие методы: наноэлектроника школа изучение знание
теоретический анализ проблемы исследования на основе изучения научно-методической и психолого-педагогической литературы, материалов и публикаций в периодической печати, школьных учебных программ и учебных пособий, нормативных документов;
экспериментальная деятельность учащихся поискового характера в ходе разработки лабораторных установок, конструирования демонстрационных моделей по микроэлектронике и элементам наноэлектроники;
анализ деятельности учащихся при выполнении заданий экспериментального содержания (фронтальные лабораторные работы, физический практикум, демонстрационный эксперимент по микроэлектронике и элементам наноэлектроники);
педагогический эксперимент по проверке гипотезы исследования; качественный и количественный анализ результатов эксперимента; методы математической статистики по обработке данных педагогического эксперимента);
обсуждение результатов исследования на научно-методических конференциях, семинарах.
Основные этапы исследования:
В соответствии с поставленными задачами исследование осуществлялось в течение 5 лет (с 2005 г. - по 2009 г.) в несколько этапов.
Первый этап (2005-2006 гг.) включал изучение литературы по проблеме исследования, состояния физико-технического образования в профильной средней школе, опыта практической работы учителей и педагогов дополнительного образования Рязанской области, проведение констатирующего эксперимента. В этот период были определены проблема, цель, гипотеза и задачи исследования.
На втором этапе (2006-2007 гг.) в ходе опытной работы проведен формирующий эксперимент, определено содержание авторских лабораторных работ, вводимых в образовательный процесс школьного профильного курса физики, изготовлены и апробированы новые демонстрационные установки по микроэлектронике и элементам наноэлектроники, разработаны методические рекомендации по их применению на уроке.
Третий этап (2007-2009 гг.) содержал педагогический эксперимент по проверке гипотезы исследования, обработку и обобщение полученных результатов; формулирование теоретических выводов, анализ и обсуждение опытно-экспериментальной работы.
Экспериментальная база исследования. Педагогический эксперимент и исследования выполнены на базе физико-математического класса муниципального общеобразовательного учреждения «Тумская средняя общеобразовательная школа №46» Клепиковского муниципального района Рязанской области. Конструкторско-исследовательская работа осуществлена на базе объединения по интересам «Радиотехническое» муниципального образовательного учреждения дополнительного образования детей «Тумский Дом детского творчества». Апробация экспериментальных лабораторных работ по микроэлектронике и элементам наноэлектроники также проведена в лаборатории специального физического практикума, лаборатории квантовой электроники кафедры общей и теоретической физики и методики преподавания физики Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина. На отдельных этапах эксперимента участвовали три сельских школы Клепиковского муниципального района Рязанской области (муниципальные общеобразовательные учреждения: «Тумская средняя общеобразовательная школа №3», «Болоньская средняя общеобразовательная школа», «Спиринская средняя общеобразовательная школа») и Межрегиональный заочный лицей физики и математики «Авангард».
Научная новизна исследования:
Разработанный учебно-методический комплекс по микроэлектронике с элементами наноэлектроники носит авторский характер, предполагает интеграцию оригинальных экспериментальных программ, обеспечивающих формирование ключевых компетенций по физике у учащихся профильных классов сельской средней школы и учреждений дополнительного образования детей и подростков.
Предложенные лабораторные работы (изучение микросхемы на экспериментальной модели усилителя мощности низкой частоты с интегральной схемой, определение параметров униполярного и биполярного транзисторов, изучение эволюции дискретных электронных компонентов электрической цепи и конструкций на их основе, …) базируются на оригинальных установках и методическом обеспечении, посвящены рассмотрению актуальных вопросов, которые обычно не рассматриваются в курсе физики средней школы.
На новой предметной базе продемонстрирована эффективность комплексного подхода к организации проектной, экспериментальной и исследовательской деятельности учащихся при взаимодействии различных образовательных структур (сельских средних школ, домов детского творчества, заочных школ и лицеев).
Теоретическая значимость. Результаты исследования расширяют дидактические возможности методики преподавания физико-технических основ микро- и наноэлектроники в профильных классах (на примере сельской школы), включают функциональную последовательность изучения физики электронного строения полупроводников, конструкций и технологий изготовления моделей и радиоэлектронных устройств, в сочетании с дополняющими друг друга различными видами учебных занятий, обеспеченных новым демонстрационным оборудованием и лабораторными работами физического практикума, широким использованием межпредметных связей (физики, технологии и радиотехники).
Практическая значимость исследования состоит в том, что методика формирования у учащихся теоретических знаний по микроэлектронике и элементам наноэлектроники, результаты педагогической деятельности могут служить для дальнейшей разработки системы формирования ключевых компетенций по физике в профильных классах не только сельской, но и городской средней школы. Прошедшие апробацию экспериментальные демонстрационные и лабораторные установки с соответствующими методическими рекомендациями найдут применение в учебном процессе физико-математического и индустриально-технологического профилей по обеспечению условий развития ключевых компетенций у старшеклассников. Предложенные экспериментальные образовательные программы по микроэлектронике с элементами наноэлектроники могут быть введены в профильное обучение с использованием конструкторской деятельности учащихся применительно к созданию ими опытных экземпляров учебного оборудования для уроков физики, что особенно актуально для сельских образовательных учреждений. Внедрение разработанной методики в учебный процесс комплексного обучения физико-математическим дисциплинам на примере муниципального общеобразовательного учреждения «Тумская средняя общеобразовательная школа №46» Клепиковского муниципального района Рязанской области повысило успешность освоения учебных программ и качество подготовки учащихся по физике.
Достоверность научных положений и выводов исследования обеспечена соблюдением основных требований, предъявляемых к организации и проведению педагогического эксперимента, обоснованностью исходных методологических положений, воспроизводимостью экспериментальных результатов, репрезентативностью выборки количества участников педагогического эксперимента; комплексным применением различных методов математической статистики.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялась в ходе опытно-экспериментальной работы на базе четырех физико-математических классов сельских муниципальных общеобразовательных учреждений Клепиковского муниципального района Рязанской области. Конструкторско-исследовательская работа проходила в объединении по интересам «Радиотехническое» муниципального общеобразовательного учреждения дополнительного образования детей «Тумский Дом детского творчества».
Основные теоретические положения диссертационного исследования и результаты опытно-экспериментальной работы докладывались на научно-практической конференции «Информационно-коммуникационные технологии в подготовке учителя технологии и учителя физики» (г. Коломна, 2007 г., 2008 г.); Международной научно-методической конференции, посвященной 105-летию со дня рождения А.В. Перышкина «Единство традиций и инноваций в системе непрерывного естественно-математического образования» (г. Рязань, 2007 г.); Российской научно-методической конференции «Управление качеством образования в системе учреждений дополнительного образования детей и подростков» (г. Рязань, 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Пути повышения качества воспитательной работы в образовательных учреждениях» (г. Рязань, 2008 г.); Четырнадцатой Всероссийской конференции «Учебный физический эксперимент. Актуальные проблемы. Современные решения» (г. Глазов, 2009 г.). Результаты исследований по материалам диссертации представлялись на заседаниях кафедры общей и теоретической физики и методики преподавания физики Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина, педагогических советах муниципального общеобразовательного учреждения «Тумская средняя общеобразовательная школа №46», методическом объединении учителей физики Клепиковского муниципального района Рязанской области.
Результаты исследования внедрены в учебный процесс физико-математического класса муниципального общеобразовательного учреждения «Тумская средняя общеобразовательная школа №46», кафедры общей и теоретической физики и методики преподавания физики Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина.
По теме исследования опубликовано 12 работ.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту
Экспериментальные образовательные программы по микроэлектронике и элементам наноэлектроники с тематическим планированием для физико-математического, индустриально-технологического классов средней школы и объединений учащихся по активизации их познавательной деятельности через проектную форму обучения.
Комплект авторских лабораторных работ и демонстрационных экспериментальных установок с методическим обеспечением для освоения учебных программ по физике в физико-математическом и индустриально-технологическом профилях по формированию ключевых компетенций у учащихся в области микро- и наноэлектроники.
Комплексный подход в обучении физико-математическим дисциплинам при взаимодействии различных образовательных структур (сельских средних школ, домов детского творчества, заочных школ и лицеев, …) способствует созданию единой образовательной среды, направленной на развитие экспериментальной и исследовательской деятельности учащихся, поиск нестандартных решений и формирование политехнических знаний.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 109 наименований и 7 приложений. Основной текст диссертации изложен на 182 страницах, содержит 13 таблиц и 39 рисунков.
Во введении обоснована актуальность темы, определены объект и предмет, сформулированы цель, гипотеза и задачи исследования, показаны научная новизна, теоретическая и практическая значимость результатов работы, раскрыты методология и методы исследований, сформулированы основные результаты и положения, выносимые на защиту, приводятся данные об апробации и внедрении результатов диссертационной работы.
В первой главе «Современное состояние проблемы формирования нового знания у учащихся профильных классов средней школы в области микро- и наноэлектроники» обозначена сущность имеющихся противоречий в методике преподавания данного вопроса, определены основные научно-методические направления исследований.
Во второй главе «Методика изучения физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в курсе физики профильной сельской средней школы» представлены экспериментальные образовательные программы по микроэлектронике и элементам наноэлектроники в виде элективного курса для профильных классов средней школы и объединения по интересам дополнительного образования детей и подростков, методика изучения отдельных вопросов тем, включенных в программы.
Средством формирования у учащихся профильных классов эмпирических знаний в области микроэлектроники и элементов наноэлектроники служат созданные автором диссертационного исследования новые демонстрационные экспериментальные модели по микро- и наноэлектронике, методика их конструирования и применения в образовательном процессе.
В главе описана методика постановки физического эксперимента по микроэлектронике с элементами наноэлектроники, имеются лабораторные работы, углубляющие и расширяющие знания школьников по физике.
В третьей главе «Эффективность применения методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в профильных классах сельской средней школы» отражены результаты проведенного педагогического эксперимента.
В заключении обобщены результаты исследования, изложены основные выводы, подтверждающие заявленную гипотезу, и положения, выносимые на защиту.
В приложении приведены материалы, отражающие ход и результаты экспериментальной работы, материалы справочного характера.
Основное содержание работы
В первой главе «Современное состояние проблемы формирования нового знания у учащихся профильных классов средней школы в области микро- и наноэлектроники» на основе теоретического анализа содержания действующих программ и учебных пособий по изучению физико- технических основ микро- и наноэлектроники показана необходимость модернизации содержания школьного физического образования в соответствии с новой образовательной парадигмой, представленной современными наукоемкими технологиями.
Характеризуя состояние методики преподавания микро- и наноэлектроники в средней профильной школе необходимо отметить актуальность решения задачи методического обеспечения образовательного процесса в данной области знания. Подчеркивается, что проблема создания методики преподавания физико-технических основ микро- и наноэлектроники впервые возникла в последнее десятилетие ХХ века и существенно не разрешена до настоящего времени. Имеющаяся в распоряжении учителя методика преподавания физики, написанная в период советской школы, содержит отдельные темы по изучению данной проблемы. Однако методика освещения современных научно-технических достижений в области микро- и наноэлектроники не нашла должного отражения в научно-методической литературе.
В ходе анализа выявлено различие между имеющимся учебно-методическим комплексом по физике и необходимым для формирования ключевых компетенций у учащихся в области микро- и наноэлектроники демонстрационным и лабораторным оборудованием. Показана недостаточная комплектация современным учебным оборудованием кабинетов физики сельских образовательных учреждений.
Учитывая актуальность компетентностного подхода в педагогической науке, проанализировано современное состояние формирования компетенций у учащихся. Обоснована необходимость определения компетенций при оценке индивидуальных достижений учащихся, в частности при изучении физико-технических основ микро- и наноэлектроники.
Анализ научно-методической литературы и нормативной документации позволил определить направления для проведения педагогического исследования:
Разработка программы, содержания и методики изучения физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в виде элективного курса по физике для учащихся 10, 11 классов.
Создание программы по изучению физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники для дополнительного образования школьников с целью построения комплексной образовательной системы, направленной на рассмотрение научно-технических проблем современного общества и привития практического интереса учащихся к конструкторской деятельности.
Разработка новых демонстрационных моделей и лабораторных установок по теме диссертационного исследования; подготовка методических рекомендаций по их применению в образовательном процессе уроков и внеклассных занятий.
Осуществление опытной проверки эффективности использования разработанного учебно-методического комплекса: экспериментальных демонстрационных моделей, лабораторных работ по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для формирования ключевых компетенций у учащихся.
Применение компетентностного подхода при оценке индивидуальных достижений учащихся в области изучения физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники.
Во второй главе представлена «Методика изучения физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в курсе физики профильной сельской средней школы».
На основе анализа современного состояния проблемы формирования ключевых компетенций у учащихся физико-математического и индустриально-технологического классов средней школы в области микро- и наноэлектроники создана авторская экспериментальная программа элективного курса.
Другая экспериментальная программа по изучению физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники разработана для дополнительного образования школьников. Программа объединения «Радиотехническое» является компонентом инновационной комплексной образовательной системы, в которой развитие познавательного интереса учащихся к физике осуществляется в процессе проектной формы обучения по конструированию электронных устройств на основе микроэлектроники и элементов наноэлектроники.
Успешное освоение данных программ возможно при методическом обеспечении процесса изучения отдельных вопросов тем курса. По-новому рассматривается вопрос об исторической роли радиолюбительства в формировании знаний о микроэлектронике, показана связь с эволюцией дискретных электронных компонентов электрической цепи и конструкций на их основе. Очевидный интерес вызывает методика освещения собственной электрической проводимости полупроводников на основе зонных представлений. Новое знание у учащихся формируется в процессе изучения технологии поверхности в микро- и наноэлектронике. Представлены фундаментальные научные достижения в области нанотехнологии.
Школьникам излагаются фундаментальные основы нанотехнологии в виде интеграции физики, технологии и химии с опорой на математический аппарат. Показана важность широкого использования наноэлектроники во многих областях науки и техники.
Средством формирования ключевых компетенций у учащихся по микроэлектронике и элементам наноэлектроники служат новые демонстрационные экспериментальные модели.
В ходе исследования создана авторская «Демонстрационная модель транзисторного радиоприемника», которая способствует знакомству учащихся с физико-техническим процессом работы радиоприемника прямого усиления. Устройство, сконструированное школьниками в процессе проектной деятельности, используется на уроках физики для показа эволюции радиоприемных средств на примере детекторного и транзисторного радиоприемников, лампового усилителя низкой частоты. На модели можно представить виды соединений и связей компонентов электрической цепи - полупроводников, сопротивлений, емкостей, индуктивностей. Конструкция транзисторного радиоприемника может быть использована при изучении отдельных вопросов тем профильного курса физики: «Ферромагнетики», «Изобретение радио А.С. Поповым», «Принципы радиотелефонной связи», а также на занятиях элективного курса.
Второй экспериментальной установкой, расширяющей возможности учебно-методического комплекса по микроэлектронике и элементам наноэлектроники, является «Демонстрационная модель усилителя мощности низкой частоты на интегральной схеме». Применение созданной на радиотехническом объединении конструкции позволяет наглядно представить процесс усиления колебаний звуковой частоты, продемонстрировать целесообразность распространения интегральной схемы в качестве усилителя мощности, смоделировать техническое применение законов электродинамики. Новая модель позволяет выявить отличительные особенности устройств на интегральных схемах: использование минимального физического объема, повышение плотности упаковки, то есть размещение соответствующих элементов в объеме, размеры которого ограничиваются условиями отвода тепла и механическими соображениями. Данная конструкция способствует качественному образовательному процессу, построенному на проектной деятельности учащихся как в ходе уроков физики, так и во внеклассной работе по предмету.
Созданная автором «Макроскопическая модель элементов микросхемы» позволяет продемонстрировать школьникам технологию нанесения металлизированных и диэлектрических пленок, освоенную при изготовлении полупроводниковых приборов и послужившую основой создания пленочных интегральных схем. В методическом руководстве приводится расчет толщины металлизированной пленки, полученной химическим способом, и описываются способы нанесения пленок. На основе демонстрационной модели у учащихся формируются исследовательские навыки в области технологии производства микросхем.
В ходе исследовательской деятельности подготовлены новые лабораторные установки и методические описания по микроэлектронике с элементами наноэлектроники.
«Изучение микросхемы на экспериментальной модели усилителя мощности низкой частоты с интегральной схемой» происходит на установке, сконструированной учащимися старших классов в ходе проектной деятельности. В работе изучается планарная технология - способ изготовления микросхем, конструкция усилителя мощности низкой частоты на интегральной схеме, исследуются выходные характеристики микросхемы ТДА 2003. В ней определяется вольт-амперная характеристика микросхемы; находится зависимость выходной мощности микросхемы от напряжения питания, сопротивления нагрузки, частоты источника сигнала. Лабораторная работа является инновационным компонентом учебно-методического комплекса по физике.
Лабораторная работа по определению параметров биполярного транзистора малой мощности позволяет углубить и расширить ключевые компетенции у учащихся в области микроэлектроники. В процессе экспериментальной деятельности находится обратный ток коллектора Iко, коэффициент усиления по току в в схеме с общим эмиттером, вычисляется коэффициент усиления по току б в схеме включения транзистора с общей базой. Новизна работы состоит в применении многопредельного комбинированного электроизмерительного прибора.
В лабораторной работе по определению параметров униполярного транзистора малой мощности учащиеся знакомятся с физико-техническим принципом действия полевого транзистора, его основными параметрами, измеряют ток насыщения стока Ico, вычисляют крутизну S, напряжение отсечки Uотс, строят график зависимости Ic(Uc.и). Созданная лабораторная работа вносит новое содержание в программу изучения физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники школьного профильного курса физики. Разработка экспериментальной установки также осуществлена учащимися в ходе проектной деятельности под руководством учителя.
«Изучение эволюции дискретных электронных компонентов электрической цепи и конструкций на их основе» отражает историческое направление в развитии научно-технических достижений по электронике. Отличительной особенностью данной лабораторной работы является доступность содержания и то, что по результатам измерений и вычислений у учащихся формируются ключевые компетенции о целесообразности эволюции ламповой электронной техники в полупроводниковую микроэлектронику. Для постановки лабораторной работы подобрана новая экспериментальная установка, позволяющая достичь поставленной в методическом руководстве цели.
Лабораторная работа по снятию вольт-амперной характеристики полупроводникового плоскостного диода и определению дифференцального сопротивления р-п-перехода проходит на оборудовании учебно-методического комплекса физической лаборатории. Усовершенствование известной лабораторной работы состоит в определении дифференциального сопротивления р-п-перехода и в графическом представлении результата физического эксперимента. Дидактические преимущества этой модернизации очевидны потому, что у учащихся формируются ключевые компетенции по микроэлектронике на основе межпредметных физико-математических знаний.
В третьей главе «Эффективность применения методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в профильных классах сельской средней школы» показано место микроэлектроники и элементов наноэлектроники в педагогической технологии комплексного подхода в обучении физико-математическим дисциплинам.
Педагогическая технология содержит цель и задачи, направленные на индивидуализацию обучения и воспитания, когда за счет изменений в структуре, содержании и организации образовательного процесса более полно учитываются интересы, склонности и способности обучающихся, создаются условия для образования учащихся в соответствии с их профессиональными интересами и намерениями в отношении продолжения образования.
Обращение к данной теме технологии продиктовано необходимостью модернизации учебно-воспитательного процесса в естественно-научном и математическом направлении подготовки школьников, совершенствованием форм, методов обучения и воспитания учащихся по физике и математике, особенно в сельской средней школе.
Изменения учебно-воспитательного процесса в старшей школе приводят к новым формам организации деятельности учащихся не только на уроке физики, но и во внеурочной работе. Проектная форма обучения - образовательная инновация. Поэтому формированию ключевых компетенций у учащихся в процессе воспитания и развития через дополнительное образование и проектную форму обучения физике посвящен отдельный параграф педагогического исследования.
Изучение физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в элективном курсе физики средней профильной школы, на занятиях радиотехнического объединения требует поиска учащимися творческих конструкторских решений. При этом воспитываются деловые качества личности школьника: практичность, дисциплинированность, бережливость; волевые качества: целеустремленность, требовательность, сосредоточенность; а также критическое отношение к результату своего труда. Это способствует саморазвитию, самосовершенствованию, самовоспитанию. Школьник перестанет бездумно подражать окружающим, начнет сравнивать, анализировать, планировать, ставить внутренние цели, стремиться к ним. Появится возможность овладения собственным поведением, способность волевой саморегуляции. А значит - ответственности перед собой.
Результаты педагогического эксперимента по проверке гипотезы исследования получены в физико-математических классах сельских муниципальных общеобразовательных учреждений «Тумская средняя общеобразовательная школа №46», «Тумская средняя общеобразовательная школа №3», «Болоньская средняя общеобразовательная школа», «Спиринская средняя общеобразовательная школа» Клепиковского муниципального района Рязанской области. Конструкторско-исследовательская работа осуществлена на базе объединения по интересам «Радиотехническое» муниципального образовательного учреждения дополнительного образования детей «Тумский Дом детского творчества». Апробация экспериментальных лабораторных работ и демонстрационных моделей по микроэлектронике и элементам наноэлектроники также проведена в лаборатории специального физического практикума, лаборатории квантовой электроники кафедры общей и теоретической физики и методики преподавания физики Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина. В эксперименте по формированию ключевых компетенций принял участие Межрегиональный заочный лицей физики и математики «Авангард».
Педагогический эксперимент состоял из нескольких этапов: констатирующего (2005-2006 гг.), формирующего (2007-2008 гг.) и контрольного (2008-2009 гг.). В эксперименте приняли участие 279 школьников и студентов, 13 педагогов.
Констатирующий этап эксперимента посвящен изучению задачи формирования ключевых компетенций у учащихся профильных классов индустриально-технологического: направление - электротехника / радиоэлектроника и физико-математического классов в области физико-технических основ микро- и наноэлектроники. Для решения этой задачи осуществлялись наблюдение отдельных элементов деятельности учителей и учащихся, анкетирование и тестирование школьников, а также опрос учителей школ Рязанской области.
Данные констатирующего эксперимента показали низкий уровень развития у учащихся профильных классов ключевых компетенций в области физико-технических основ микро- и наноэлектроники, на отсутствие современных лабораторных работ, демонстрационных моделей, на несоответствие содержания учебных пособий и действующих программ проблеме формирования нового знания. На данном этапе выяснилась необходимость модернизации имеющегося учебно-методического комплекса: программ и учебных пособий, создания методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники, а также новых демонстрационных моделей и работ лабораторного физического эксперимента по проблеме диссертационного исследования.
В результате констатирующего эксперимента были определены гипотеза, цель и поставлены задачи исследования. Одной из задач педагогического эксперимента обозначилась необходимость создания технологии комплексного подхода в обучении физико-математическим дисциплинам с приоритетом на изучение физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники. При этом возможным направлением профилизации сельской средней школы выдвинуто предположение об интеграции физико-математического и индустриально-технологического классов с целью создания единой образовательной среды, направленной на формирование у учащихся политехнических знаний. Очевидным стала необходимость доказательства эффективности проектной формы обучения в формировании ключевых компетенций школьника. Учитывая важность воспитательного процесса в современной сельской школе, на данном этапе эксперимента предложена задача проверки влияния нетрадиционных форм и методов организации обучения и воспитания на формирование деловых качеств и творческой самореализации личности школьника.
В констатирующем педагогическом эксперименте приняли участие 185 учащихся и 8 учителей.
Результатом формирующего эксперимента явилось создание методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в курсе физики профильных классов. В ходе эксперимента апробированы впервые созданные образовательные программы по микроэлектронике и элементам наноэлектроники для физико-математического и индустриально-технологического профилей обучения физике, для объединения «Радиотехническое» дополнительного образования школьников, которые содержат методику изучения ключевых тем. Вновь поднято изучение вопроса об исторической роли радиолюбительства в формировании знаний о микроэлектронике и показана связь с темой эволюции дискретных электронных компонентов электрической цепи и конструкций на их основе. Впервые рассматриваются фундаментальные научные достижения в области нанотехнологии.
Современные физико-технические идеи реализуются в программах в виде новых сконструированных в ходе проектной деятельности учащихся демонстрационных моделей, экспериментальных лабораторных работ, которые содержат методическое руководство и предлагаются старшеклассникам для творческого исследования. Содержание программ является частью экспериментального учебно-методического комплекса по микроэлектронике и элементам наноэлектроники, позволяющего развить познавательный интерес у старшеклассников к несложным научным исследованиям, углубить и расширить политехнические знания по курсу физики и с большей уверенностью определить выбор будущей профессии.
На разных стадиях формирующего эксперимента принимали участие учащиеся физико-математических классов сельских муниципальных общеобразовательных учреждений «Тумская средняя общеобразовательная школа №46», «Тумская средняя общеобразовательная школа №3», «Болоньская средняя общеобразовательная школа», «Спиринская средняя общеобразовательная школа» Клепиковского муниципального района Рязанской области и члены объединения по интересам «Радиотехническое» муниципального общеобразовательного учреждения дополнительного образования детей «Тумский Дом детского творчества» (всего 247 человек). В апробации лабораторного физического эксперимента по микроэлектронике и элементам наноэлектроники также участвовали студенты физико-математического факультета Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина (всего 32 человека).
Контрольный этап педагогического эксперимента предполагал проверку выдвинутой гипотезы и оценку эффективности предлагаемой методики преподавания физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в курсе физики профильных классов сельской средней школы. В эксперименте участвовали две группы: контрольная (80 человек) и экспериментальная (60 человек). Каждая группа состояла из четырех классов. Уровни успеваемости до начала эксперимента в контрольной и экспериментальной группах были аналогичными. Преподавание микроэлектроники и элементов наноэлектроники в физико-математическом классе для первой группы и традиционное углубленное изучение дисциплины физико-математического цикла предметов для второй группы осуществлялось одним учителем.
Сформированность ключевых компетенций в физико-математических классах контрольной и экспериментальной групп представлена на рис. 1.
|
Критерий - овладение знаниями и умениями в ходе углубленного изучения физики |
Критерий - применение знаний и умений в практической деятельности при выполнении лабораторных работ |
Критерий - применение технологий в ходе проектирования моделей и электронных устройств |
|
Условные обозначения: К - контрольная группа, Э - экспериментальная группа
Рис. 1 Качество образовательного процесса в контрольной и экспериментальной группах
Анализ диаграмм, изображенных на рис. 1, показал положительный результат комплексного обучения физико-математическим дисциплинам с различными видами деятельности, включающими экспериментальные, проектные, лабораторные работы по изучению физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники.
Оценивание образовательных достижений школьников в данных группах осуществлялось в соответствии с Положением об оценке устного ответа учащегося, требованием к уровню подготовки выпускников, характеристикой ключевых компетенций.
Применялись педагогические методы: наблюдение, анкетирование, тестирование, изучалось отношение школьников к исследовательской, проектной деятельности и экспериментальному учебно-методическому комплексу.
В связи с положительными результатами эксперимента принято окончательное решение об участии школьников в проектной деятельности по изготовлению учебно-наглядного оборудования, внедряемого в новый лабораторный физический эксперимент. Выполнение творческих конструкторских заданий на занятиях объединения «Радиотехническое» Дома детского творчества способствовало развитию познавательного интереса у школьников к физике.
Такой научный подход к разработке методики преподавания основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники в курсе физики профильных классов для сельской средней школы положительно сказался на качестве подготовки учащихся по предмету. За период исследования 15 учащимися экспериментальной группы (одного из четырех физико-математических классов) выполнено 5 проектных работ, оцененных на «отлично» в ходе государственной (итоговой) аттестации. 9 школьников стали призерами Межрегиональной заочной физико-математической олимпиады, учредителем которой является Министерство образования и науки России (из них 7 человек по физике); 6 учащихся определены победителями районных предметных олимпиад по математике и физике (из них 2 человека по физике). Из числа выпускников профильного класса подготовлено 5 «золотых» и 3 «серебряных» медалиста. 92% выпускников экспериментальной группы продолжили обучение в высших и средне-специальных учебных заведениях (из них 41% - в вузах), связав получение будущей профессии с приобретенными ключевыми компетенциями в области физико-технических основ микроэлектроники и элементов наноэлектроники. Под руководством учителя 15 учащихся прошли дополнительную физико-математическую подготовку в Межрегиональном заочном лицее физики и математики «Авангард», учредителем которого является Министерство образования и науки России, из них 7 человек получили свидетельство об углубленном изучении физики с отличной отметкой.
Для определения наличия или отсутствия различий в контрольной и экспериментальной группах по состоянию уровня сформированности ключевых компетенций воспользуемся критерием однородности чІ («хи - квадрат критерий») и сформулируем гипотезы: об отсутствии различий (нулевая гипотеза), о значимости различий (альтернативная гипотеза). В дальнейшем ограничим уровень значимости б = 0,05. Практическое значение критерия чІ для уровня значимости 0,05 возьмем из таблицы критических значений статистических критериев чІ = 5,99.
Статистика критерия чІ позволяет установить наличие или отсутствие различий в группах, испытуемых по состоянию измеряемого свойства. Для получения дополнительной информации проведем сравнение средних баллов, выставленных школьникам экспериментальной и контрольной групп в ходе контрольных мероприятий (освоение экспериментальных образовательных программ, выполнение лабораторного физического эксперимента, разработка творческих проектов демонстрационных моделей и лабораторных установок).
Из таблицы 1 видно, что обнаружены несущественные различия в качестве результатов выполнения заданий экспериментальной и контрольной групп учащихся на первых двух уровнях: чІ < 5,99 =, поэтому принимаем нулевую гипотезу. Незначительные отличия в ключевых компетенциях экспериментальной и контрольной групп связаны с тем, что освоение образовательной программы элективного курса традиционно осуществляется на основе теоретических знаний, уровень которых не имеет существенных отличий в классах физико-математического профиля обучения.
Таблица 1
Сравнительная характеристика уровня развития ключевых компетенций у учащихся физико-математического класса
|
Уровни развития ключевых компетенций |
Экспериментальная группа 60 человек (4 класса) |
Контрольная группа 80 человек (4 класса) |
ч І |
||||
|
«5» |
«4» |
«3» |
«5» |
«4» ... |
Подобные документы
Рассмотрение различных подходов к определению понятия массы в ньютоновской механике и специальной теории относительности. Специфика преподавания материала о понятии массы тела и ее взаимосвязи с энергией на уроках физики в 6, 9 и 11 классах средней школы.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 02.06.2011Выбор профильных и элективных курсов на основе базовых общеобразовательных предметов. Отбор материалов и разработка спецкурса: "Физические основы теории протекания" для учащихся профильной школы; его апробация на педагогической практике на пятом курсе.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 13.09.2012Существование множества подходов к понятию "географический профессионализм". Методология преподавания географии в профильных классах на современном этапе. Предметное содержание современной школы применяющей инновационные технологии в обучении географии.
статья [15,8 K], добавлен 02.05.2009Методы и приёмы преподавания темы: "Табличные процессоры Excel". Разработка примерной программы курса "Технология обработки числовых данных" на профильных курсах информатики. Тематическое содержание курса информатики в старшей школе на профильном уровне.
курсовая работа [334,4 K], добавлен 24.06.2011Роль литературы в формировании человека. Методика преподавания русской литературы ХХ века в 5-7 классах средней школы на примере произведения Набокова "Обида". Разработка системы изучения отдельных произведений писателей в условиях классного коллектива.
курсовая работа [26,8 K], добавлен 01.10.2008Цели и методы агрономической химии. Рассмотрение методических указаний, целей и задач элективного курса "Агрохимия в школе" для учащихся Х-ХI классов профильных общеобразовательных учебных заведений. Принципы определения содержания нитратов и нитритов.
курсовая работа [152,7 K], добавлен 27.01.2011Сравнение систем образования и, в частности, курса физики в США и Беларуси. Сравнение учебников для младших классов средней школы по тематике "Электричество. Магнетизм". Сравнение американских и отечественных учебников для старших классов средней школы.
курсовая работа [985,6 K], добавлен 05.12.2010Основные понятия атомной физики, ее изучение в базовых и профильных школах с помощью демонстрационных и компьютерных технологий. Требования к электронному учебнику. Разработка программы и методики применения электронных ресурсов при изучении предмета.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 29.12.2010Развитие теоретического мышления и практических навыков учащихся при изучении магнитных явлений в курсе физики средней школы; эксперимент как методика изложения темы. Магнитное поле, применение электромагнитов; устройство электроизмерительных приборов.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 30.07.2011Разработка занятий элективного курса. Использование свойств функций при решении уравнений и неравенств. Разработка элективного курса "Решение уравнений и неравенств с использованием свойств функций". Методические основы разработки элективного курса.
дипломная работа [294,8 K], добавлен 24.06.2009История возникновения и развития геометрических величин. Роль и место величин в процессе обучения. Методика изучения длин, величин углов, площадей и объемов фигур в курсе геометрии средней школы. Разработка тестов и заданий для самостоятельной работы.
курсовая работа [93,5 K], добавлен 25.11.2010Методика формирования понятия показательной функции в курсе средней школы, его историческое развитие и подходы к определению. Составление плана-конспекта урока объяснения нового материала на тему "Показательная функция", закрепление полученных знаний.
курсовая работа [249,2 K], добавлен 28.05.2010Составление методической схемы преподавания нового материала в средней школе: ознакомление с понятиями степени, решениями иррациональных уравнений, показательной и производной степенной функций, тождественных преобразований логарифмических неравенств.
реферат [75,1 K], добавлен 07.03.2010Составление и обзор психолого-педагогической характеристики учащихся 8-9 классов основной школы. Определение основных психолого-педагогических и методических особенностей преподавания элементов теории графов на факультативном курсе в основной школе.
дипломная работа [2,0 M], добавлен 13.12.2017Психолого-педагогические основы разработки элективного курса по информатике в старшей школе. Психолого-возрастные особенности старшеклассников. Реализация комплексного подхода при отборе содержания и методов проведения элективного курса по информатике.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 22.04.2011Понятие и сущность идеи относительности в кинематике, ее характеристика и отличительные черты, основные принципы и история создания, современные знания. Методика преподавания кинематики и знания, которые должны усвоить учащиеся, характерные задачи.
курсовая работа [482,3 K], добавлен 01.05.2009Профильная школа и модернизация образования. Значение элективных курсов в современной школе, их отличие от факультативов. Методика преподавания теории вероятностей и математической статистики для спортсменов, разработка элективного курса по данной теме.
дипломная работа [277,1 K], добавлен 24.06.2009Изучение XML-ориентированного подхода к созданию баз данных в профильном курсе информатики в средней школе. Логическое представление информации в компьютере. Методика изучения и программа элективного курса "Разработка базы данных на основе языка XML".
дипломная работа [1,1 M], добавлен 18.06.2013Методика изучения вероятностно-статистической (стохастической) линии в курсе математики основной школы. Анализ восприятия материала учащимися: степень заинтересованности; уровень доступности; трудности при изучении этого материала; качество усвоения.
дипломная работа [121,3 K], добавлен 28.05.2008Общие сведения о школьном курсе информатики, его цели и задачи. Разработка содержания, форм и средств методики преподавания темы "Глобальная сеть Интернет" в 11 классах экономического профиля. План-конспект лекции, комбинированного и практического урока.
курсовая работа [2,8 M], добавлен 30.11.2010
