120
Ôèçè÷åñêîå îáðàçîâàíèå â âóçàõ, Ò. 7, ¹ 4, 2001
Êîìïëåêñíîå êîìïüþòåðíîå ñîïðîâîæäåíèå èçó÷åíèÿ îñíîâ òåîðèè ýíåðãåòè÷åñêèõ çîí â êóðñå ôèçèêè Â.Ì. Èåâëåâ, Â.À. Åëèñååâ, À.À. Äîëãà÷åâ Âîðîíåæñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò Îïðåäåëåíû äèäàêòè÷åñêèå öåëè è ñðåäñòâà äëÿ äîñòèæåíèÿ âòîðîãî è òðåòüåãî óðîâíÿ óñâîåíèÿ ó÷åáíîãî ìàòåðèàëà. Ðàññìîòðåíû âîïðîñû êîìïëåêñíîãî êîìïüþòåðíîãî ñîïðîâîæäåíèÿ îñíîâ òåîðèè ýíåðãåòè÷åñêèõ çîí â êóðñå ôèçèêè, íàïðàâëåííûå íà óñèëåíèå ôóíäàìåíòàëüíîé ïîäãîòîâêè ñòóäåíòîâ.
Îäíîé èç ôîðì èíôîðìàöèîííî-ìåòîäè÷åñêîé ïîääåðæêè ôóíäàìåíòàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ ÿâëÿåòñÿ ñîçäàíèå ïðîãðàììíî-ìåòîäè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ äëÿ ïåäàãîãè÷åñêèõ òåõíîëîãèé, ñïîñîáñòâóþùèõ îðãàíèçàöèè ñàìîñòîÿòåëüíîé è èíäèâèäóàëüíîé ðàáîòû ñòóäåíòîâ â ñîâðåìåííûõ óñëîâèÿõ. Ëè÷íîñòíî-îðèåíòèðîâàííîå ñîäåðæàíèå, äèôôåðåíöèàöèÿ è èíäèâèäóàëèçàöèÿ ïðîöåññà îáó÷åíèÿ - îñíîâà ýòèõ òåõíîëîãèé, ó÷èòûâàþùèõ ðàçíûé óðîâåíü ôóíäàìåíòàëüíîé ïîäãîòîâêè ñòóäåíòîâ è èíäèâèäóàëüíûå îñîáåííîñòè [1]. Îäíàêî, íåñìîòðÿ íà øèðîêîå ïðèìåíåíèå âû÷èñëèòåëüíîé òåõíèêè â ó÷åáíîì ïðîöåññå, äî ñèõ ïîð îòñóòñòâóåò êîìïëåêñíûé ìåòîäè÷åñêèé, ïðîãðàììíûé è àïïàðàòíûé ïîäõîä ê èñïîëüçîâàíèþ âñåõ åå âîçìîæíîñòåé â ïðåïîäàâàíèè. Ëèøü íåáîëüøîå ÷èñëî ðàáîò ïðåäïîëàãàåò ðåàëèçàöèþ ïðèíöèïà ðàçâèâàþùåãî îáó÷åíèÿ è íàëè÷èå çàäàíèé ðàçíûõ óðîâíåé. Øèðîêîå ïðèìåíåíèå êîìïüþòåðíîé òåõíèêè â ïðåïîäàâàíèè ÷àùå âñåãî ñëóæèò óñèëåíèþ íàãëÿäíîñòè, îïåðàòèâíîñòè óïðàâëåíèÿ è íå ñíèìàåò ìåòîäîëîãè÷åñêèå ïðîáëåìû ôîðìèðîâàíèÿ ëè÷íîñòè [2]. Êîìïüþòåðíîå ñîïðîâîæäåíèå ïðåïîäàâàíèÿ êóðñà ôèçèêè â òåõíè÷åñêîì âóçå ïðèçâàíî ðåøàòü òàêèå ñòðàòåãè÷åñêèå çàäà÷è êàê: · àêòèâíàÿ ïîääåðæêà ñèñòåìû ôóíäàìåíòàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ; · îáó÷åíèå ñòóäåíòîâ ñòðàòåãèè íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ ñóùíîñòè ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèé; · ôîðìèðîâàíèå ïðàâèëüíîãî ïðåäñòàâëåíèÿ î ðîëè ÝÂÌ â ñîâðåìåííîé ôèçèêå è òåõíèêå. Ïîëîæèòåëüíûì ýôôåêòîì ïðèìåíåíèÿ ÝÂÌ â îáó÷åíèè ñëåäóåò ñ÷èòàòü òàêæå è ôèêñàöèþ ðåçóëüòàòîâ îáùåíèÿ ñòóäåíòà ñ ÝÂÌ äëÿ îïåðàòèâíîãî óïðàâëåíèÿ ïîçíàâàòåëüíîé äåÿòåëüíîñòüþ ñòóäåíòîâ è ðåéòèíãîâîãî êîíòðîëÿ èõ çíàíèé. Ïðè àíàëèçå áîëüøîãî êîëè÷åñòâà îáó÷àþùèõ ïðîãðàìì áûëè ñôîðìóëèðîâàíû êðèòåðèè êà÷åñòâà, êîòîðûå ìîãóò áûòü ïîëîæåíû â îñíîâó îáùèõ òðåáîâàíèé ê îáó÷àþùèì ïðîãðàììàì êàê ê ïðîãðàììíîìó ïðîäóêòó ïåäàãîãè÷åñêîãî íàçíà÷åíèÿ. Ýòî â ïåðâóþ î÷åðåäü èõ ìåòîäè÷åñêèå ñâîéñòâà, îáåñïå÷èâàþùèå ýôôåêòèâíîñòü êîìïüþòåðíîé ïîääåðæêè, èíòåðàêòèâíûé ðåæèì ðàáîòû ïðåïîäàâàòåëÿ è ñòóäåíòà ñ êîìïüþòåðîì. Òàêîé ïîäõîä áûë ðåàëèçîâàí íàìè ïðè èçó÷åíèè òåìû «Îñíîâû òåîðèè ýíåðãåòè÷åñêèõ
Êîìïëåêñíîå êîìïüþòåðíîå ñîïðîâîæäåíèå èçó÷åíèÿ îñíîâ òåîðèè ýíåðãåòè÷åñêèõ çîí...
121
çîí». Óñèëåíèå ôóíäàìåíòàëüíîé ïîäãîòîâêè äîñòèãíóòî çà ñ÷åò ìàòåìàòè÷åñêîé îáðàáîòêè ýêñïåðèìåíòà, â êîòîðîé ïî ðåçóëüòàòàì ïðÿìûõ èçìåðåíèé îïðåäåëÿþòñÿ âåëè÷èíû, íåïîñðåäñòâåííî íå èçìåðÿåìûå, íî ÿâëÿþùèåñÿ âàæíîé õàðàêòåðèñòèêîé ïðîöåññà èëè ïàðàìåòðîì. Ýòî ïîçâîëÿåò ïðîâåñòè ãëóáîêîå è äåòàëüíîå èññëåäîâàíèå ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèé. Ïîñëå îòáîðà è ñòðóêòóðèðîâàíèÿ ñîäåðæàíèÿ ó÷åáíîãî ìàòåðèàëà ïî ýòîé òåìå áûëè ñôîðìóëèðîâàíû òðåáîâàíèÿ ïî óðîâíþ åãî ïðåäñòàâëåíèÿ è óðîâíþ óñâîåíèÿ. Ñîãëàñíî ñèñòåìå äèäàêòè÷åñêèõ ïîêàçàòåëåé, ïðåäëîæåííîé Â.Ï. Áåñïàëüêî [3], â íàñòîÿùåé ðàáîòå èñïîëüçóåòñÿ òðåòèé óðîâåíü ïðåäñòàâëåíèÿ ó÷åáíîãî ìàòåðèàëà – óðîâåíü ìàòåìàòè÷åñêîãî îïèñàíèÿ ÿâëåíèé, â ÷àñòíîñòè ïðîöåññîâ â îáëàñòè p-n-ïåðåõîäà, êîòîðûé ñîçäàåò âîçìîæíîñòü êîëè÷åñòâåííîãî ïðîãíîçèðîâàíèÿ èñõîäîâ ÿâëåíèé.  ñîîòâåòñòâèè ñ ýòèì ïðè ïðîåêòèðîâàíèè ñîñòàâà êîìïëåêñà êîìïüþòåðíîãî ñîïðîâîæäåíèÿ òåìû ÷åòêî îïðåäåëåíû äèäàêòè÷åñêèå öåëè è ñðåäñòâà äëÿ äîñòèæåíèÿ âòîðîãî èëè òðåòüåãî óðîâíÿ óñâîåíèÿ ó÷åáíîãî ìàòåðèàëà. Èíôîðìàöèîííîå îáåñïå÷åíèå âêëþ÷àåò ïîëíîå òåîðåòè÷åñêîå ââåäåíèå ïî òåìå «Îñíîâû òåîðèè ýíåðãåòè÷åñêèõ çîí», îïèñàíèå ìåòîäà àâòîìàòèçèðîâàííîãî èçìåðåíèÿ è óïðàâëåíèÿ èçìåðèòåëüíûì êîìïëåêñîì. Ýêñïåðèìåíòàëüíîå ïîäòâåðæäåíèå îñíîâíûõ ïîëîæåíèé òåîðèè áàçèðóåòñÿ íà ëàáîðàòîðíîì ïðàêòèêóìå, êîòîðûé âêëþ÷àåò: 1) èññëåäîâàíèå ðàñïðåäåëåíèÿ ýëåêòðîíîâ â ìåòàëëàõ ïî ýíåðãèè ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå ïî èçìåðåíèÿì âíåøíåãî ôîòîýôôåêòà; 2) èññëåäîâàíèå òåìïåðàòóðíîé çàâèñèìîñòè ñîïðîòèâëåíèÿ ïî èçìåðåíèÿì âîëüòàìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè òåðìîðåçèñòîðà; 3) èçìåðåíèå âðåìåíè æèçíè àòîìîâ â âîçáóæäåííîì ñîñòîÿíèè ïî èçìåðåíèÿì êðèâîé çàòóõàíèÿ ëþìèíîôîðà; 4) îïðåäåëåíèå ïàðàìåòðîâ ïîëóïðîâîäíèêîâîãî äèîäà ïî èçìåðåíèÿì åãî âîëüòàìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè â ïðÿìîì íàïðàâëåíèè. Ìåòîäèêà âûïîëíåíèÿ ýòèõ ðàáîò ìàêñèìàëüíî ïðèáëèæåíà ê ðåàëüíûì èñïûòàíèÿì. Ëàáîðàòîðíûé ïðàêòèêóì Èññëåäîâàíèå çàêîíîâ âíåøíåãî ôîòîýôôåêòà äàåò âîçìîæíîñòü ïîêàçàòü ðàñïðåäåëåíèå ôîòîýëåêòðîíîâ ïî ýíåðãèÿì.  çàäåðæèâàþùåì ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå ïîâåðõíîñòè àíîäà äîñòèãàþò òîëüêî òå ýëåêòðîíû, íà÷àëüíàÿ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ êîòîðûõ äîñòàòî÷íà äëÿ ïðåîäîëåíèÿ òîðìîçÿùåãî ïîëÿ. Òîê ÷åðåç ôîòîýëåìåíò çàâèñèò îò ÷èñëà ôîòîýëåêòðîíîâ, îáëàäàþùèõ ïðè âûëåòå èç êàòîäà äîñòàòî÷íîé ýíåðãèåé, à ïðîèçâîäíàÿ ôîòîòîêà ïî íàïðÿæåíèþ äàåò êðèâóþ ðàñïðåäåëåíèÿ âûëåòåâøèõ ýëåêòðîíîâ ïî íà÷àëüíûì ýíåðãèÿì.  äàííîé ðàáîòå îñóùåñòâëÿåòñÿ òàêæå èìèòàöèîííîå ìîäåëèðîâàíèå âíåøíåãî ôîòîýôôåêòà äëÿ ðàçëè÷íûõ íà÷àëüíûõ óñëîâèé è ó÷èòûâàåòñÿ êîíòàêòíàÿ ðàçíîñòü
122
Â.Ì. Èåâëåâ, Â.À. Åëèñååâ, À.À. Äîëãà÷åâ
ïîòåíöèàëîâ ìåæäó àíîäîì è êàòîäîì â çàìêíóòîé ýëåêòðè÷åñêîé öåïè, îïðåäåëÿåìàÿ êàê ðàçíîñòü ðàáîò âûõîäà ýëåêòðîíîâ èç ýòèõ ìåòàëëîâ. Íàëè÷èå ïðè ìîäåëèðîâàíèè ÷åòêîãî àëãîðèòìà ïîçâîëÿåò ìàêñèìàëüíî ïðèáëèçèòü ïðåïîäàâàíèå ôèçèêè ê ýëåìåíòàì íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ è ñïîñîáñòâóåò ôîðìèðîâàíèþ íåîáõîäèìûõ èññëåäîâàòåëüñêèõ íàâûêîâ è óìåíèé.  äðóãîì ñëó÷àå ïðè èññëåäîâàíèè ñòàòè÷åñêîé âîëüòàìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè íåëèíåéíûõ ñîïðîòèâëåíèé äîïîëíèòåëüíàÿ ìàòåìàòè÷åñêàÿ îáðàáîòêà ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ðåçóëüòàòîâ äàåò âîçìîæíîñòü ïîñòðîèòü òåìïåðàòóðíóþ çàâèñèìîñòü ñîïðîòèâëåíèÿ. Òåìïåðàòóðà â êàæäîé òî÷êå âîëüòàìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè íàõîäèòñÿ ïðè ðàâåíñòâå ïîòðåáëÿåìîé òåðìîðåçèñòîðîì ìîùíîñòè (îïðåäåëÿåìîé çàêîíîì Äæîóëÿ – Ëåíöà) è èçëó÷àåìîé ìîùíîñòè (êîòîðàÿ ïîä÷èíÿåòñÿ çàêîíó Ñòåôàíà – Áîëüöìàíà). Àíàëîãè÷íàÿ ìåòîäèêà ïðèìåíåíà ïðè èññëåäîâàíèè ÿâëåíèÿ ëþìèíåñöåíöèè [4]. Ñ ïîìîùüþ ìåòîäà íàèìåíüøèõ êâàäðàòîâ â àâòîìàòèçèðîâàííûõ èçìåðåíèÿõ èíòåíñèâíîñòè ïîñëåñâå÷åíèÿ îïðåäåëåí âèä ôóíêöèîíàëüíîé çàâèñèìîñòè èíòåíñèâíîñòè ïîñëåñâå÷åíèÿ îò âðåìåíè, ÷òî ñëóæèò äèàãíîñòè÷åñêèì ïðèçíàêîì è äàåò âîçìîæíîñòü ïðîÿñíèòü ìåõàíèçì ïðîòåêàíèÿ äàííîãî ïðîöåññà íà îñíîâå çîííîé òåîðèè. Äàëüíåéøèå âû÷èñëåíèÿ êîýôôèöèåíòîâ ýòîé çàâèñèìîñòè ïîäâîäÿò ê îïðåäåëåíèþ âðåìåíè æèçíè àòîìà â âîçáóæäåííîì ñîñòîÿíèè.  ýòîì ñëó÷àå âíèìàíèå îáó÷àåìûõ îáðàùàåòñÿ êàê íà ïîíèìàíèå ôèçè÷åñêîé ñóùíîñòè ðàññìàòðèâàåìûõ ÿâëåíèé, òàê è íà âçàèìîñâÿçü ñ äðóãèìè ïðîöåññàìè.  êîìïüþòåðíûé ïðàêòèêóì ïî èññëåäîâàíèþ âîëüòàìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè ïîëóïðîâîäíèêîâîãî äèîäà âêëþ÷åíî ïîëíîå òåîðåòè÷åñêîå ðàññìîòðåíèå ïðîöåññîâ â pn-ïåðåõîäå, àâòîìàòèçèðîâàííîå èçìåðåíèå ýêñïåðèìåíòàëüíîé çàâèñèìîñòè òîêà îò íàïðÿæåíèÿ è ðàñ÷åò ïî äàííûì ýêñïåðèìåíòà òàêèõ õàðàêòåðèñòèê äèîäà êàê âåëè÷èíà òîêà íàñûùåíèÿ, ñîïðîòèâëåíèå áàçû, âåëè÷èíà êîíòàêòíîé ðàçíîñòè ïîòåíöèàëîâ. Ïðè ýòîì ó÷òåíî, ÷òî íàïðÿæåíèå íà p-n-ïåðåõîäå ðàâíî ðàçíîñòè âíåøíåãî íàïðÿæåíèÿ íà äèîäå è ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ â îáúåìå ïîëóïðîâîäíèêà íà åãî áàçå. Îñîáî ïîä÷åðêèâàåòñÿ, ÷òî èçìåðåíèÿ ïðè ïðÿìîì òîêå äàþò âîçìîæíîñòü íàéòè îáðàòíûé òîê íàñûùåíèÿ äèîäà. Ïîëó÷åííûå âåëè÷èíû õîðîøî ñîãëàñóþòñÿ ñ ëèòåðàòóðíûìè äàííûìè. Âî âñåõ ýòèõ ðàáîòàõ â àâòîìàòè÷åñêîì ðåæèìå ñ ïîìîùüþ óïðàâëÿåìîãî ÝÂÌ áëîêà ÀÖÏ-ÖÀÏ ïî êîìàíäå îïåðàòîðà ñíèìàåòñÿ íåêîòîðàÿ çàâèñèìîñòü, ïðåäñòàâëÿþùàÿ äâóìåðíûé ìàññèâ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ òî÷åê. Ìàòåìàòè÷åñêàÿ îáðàáîòêà ýòîãî ìàññèâà ñ èñïîëüçîâàíèåì ìåòîäà íàèìåíüøèõ êâàäðàòîâ ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü íåêîòîðûå äîñòàòî÷íî âàæíûå ïàðàìåòðû ïðîöåññà èëè ïðèáîðà, ñâÿçàòü îñîáåííîñòè âíóòðåííåãî ñòðîåíèÿ è ñâîéñòâ êðèñòàëëîâ ñ èõ âíåøíèìè ïðîÿâëåíèÿìè. Äëÿ ïðîâåäåíèÿ ïðàêòèêóìà ðàçðàáîòàí è ñîçäàí ó÷åáíî-èññëåäîâàòåëüñêèé ñòåíä.  åãî ñîñòàâ âõîäÿò ñëåäóþùèå êîìïîíåíòû: êîìïüþòåð Pentium ñ âñòðîåííûì áëîêîì ÀÖÏ, óïðàâëÿåìûé èñòî÷íèê ïèòàíèÿ, èçìåðèòåëüíûé áëîê, äîïîëíèòåëüíûå ìîäóëè äëÿ ñîåäèíåíèÿ ñ ëàáîðàòîðíîé óñòàíîâêîé, èíôîðìàöèîííîå è ïðîãðàììíîå îáåñïå÷åíèå. Ó÷åáíî-èññëåäîâàòåëüñêèé ñòåíä ïîçâîëÿåò:
Êîìïëåêñíîå êîìïüþòåðíîå ñîïðîâîæäåíèå èçó÷åíèÿ îñíîâ òåîðèè ýíåðãåòè÷åñêèõ çîí...
123
1. çàäàâàòü â äèàëîãîâîì ðåæèìå íàïðÿæåíèå, ïîäàâàåìîå óïðàâëÿåìûì èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ íà ëàáîðàòîðíóþ óñòàíîâêó; 2. ïðîèçâîäèòü àâòîìàòèçèðîâàííûå èçìåðåíèÿ äâóõ íàïðÿæåíèé â ñõåìå èçìåðèòåëüíîãî áëîêà; 3. ïåðåñ÷èòûâàòü ýòè íàïðÿæåíèÿ è îòîáðàæàòü íà ýêðàíå äèñïëåÿ âîëüòàìïåðíóþ õàðàêòåðèñòèêó ïðèáîðà; 4. â äèàëîãîâîì ðåæèìå ñ ïîëüçîâàòåëåì ïðîâîäèòü äàëüíåéøóþ îáðàáîòêó ýòîãî ãðàôèêà ñ öåëüþ îïðåäåëåíèÿ ñòàòè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ; 5. êîíòðîëèðîâàòü äåéñòâèÿ ïîëüçîâàòåëÿ è âûäàâàòü íåîáõîäèìóþ ïîìîùü; 6. âûäàâàòü ïîëíóþ òåîðåòè÷åñêóþ èíôîðìàöèþ.
Ðèñóíîê 1.
Ïðîãðàììíàÿ îáîëî÷êà ó÷åáíî-èññëåäîâàòåëüñêîãî ñòåíäà âêëþ÷àåò íåñêîëüêî ôóíêöèîíàëüíî ñâÿçàííûõ ïîäñèñòåì (Ðèñóíîê 1). Ïîäñèñòåìà àâòîìàòèçèðîâàííûõ èçìåðåíèé ïî êîìàíäå îïåðàòîðà ïðîãðàììíî óñòàíàâëèâàåò íåîáõîäèìîå íàïðÿæåíèå, óïðàâëÿåò äâóõêàíàëüíûì âîñüìèðàçðÿäíûì àíàëîãî-öèôðîâûì ïðåîáðàçîâàòåëåì è âûäàåò íà ýêðàí äèñïëåÿ ïåðâè÷íóþ çàâèñèìîñòü ïðÿìîãî òîêà ÷åðåç ïîëóïðîâîäíèêîâûé äèîä îò ïðèëîæåííîãî íàïðÿæåíèÿ. Ïîäñèñòåìà îáðàáîòêè ðåçóëüòàòîâ ïðîèçâîäèò îáðàáîòêó ïî ìåòîäó íàèìåíüøèõ
124
Â.Ì. Èåâëåâ, Â.À. Åëèñååâ, À.À. Äîëãà÷åâ
êâàäðàòîâ, ïðåäñòàâëÿåò ýòè èçìåðåíèÿ â íàãëÿäíîé ôîðìå íà ýêðàíå äèñïëåÿ è ïîçâîëÿåò îáó÷àåìîìó ïðîâîäèòü ñ íèìè íåîáõîäèìûå äåéñòâèÿ. Ïîäñèñòåìà êîíòåêñòíî çàâèñèìîé ïîìîùè îòñëåæèâàåò äåéñòâèÿ îáó÷àåìîãî è ïî çàïðîñó âûäàåò êîíñóëüòàöèþ, ïîäñêàçêó èëè äðóãèå óêàçàíèÿ äëÿ íåîáõîäèìûõ äåéñòâèé íà äàííîì ýòàïå âûïîëíåíèÿ ðàáîòû. Äëÿ ðàáîòû ñ âõîäÿùèìè â ñîñòàâ êîìïëåêñà ïîäñèñòåìàìè ïîëüçîâàòåëü âûáèðàåò â îñíîâíîì ìåíþ ïðîãðàììû ñîîòâåòñòâóþùèé ïóíêò, êîòîðûé çàòåì ìîæåò ðàñêðûâàòüñÿ â äîïîëíèòåëüíûå ïîäìåíþ. Íà ýêðàíå ÷àñòî ïîÿâëÿþòñÿ âñïëûâàþùèå ïîäñêàçêè, ïîÿñíÿþùèå íàçíà÷åíèå èëè ðàáîòó ñîîòâåòñòâóþùèõ ýëåìåíòîâ. Ïðè ïðîñìîòðå òåîðåòè÷åñêîé èíôîðìàöèè ïîëüçîâàòåëþ ïðåäúÿâëÿåòñÿ òåêñòîâàÿ è ãðàôè÷åñêàÿ èíôîðìàöèÿ îá èçó÷àåìîì ÿâëåíèè ñ âêëþ÷åíèåì ýëåìåíòîâ ìóëüòèïëèêàöèè. Îí èìååò âîçìîæíîñòü ïåðåäâèãàòüñÿ ïî òåêñòó â ëþáîì íàïðàâëåíèè. Óñëîâèÿ ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòà ìîæíî çàäàâàòü â äèàëîãîâîì ðåæèìå, îáðàáîòêà èçìåðèòåëüíîé èíôîðìàöèè ïðîèçâîäèòñÿ â ðåàëüíîì ìàñøòàáå âðåìåíè. Ïåðâè÷íûå è îáðàáîòàííûå ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòà ïðåäñòàâëÿþòñÿ â íàãëÿäíîé ôîðìå íà ýêðàíå äèñïëåÿ, à èíôîðìàöèÿ î ðàáîòå óñòàíîâêè çàïîìèíàåòñÿ â ïàìÿòè ÝÂÌ. Âî âðåìÿ âûïîëíåíèÿ ðàáîòû âûäàþòñÿ ïîäñêàçêè, îñóùåñòâëÿåòñÿ êîíòðîëü äåéñòâèé îáó÷àåìîãî è íàêàïëèâàåòñÿ ñòàòèñòè÷åñêàÿ èíôîðìàöèÿ äëÿ ðåéòèíãîâîãî êîíòðîëÿ. Àêòèâíàÿ èññëåäîâàòåëüñêàÿ äåÿòåëüíîñòü îáó÷àåìûõ íà ëàáîðàòîðíîé óñòàíîâêå, ñîåäèíåííîé ñ ÝÂÌ, ïîçâîëÿåò ïðîâîäèòü âåñü êîìïëåêñ ðàáîò ïî âûäà÷å èíôîðìàöèè, ïðîâåðêå åå óñâîåíèÿ, ìîäåëèðîâàíèþ ÿâëåíèé è èòîãîâîìó çà÷åòó ïî òåìå. Òàêîé ïîäõîä ïîçâîëÿåò çàêðåïèòü çàêîíîìåðíîñòè è âûâîäû çîííîé òåîðèè, ñâÿçàòü îñîáåííîñòè âíóòðåííåãî ñòðîåíèÿ è ñâîéñòâ êðèñòàëëîâ ñ èõ âíåøíèìè ïðîÿâëåíèÿìè, ÷òî çíà÷èòåëüíî ïîâûøàåò êàê èíòåðåñ ê ñàìîñòîÿòåëüíîé ðàáîòå ñòóäåíòîâ ñ ÝÂÌ, òàê è êà÷åñòâî ïîäãîòîâêè ñïåöèàëèñòîâ, ñòèìóëèðóåò àêòèâíóþ èññëåäîâàòåëüñêóþ äåÿòåëüíîñòü îáó÷àåìûõ íà ëàáîðàòîðíîé óñòàíîâêå, ñîåäèíåííîé ñ ÝÂÌ.  ýòîì êîìïüþòåðíîì ïðàêòèêóìå ïðåäîñòàâëåíèå âîçìîæíîñòè äëÿ èíòåëëåêòóàëüíîãî ðîñòà íà îñíîâå äîñòèæåíèÿ áîëåå âûñîêîãî óðîâíÿ îáðàçîâàííîñòè â îáëàñòè åñòåñòâîçíàíèÿ, îñâîåíèÿ ñòðàòåãèé è óíèâåðñàëüíûõ ìåòîäîâ ðàöèîíàëüíîãî ïîçíàíèÿ ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê ëè÷íîñòíàÿ íàïðàâëåííîñòü â ïðîöåññå îáó÷åíèÿ [5]. Ëåêöèîííûå çàíÿòèÿ Ôîðìà ïðåïîäíåñåíèÿ èíôîðìàöèè âïîëíå îïðåäåëåííî âëèÿåò íà óñâîåíèå èçó÷àåìîãî ìàòåðèàëà. Êîìïüþòåðíîå ñîïðîâîæäåíèå ëåêöèîííûõ çàíÿòèé ïðèçâàíî îòâå÷àòü öåëåâûì óñòàíîâêàì îáðàçîâàíèÿ – ïîâûøåíèþ êà÷åñòâà óñâîåíèÿ ó÷åáíîãî ìàòåðèàëà, ïîâûøåíèþ êà÷åñòâà ïîäà÷è ìàòåðèàëà ëåêòîðîì, óâåëè÷åíèþ îáúåìà ó÷åáíîãî ìàòåðèàëà, óñâàèâàåìîãî îáó÷àåìûì. Îñíîâîé êîìïüþòåðíîé äåìîíñòðàöèè ÿâëÿåòñÿ ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü èññëåäóåìîãî ÿâëåíèÿ. Ýòî îïðåäåëÿåò äèäàêòè÷åñêîå ìåñòî
Êîìïëåêñíîå êîìïüþòåðíîå ñîïðîâîæäåíèå èçó÷åíèÿ îñíîâ òåîðèè ýíåðãåòè÷åñêèõ çîí...
125
äåìîíñòðàöèè, êàê ñïîñîáà íàãëÿäíîãî ïðåäñòàâëåíèÿ ìîäåëè, çàíèìàþùåãî ïðîìåæóòî÷íîå ïîëîæåíèå ìåæäó òåîðåòè÷åñêèì åå îïèñàíèåì è ðåàëüíûì ôèçè÷åñêèì îïûòîì. Êàê è ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü, êîìïüþòåðíàÿ äåìîíñòðàöèÿ ïîçâîëÿåò èçó÷àòü îñíîâíûå ñâîéñòâà ÿâëåíèÿ, àáñòðàãèðóÿñü îò íåñóùåñòâåííûõ äåòàëåé. Êîìïüþòåðíûå ëåêöèîííûå äåìîíñòðàöèè íåñóò íå òîëüêî äèäàêòè÷åñêóþ, íî è ìîòèâàöèîííóþ íàãðóçêó è äîêàçûâàþò âîçìîæíîñòü ïðåâðàùåíèÿ ÝÂÌ èç ïðîñòîãî òåõíè÷åñêîãî ñðåäñòâà â ñðåäñòâî, ïîçâîëÿþùåå ðàñøèðèòü ñîäåðæàíèå ó÷åáíîãî ïðîöåññà è ñïîñîáñòâóþùåå óñâîåíèþ òîé ÷àñòè èíôîðìàöèè, êîòîðàÿ ïðè äðóãèõ ìåòîäàõ íå äîõîäèò äî áîëüøèíñòâà ñòóäåíòîâ. Íàìè íàðàáîòàí äîñòàòî÷íî áîëüøîé ïàêåò ôðàãìåíòîâ äëÿ êîìïüþòåðíîãî ñîïðîâîæäåíèÿ ëåêöèîííîãî êóðñà ôèçèêè «Îñíîâû çîííîé òåîðèè». Êîìïüþòåðíûå äåìîíñòðàöèè äëÿ îáúÿñíåíèÿ íà îñíîâå çîííîé òåîðèè ïîâåäåíèÿ êðèñòàëëîâ ïðè îáëó÷åíèè èõ ñâåòîì è äðóãèõ âíåøíèõ âîçäåéñòâèÿõ îñîáåííî øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ â òåìàõ «Ôîòîýôôåêò», «Ôîòîïðîâîäèìîñòü», «Íåðàâíîâåñíîå èçëó÷åíèå», «Ïîëóïðîâîäíèêîâûå äèîäû». Ýòî ôðàãìåíòû äëÿ ïîÿñíåíèÿ èçìåíåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêèõ áàðüåðîâ è ðàñùåïëåíèÿ óðîâíåé ïðè ñáëèæåíèè êðèñòàëëîâ, ýíåðãåòè÷åñêèå ñòðóêòóðû ðàçëè÷íûõ ïîëóïðîâîäíèêîâ è äðóãèõ âåùåñòâ, àíèìàöèÿ îáðàçîâàíèÿ ýëåêòðîííî-äûðî÷íîãî ïåðåõîäà, ãðàôèêè è äèàãðàììû. Àíèìàöèîííûå ëåêöèîííûå äåìîíñòðàöèè ïî îñíîâàì çîííîé òåîðèè òâåðäîãî òåëà âêëþ÷åíû è â äðóãèå ïðîãðàììíûå ìîäóëè [6,7]. Âåñîìóþ äîáàâêó ê ëåêöèîííûì äåìîíñòðàöèÿì äàþò àâòîìàòèçèðîâàííûå èíôîðìàöèîííûå ìîäóëè, âêëþ÷àþùèå ïîëíîå òåîðåòè÷åñêîå ñîïðîâîæäåíèå, íàãëÿäíîå ìîäåëèðîâàíèå ÿâëåíèé, âîçìîæíîñòü òðåíèðîâêè. Ïðèìåðîì òàêîãî ìîäóëÿ ÿâëÿåòñÿ ÀÎÑ ïî îñíîâàì çîííîé òåîðèè. Êîíòðîëü Ïðè êîìïüþòåðíîì ñîïðîâîæäåíèè ïðåïîäàâàíèÿ ôèçèêè èñïîëüçóþòñÿ ðàçëè÷íûå âèäû êîíòðîëÿ, íî â íàñòîÿùåå âðåìÿ âñå âîçðàñòàþùåå çíà÷åíèå ïðèäàåòñÿ ñàìîêîíòðîëþ. Ïðè íàëè÷èè àâòîìàòèçèðîâàííîé îáó÷àþùåé ñèñòåìû è äîñòàòî÷íî ýôôåêòèâíîé ïîäñèñòåìû ñàìîêîíòðîëÿ âîçìîæåí ïîñòåïåííûé ïåðåõîä ê èíäèâèäóàëüíîìó îáó÷åíèþ ñòóäåíòîâ â çàâèñèìîñòè îò ñïîñîáíîñòåé ñòóäåíòîâ, èõ çàíÿòîñòè, ðàáîòîñïîñîáíîñòè è èíèöèàòèâû. Êîíòðîëü ñòàíîâèòñÿ íå òîëüêî ñðåäñòâîì ïîëó÷åíèÿ èíôîðìàöèè î ñòåïåíè ïîíèìàíèÿ è îâëàäåíèÿ ó÷åáíûì ìàòåðèàëîì, íî è â áîëüøåé ñòåïåíè ñðåäñòâîì ðàáîòû ñ íèì, àêòèâèçàöèè ýòîé ðàáîòû, ÷òî â êîíå÷íîì èòîãå òàêæå âëèÿåò íà êà÷åñòâî çíàíèé è ñïîñîáñòâóåò ðàçâèòèþ óìåíèé ñàìîêîíòðîëÿ è êîððåêöèè ñîáñòâåííûõ äåéñòâèé. Íàçíà÷åíèå ïðåäâàðèòåëüíîãî êîíòðîëÿ íå òîëüêî ïîëó÷èòü ñâåäåíèÿ î ãëóáèíå ïîäãîòîâêè è íàëè÷èè ïåðâè÷íûõ ñâåäåíèé äëÿ èçó÷åíèÿ äàííîé òåìû, íî è íàïðàâèòü ñòóäåíòîâ íà öåëåíàïðàâëåííûå èññëåäîâàíèÿ. Ïðåäâàðèòåëüíûé êîíòðîëü ïðîâîäèòñÿ ïðè èçó÷åíèè òàêèõ âîïðîñîâ ýòîé òåìû, êàê «Òåïëîâîå èçëó÷åíèå», «Íà÷àëà êâàíòîâîé òåîðèè», «Ôîòîýôôåêò», «Ëþìèíåñöåíöèÿ», «Ïîëóïðîâîäíèêè», «Îñíîâû òåîðèè ýíåðãåòè÷åñêèõ
126
Â.Ì. Èåâëåâ, Â.À. Åëèñååâ, À.À. Äîëãà÷åâ
çîí». Êðîìå òîãî, ïðè òàêîì êîíòðîëå âûÿñíÿþòñÿ íåêîòîðûå âîïðîñû ýêñïåðèìåíòàëüíîãî õàðàêòåðà: öåëè è ðåçóëüòàòû ðàáîòû, íàçíà÷åíèå ïðèáîðîâ è îðãàíîâ óïðàâëåíèÿ, èñòî÷íèêè âîçìîæíûõ ïîãðåøíîñòåé.  ãðàôèê ó÷åáíîãî ïðîöåññà íà êàôåäðå âêëþ÷åíû òàêæå êîìïüþòåðíûé ïðàêòèêóì ïî ðåøåíèþ ðàñ÷åòíî-ãðàôè÷åñêèõ çàäà÷ [8] è ïðîãðàììèðîâàííûå êîëëîêâèóìû, ïðîâîäèòñÿ êîìïüþòåðíàÿ îáðàáîòêà ðåçóëüòàòîâ ëàáîðàòîðíîãî ïðàêòèêóìà è íàêîïëåíèå ñòàòèñòè÷åñêîé èíôîðìàöèè äëÿ ðåéòèíãîâîãî êîíòðîëÿ óñïåâàåìîñòè ïî ôèçèêå [9]. Âñå îáùåíèå ñòóäåíòîâ ñ ÝÂÌ â äèñïëåéíîì êëàññå è åãî ðåçóëüòàò îáÿçàòåëüíî ôèêñèðóåòñÿ è õðàíèòñÿ â ïàìÿòè ÝÂÌ â òå÷åíèå âñåãî ñåìåñòðà. Ýòî ïîçâîëÿåò ñòóäåíòàì ñ ó÷åòîì èõ ñâîáîäíîãî âðåìåíè âûïîëíÿòü êîìïüþòåðíûå ðàáîòû â íåñêîëüêî ïðèåìîâ. Äëÿ ýòîãî â ðàñïèñàíèè ðàáîòû äèñïëåéíîãî êëàññà âûäåëåíû ÷àñû ñàìîïîäãîòîâêè ñòóäåíòîâ ëþáûõ ãðóïï, êîãäà îíè, ïîëüçóÿñü ãîòîâûìè ïðîãðàììàìè, ìîãóò ïîëó÷èòü íà ÝÂÌ êîíñóëüòàöèþ ïî òðóäíûì âîïðîñàì êóðñà ôèçèêè, ïîòðåíèðîâàòüñÿ â ðåøåíèè çàäà÷, ïðîâåñòè êîìïüþòåðíûé ýêñïåðèìåíò. Ïî îêîí÷àíèè çàíÿòèÿ ïðåïîäàâàòåëü ïîëó÷àåò ðàñïå÷àòêó ñòàòèñòè÷åñêîé èíôîðìàöèè ïî âñåé ãðóïïå ñòóäåíòîâ. Îñâîáîæäåííûé îò ðóòèííûõ îïåðàöèé ïî ïðåäúÿâëåíèþ ó÷åáíîé èíôîðìàöèè è ïðîâåðêå ðåøåíèé, ïðåïîäàâàòåëü ìîæåò áîëüøå âðåìåíè óäåëÿòü èíäèâèäóàëüíûì êîíñóëüòàöèÿì è ïîäãîòîâêå äèäàêòè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ. Îïûò ïðîâåäåíèÿ çàíÿòèé ñ êîìïüþòåðíûì ñîïðîâîæäåíèåì íà êàôåäðå ôèçèêè ÂÃÒÓ ïîçâîëÿåò îòìåòèòü ðÿä ïîëîæèòåëüíûõ ðåçóëüòàòîâ â ðàáîòå: - â êîìïüþòåðíîì ëàáîðàòîðíîì ïðàêòèêóìå âñå ñòóäåíòû ðàáîòàþò äåéñòâèòåëüíî ñàìîñòîÿòåëüíî è âûïîëíÿþò ïîëíûé îáúåì ðàáîòû â îòëè÷èå îò îáû÷íûõ çàíÿòèé, êîãäà ÷àñòü èç íèõ îãðàíè÷èâàåòñÿ ëèøü ïàññèâíûì ïðèñóòñòâèåì; - èíäèâèäóàëüíûé òåìï ðàáîòû ñîçäàåò èì óñëîâèÿ ïñèõîëîãè÷åñêîãî êîìôîðòà, à èíäèâèäóàëüíûå çàäàíèÿ äëÿ êàæäîãî ñòóäåíòà ñî÷åòàþòñÿ ñ åäèíûìè äëÿ âñåõ òðåáîâàíèÿìè è ôîðìèðóþò íåîáõîäèìûé óðîâåíü óñâîåíèÿ ó÷åáíîãî ìàòåðèàëà; - êîìïüþòåðíûé êîíòðîëü îáåñïå÷èâàåò äîñòàòî÷íî ãëóáîêóþ, áûñòðóþ è ðåãóëÿðíóþ ïðîâåðêó çíàíèé âñåõ îáó÷àåìûõ; - ðàáîòà ñ ìîäåëèðóþùèìè ïðîãðàììàìè ðàçâèâàåò ó ñòóäåíòîâ èíòåðåñ ê èññëåäîâàíèÿì è ôîðìèðóåò íåîáõîäèìûå äëÿ ýòîãî íàâûêè è óìåíèÿ. Âñå ñîçäàâàåìûå â ÂÃÒÓ ïðîãðàììíûå ïðîäóêòû è ëàáîðàòîðíûå óñòàíîâêè ïðîõîäÿò ïîëíîå òåñòèðîâàíèå íà ñîîòâåòñòâèå ìåòîäè÷åñêèì, ïñèõîëîãî-ïåäàãîãè÷åñêèìè è äðóãèì òðåáîâàíèÿì, ïðåäúÿâëÿåìûì ê ïðîãðàììíûì ïðîäóêòàì ó÷åáíîãî íàçíà÷åíèÿ. Çäåñü èìåþòñÿ âñå âîçìîæíîñòè è äëÿ òèðàæèðîâàíèÿ ãîòîâûõ ïðîãðàììíûõ ïðîäóêòîâ è ìåòîäè÷åñêèõ ðàçðàáîòîê. Ðÿä ðàçðàáîòîê óæå ïðîäàí è óñïåøíî èñïîëüçóåòñÿ â äðóãèõ
Êîìïëåêñíîå êîìïüþòåðíîå ñîïðîâîæäåíèå èçó÷åíèÿ îñíîâ òåîðèè ýíåðãåòè÷åñêèõ çîí...
127
âóçàõ ðåãèîíà. Êðîìå òîãî, â êîìïüþòåðíîì êëàññå êàôåäðû ôèçèêè ðàñïîëîæåí ñåðâåð ñåòè INTERNET ñ ýëåêòðîííîé ïî÷òîé (
[email protected]), ÷òî ïîçâîëÿåò îïåðàòèâíî îáìåíèâàòüñÿ ïðîãðàììíûìè ðàçðàáîòêàìè. Èìååòñÿ òàêæå ñîáñòâåííàÿ àêòèâíî ðàáîòàþùàÿ ìàòåðèàëüíî-òåõíè÷åñêàÿ áàçà äëÿ òèðàæèðîâàíèÿ ïå÷àòíîé ïðîäóêöèè.
Ëèòåðàòóðà 1.
Ñóõàíîâ À.Ä.. Êîíöåïöèÿ ôóíäàìåíòàëèçàöèè âûñøåãî îáðàçîâàíèÿ è åå îòðàæåíèå â Ãîñóäàðñòâåííûõ îáðàçîâàòåëüíûõ ñòàíäàðòàõ //Âûñøåå îáðàçîâàíèå â Ðîññèè 1996, ¹ 3.
2.
Âèøíåòåöêèé Å.È., Êðèâîøååâ À.Î. Ïðèìåíåíèé èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé â ñôåðå îáðàçîâàíèÿ è îáó÷åíèÿ //Èíôîðìàöèîííûå òåõíîëîãèè. 1998, ¹2, Ñ. 32.
3.
Áåñïàëüêî Â.Ï. Îñíîâû òåîðèè ïåäàãîãè÷åñêèõ ñèñòåì. Âîðîíåæ: Èçä-âî ÂÃÓ, 1977.
4.
Åëèñååâ Â.À. Êîìïüþòåðíîå ñîïðîâîæäåíèå òåìû «Íåðàâíîâåñíîå èçëó÷åíèå» // Ñá. òåç. äîêë. IV ó÷åáíîìåòîäè÷åñêîé êîíôåðåíöèè ñòðàí Ñîäðóæåñòâà «Ñîâðåìåííûé ôèçè÷åñêèé ïðàêòèêóì». ×åëÿáèíñê, 1997, Ñ. 184.
5.
Ãîëóáåâà Î.Í., Ñóõàíîâ À.Ä. Ñîâðåìåííûé âçãëÿä íà ñòðóêòóðó ôèçèêè è åå îòðàæåíèå â ó÷åáíîì êóðñå // Ôèçè÷åñêîå îáðàçîâàíèå â âóçàõ. 1996, Ò. 3, Ñ. 12-20.
6.
Åëèñååâ Â.À., Åâñþêîâ Â.À., Áàçîâîå îáðàçîâàíèå â êîìïüþòåðíîì ôèçè÷åñêîì ïðàêòèêóìå //Ñá. òåç. äîêë. V ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêîé êîíôåðåíöèè ñòðàí ÑÍà «Ñîâðåìåííûé ôèçè÷åñêèé ïðàêòèêóì». Ìîñêâà, 1998, Ñ. 175.
7.
Åëèñååâ Â.À. Îñíîâû òåîðèè ýíåðãåòè÷åñêèõ çîí. ×. 1: Ìåòîäè÷åñêèå óêàçàíèÿ äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîé ðàáîòû ñòóäåíòîâ èíæåíåðíûõ ñïåöèàëüíîñòåé âñåõ ôîðì îáó÷åíèÿ. Âîðîíåæ: Èçä-âî ÂÃÒÓ, 1996.
8.
Åëèñååâ Â.À. Ðàñ÷åòíî-ãðàôè÷åñêèå çàäà÷è â êîìïüþòåðíîì ïðàêòèêóìå ïî ôèçèêå //Ñá. òåç. äîêë. III êîíôåðåíöèè ñòðàí Ñîäðóæåñòâà «Ñîâðåìåííûé ôèçè÷åñêèé ïðàêòèêóì» Ìîñêâà, 1995.
9.
Åëèñååâ Â.À., Åâñþêîâ Â.À., Äîëãà÷åâ À.À. Ôèçè÷åñêèé ïðàêòèêóì ïî îñíîâàì òåîðèè ýíåðãåòè÷åñêèõ çîí //Ñá. òåç. äîêë. VI ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêîé êîíôåðåíöèè ñòðàí Ñîäðóæåñòâà «Ñîâðåìåííûé ôèçè÷åñêèé ïðàêòèêóì».Ìîñêâà, 2000.
