Научно-методическое обеспечение целостного исследовательского обучения физике в подготовке педагогических кадров
На правах рукописи
УДК 53:372.8
ХИНИЧ Иосиф Исаакович
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ЦЕЛОСТНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ОБУЧЕНИЯ
ФИЗИКЕ В ПОДГОТОВКЕ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ КАДРОВ
Специальность: 13.00.02 – теория и методика обучения и воспитания
(физика, уровень профессионального образования)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора педагогических наук
Санкт-Петербург
2011
Работа выполнена на кафедре методики обучения физике государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А. И. Герцена»
| 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 «____» ___________________ 2011 г. в 16 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 «_____»__________________2011 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 опытом исследовательской деятельности. Это обусловлено рядом причин, к основным из которых относятся следующие. Во-первых, эффективностью исследовательской подготовки в развитии творческих способностей, умений выполнения широкого комплекса мыслительных операций, 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, открывающимися возможностями обеспечения конкурентоспособности физика-педагога в области физических исследований, где, как показывает исторический опыт, ему по силам самые высокие достижения. В этой связи отметим, что базовым педагогическое образование было у А. Эйнштейна и Д. И. Менделеева.
Теория и практика исследовательской подготовки педагогических кадров по физике основывается на концепции обучения, которая предполагает построение учебного процесса таким образом, что по структуре и содержанию он моделирует реальное научное исследование и создает условия для овладения методами и средствами поисково-познавательной деятельности, направленной на получение новых знаний.
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 исследовательской деятельности как самого педагога, так и его учащихся, отвечающей ее логико-операциональной структуре во всей полноте. 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 курс общей физики, а следующие за ним специальные дисциплины, направленные на углубленное освоение определенных областей науки и техники, весьма ограничены по объему и, что особенно важно, они изучаются сепаратно и в их содержании не прослеживается сквозных линий. 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.
На основании сказанного дадим определение целостного исследовательского обучения при подготовке педагогических кадров по физике, как 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.
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 построению методической системы целостной исследовательской подготовки.
Важно отметить, что целостное исследовательское обучение находится в русле реализации современного компетентностного подхода к обучению, формируя у будущих преподавателей не только знания и умения определенного уровня, но и целый ряд ключевых, базовых и профессиональных компетенций. Учитывая роль исследовательской подготовки в формировании личностных качеств педагога, целостное исследовательское обучение физике находится и в русле реализации личностно-развивающего подхода и, соответственно, способствует интеграции этих подходов.
Предпосылками для организации целостного исследовательского обучения физике явились накопившиеся и обострившиеся в современных условиях противоречия между требованиями к содержанию, организации и результатам обучения со стороны науки, социума и самих обучаемых и состоянием теории и практики подготовки педагогических кадров по физике. Как показали результаты констатирующего этапа педагогического эксперимента, исследовательское обучение при подготовке педагогических кадров по физике является, как правило, фрагментарным и его содержание неоправданно сильно отстает от передовых достижений физики. К основным из выявленных на этом этапе эксперимента противоречий относятся 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 в магистральных для современных науки и практики направлениях развития, и далеким от передовых достижений содержанием физического образования при подготовке педагогических кадров.
2. Противоречие между необходимостью целостного освоения обучающимися методологии исследовательской деятельности и фрагментарностью ее представленности в обучении при подготовке педагогических кадров по физике.
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 преобладающей в практике обучения физике алгоритмизированностью деятельности обучающихся.
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 ограничением такой деятельности в практике физического образования в вузах, как правило, лишь квалификационными работами студентов.
5. Противоречие между востребованностью обоснованного с позиций теории и практики компетентностного подхода научного обеспечения методической системы целостного исследовательского обучения на базе отобранного по адекватным критериям современного физического материала и отсутствием такового в исследовательской подготовке педагогических кадров по физике.
Будучи ориентированным на разрешение этих противоречий, целостное исследовательское обучение обеспечивает продуктивность обучения – получение нового (субъективно или объективно) значимого результата. Продуктивность обучения выступает здесь не только как следствие 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.
Сказанное позволяет сформулировать проблему исследования – научно-методическое обеспечение целостного исследовательского обучения при подготовке педагогических кадров по физике.
Под научно-методическим обеспечением целостного исследовательского обучения понимается концептуально обоснованная методическая система и обеспечивающие ее реализацию методические разработки, обоснованные как с общедидактических, так и с методологических позиций.
Необходимость реализации целостного исследовательского обучения при подготовке педагогических кадров по физике заставляет в первую очередь обратиться к вопросу о его предметном содержании. Весь учебный материал, требуемый для подготовки педагогических кадров по физике, в силу своего объема и проблематики, не может быть освоен посредством целостного исследовательского обучения. В этой связи возникает необходимость выбора предметного содержания обучения, которое должно, с одной стороны, обеспечивать возможность достижения целостности, а с другой стороны, быть представительным для исследовательского обучения физике в целом. Представительность предметного материала в плане организации целостного исследовательского обучения определяется универсальностью востребованных для его освоения исследовательских умений.
Значительным потенциалом для организации целостного исследовательского обучения физике при подготовке педагогических кадров обладает предметное содержание физических основ твердотельной электроники. Возможность достижения целостности определяется здесь востребованностью и реалистичностью системного освоения содержания данного предметного материала – от постановки проблемы до соотнесения результатов ее решения с запросами науки и социума; использованием всего комплекса методов исследовательской деятельности; органическим единством в нем фундаментальной и прикладной составляющих; представленностью на всех этапах обучения при подготовке педагогических кадров: в курсе общей физики, следующих за ним специальных физических дисциплинах, которые хотя и имеют в разных вузах различные названия (физическая электроника, физика твердого тела, радиоэлектроника и др.), но все направлены на освоение физических основ твердотельной электроники; в тематике исследовательской деятельности студентов.
Представительность физических основ твердотельной электроники для исследовательского обучения физике в целом обуславливается востребованностью в процессе их освоения исследовательских умений 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 научной и практической значимости.
Реализация потенциала предметного содержания физических основ твердотельной электроники может, таким образом, стать ключевым моментом в решении поставленной в работе актуальной проблемы научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения при подготовке педагогических кадров по физике.
Объект исследования: процесс обучения при подготовке педагогических кадров по физике.
Предмет исследования: научно-методическое обеспечение исследовательского обучения физике, направленное на достижение его целостности.
Цель исследования: концептуальное обоснование, разработка и реализация научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения при подготовке педагогических кадров по физике.
Гипотеза исследования
Научно-методическое обеспечение целостного исследовательского обучения наиболее полно реализует свою роль в подготовке педагогических кадров по физике, если:
– обучение физике будет опираться на представительный для физического образования, в плане освоения его содержания и развития исследовательских умений, предметный материал высокой научной и практической значимости;
– содержание обучения будет строиться на основе укрупненных структурных единиц – разделов лекционного курса и циклов учебно-исследовательских заданий, направленных на освоение физики целых классов объектов;
– в содержание физического образования будут включены новейшие методы исследования, осваиваемые студентами системно в соответствии с принятой методологией;
– будут использованы формы и методы организации обучения, обеспечивающие непрерывность и преемственность освоения студентами необходимых умений и опыта практико-ориентированной исследовательской деятельности на всем протяжении обучения;
– научно-методическое обеспечение целостного исследовательского обучения будет содержать концептуальное обоснование, методическую систему и обеспечивающие ее реализацию методические разработки.
Исходя из цели и гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи.
- Раскрыть присущие исследовательскому обучению при подготовке педагогических кадров по физике противоречия и определить пути их устранения.
- Определить понятие целостного исследовательского обучения физике и разработать системный подход к его обеспечению при подготовке педагогических кадров.
- Сформулировать и реализовать требования к проектированию предметного содержания исследовательского обучения физике, обеспечивающего формирование у студентов умений и опыта целостного освоения предметного материала высокой научной и практической значимости.
- Разработать и реализовать требования к организации исследовательской подготовки педагогических кадров по физике, обеспечивающие целостное освоение методологии научных исследований.
- Разработать и обосновать методы и средства формирования у обучающихся умений и опыта самостоятельного освоения аналитических возможностей и практического использования физических методов исследования, адекватных его задачам.
- Обеспечить непрерывность и преемственность целостного практико-ориентированного исследовательского обучения на различных его этапах при подготовке педагогических кадров по физике.
- Разработать методические материалы, обеспечивающую реализацию целостного исследовательского обучения при подготовке педагогических кадров по физике.
- Определить эффективность разработанного научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения физике (по полноте сформированности и действенности исследовательских умений) 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;
– 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, В. В. Лаптев, С. Е. Каменецкий, Ю. Н. Кулюткин, И. Я. Ланина, А. Н. Леонтьев, А. Е. Марон, Я. А. Пономарев, Н. С. Пуры-шева, В. Г. Разумовский, С. Л. Рубинштейн, И. И. Соколова, А. П. Тряпи-цына, Г. И. Щукина и др.);
– принципы дидактики высшей школы (В. А. Извозчиков, А. А. Кирса-нов, 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 его технологии (Г. А. Бордовский, А. С. Кондратьев, В. В. Ларионов, В. В. Майер, И. А. Мамаева, В. Г. Разумовский, А. А. Самарский, С. Д. Ханин, Т. Н. Ша-мало 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: разносторонним анализом проблемы исследования; опорой на методологию современной физики и физического образования; использованием различных методов исследования, адекватных поставленным задачам; внутренней согласованностью теоретических и практических результатов исследования, 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 формирования отдельных умений поисково-познавательной деятельности, осуществляемого в теории и практике исследовательского обучения физике, в настоящем исследовании разработаны концептуальные положения и на их основе – научно-методическое обеспечение целостной исследовательской подготовки педагогических кадров по физике. Разработана методическая система целостного исследовательского обучения физике, включающая в себя его цели, содержание, формы, методы и средства, реализуемые на всех этапах подготовки педагогических кадров по физике.
Определены основные критерии отбора содержания исследовательского обучения при подготовке педагогических кадров по физике, в качестве которых выступают возможность достижения целостности и представительность для освоения физики в целом. В соответствии с этими критериями обоснована целесообразность использования в качестве предметной основы целостного исследовательского обучения физических основ твердотельной электроники.
В отличие от традиционного подхода к обучению физическим основам твердотельной электроники, когда они систематически изучаются только в специальных физических дисциплинах, в настоящем исследовании разработаны методики освоения понятий и представлений физических основ твердотельной электроники в курсе общей физики, предполагающие построение учебного процесса в форме полного исследовательского цикла, включая самостоятельное добывание студентами значимых для практики результатов в процессе решения проблемно-ориентированных циклов задач, что обеспечивает содержательную и методологическую целостность их исследовательской подготовки.
В отличие от принятого в преподавании следующих за общим курсом физики специальных физических дисциплин принципа построения теоретического курса и лабораторного практикума из отдельных, относящихся к разным материалам и приборным структурам твердотельной электроники вопросов и работ, в настоящем исследовании разработан принцип структурирования учебного материала на основе укрупненных единиц – разделов лекционного курса и циклов учебно-исследовательских заданий, направленных на разностороннее и углубленное изучение физики целых классов материалов и приборных структур твердотельной электроники, что позволяет студентам овладеть опытом целостной практико-ориентированной исследовательской деятельности на предметном материале высокой научной и практической значимости.
Определены принципы организации исследовательской деятельности студентов, отвечающей целостному исследовательскому обучению, в том числе учебно- и проектно-исследовательской деятельности по освоению физических методов наукоемких технологий наноэлектроники.
Теоретическая значимость работы заключается в следующем. Поставлена и решена проблема научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения при подготовке педагогических кадров по физике.
Разработаны концептуальные положения, составляющие теоретическую основу научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения при подготовке педагогических кадров по физике, в том числе:
– определение понятия целостного исследовательского обучения в его содержательном, методологическом и организационном аспектах;
– критерии отбора предметного содержания целостного исследовательского обучения физике, как, с одной стороны, обеспечивающего возможность достижения целостности обучения, а с другой стороны, представительного для физического образования в целом в плане универсальности востребованных для его освоения исследовательских умений;
– структурирование содержания целостного исследовательского обучения на основе единиц, укрупненных до физики целых классов объектов;
– принципы организации учебно- и проектно-исследовательской деятельности студентов, отвечающие необходимости целостного освоения студентами методологии исследовательской деятельности;
– последовательность и динамика освоения физических принципов и методов современных наукоемких технологий твердотельной электроники.
Разработан концептуально обоснованный подход к проектированию и реализации целостного исследовательского обучения, который может быть положен в основу исследовательской подготовки педагогических кадров по физике.
Практическое значение работы состоит в следующем. Разработана методическая система целостного исследовательского обучения, включающая цели, содержание, формы, методы и средства реализации и диагностики ее результативности, использование которой дает возможность существенно повысить качество подготовки педагогических кадров по физике по всем его основным показателям.
Полученные результаты в части разработанных методик освоения физических основ твердотельной электроники в курсе общей 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 курса общей 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-исследова-тельских заданий по физике материалов и приборов твердотельной электроники, основанные на значимом для науки и практики предметном материале.
Разработана методика 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 авторских программ по основам нанотехнологий.
Логика и основные этапы исследования
Исследование проводилось с 1996 по 2010 годы в 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 курсе общей 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 и методических пособий для курса общей физики и специальных физических дисциплин, отвечающих требованиям целостного исследовательского обучения.
Личный вклад автора заключается в постановке и решении проблемы научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения при подготовке педагогических кадров по физике, в том числе в построении концептуально обоснованной методической системы целостного исследовательского обучения и в создании поддерживающих эту систему методических разработок. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат постановка задачи, разработка ключевых вопросов исследования и анализ полученных результатов.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Необходимость формирования значимых для специалиста в области физического образования способностей и готовности к творческой самореализации в профессиональной деятельности делает целесообразным целостное исследовательское обучение физике при подготовке педагогических кадров, а разработанные концептуальные положения, включающие критерии отбора предметного содержания, принципы его структурирования и организации процесса освоения, создают теоретическую основу для его научно-методического обеспечения.
2. Необходимым условием реализации целостного исследовательского обучения при подготовке педагогических кадров по физике является такой отбор проблематики, который открывает возможность организации непрерывной полномасштабной исследовательской деятельности на всех этапах и уровнях обучения и требует для своего освоения использования всех основных ее методов и средств.
3. Исследовательскую подготовку педагогических кадров по физике целесообразно осуществлять на основе предметного материала физических основ твердотельной электроники как представительного для физического образования в целом в плане универсальности востребованных для его освоения исследовательских умений и обеспечивающего возможность достижения целостности обучения во всех основных аспектах: содержательном, методологическом и организационном.
4. Целостность исследовательского обучения в содержательном аспекте достигается при построении предметного материала на основе укрупненных до физики целых классов приборных систем твердотельной электроники структурных единиц и его освоения, осуществляемого в процессе решения проблемно-ориентированных циклов задач: преимущественно аналитического в курсе общей физики и экспериментального – в практикуме по специальным дисциплинам.
5. Существенным условием достижения целостности исследовательского обучения физике в методологическом аспекте является освоение студентами посредством выполнения полного исследовательского цикла передовых достижений твердотельной электроники, в том числе удостоенных Нобелевской премии по физике, с опорой на предметный материал лекций ее лауреатов как наиболее полно отражающих логико-операциональную структуру эффективной практико-ориентированной исследовательской деятельности.
6. Эффективным средством, обеспечивающим достижение организационной целостности исследовательского обучения, наряду с содержательной и методологической, является освоение студентами физических принципов и методов наукоемких технологий наноэлектроники, осуществляемое в курсе общей физики на уровне установления аналитических возможностей методов; в специальных физических дисциплинах – овладения имеющимся опытом их применения; в проектно-исследовательской деятельности – самостоятельного решения актуальных физико-технических проблем.
Апробация результатов исследования осуществлялась 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-Петербург, 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.; Минск, 2010 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-практических конференциях «Герценовские чтения» (Санкт-Петербург, РГПУ им. А. И. Гер-цена) 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 составляет 345 страниц, включая 80 рисунков и 17 таблиц. Список литературы содержит 326 наименований.
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 и сформулирована проблема исследования, раскрытые в разделе «актуальность».
Показано, что решение сформулированной проблемы соответствует реализации ряда общедидактических принципов высшего профессионального образования:
– 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;
– системности в силу направленности на формирование у студентов целостных предметных знаний, включая методологические знания, необходимые для понимания структурных связей в системе;
– доступности в силу расширения осваиваемого студентами проблемного поля и их познавательных возможностей;
– дифференцированного и индивидуального подходов к обучению в силу широты освоения содержания и методологии поисково-познаватель-ной деятельности, позволяющей учесть индивидуальные интересы и способности обучаемых;
– мотивации к обучению в силу продуктивности целостного исследовательского обучения;
– профессиональной направленности обучения в силу формирования у студентов качеств мышления и умений, необходимых для решения профессионально-педагогических задач.
Для достижения целевых установок физического образования 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, выбора (разработки) его методики и ее реализации;
– 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 интеллекта и творческих способностей личности средствами физического образования.
Показано, что целостность исследовательской подготовки является важным фактором, способствующим повышению качества физического образования: качества его результатов, способствуя расширению опыта познавательной деятельности, повышению уровня и прочности ее освоения, 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 в основных 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 критериев, к основным из которых относятся 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 фундаментальными модельными представлениями физики и метапредметными знаниями;
– доступность для обучаемых с необходимым стартовым уровнем знаний и умений;
– возможность реализации в обучении системного освоения методологии исследовательской деятельности.
Указанным критериям к отбору содержания целостной исследовательской подготовки отвечают физические основы твердотельной электроники. Наряду с соответствием данного предметного содержания достоинствам, отмеченным в разделе «актуальность» (возможности достижения целостности и представительности для всего обучения физике в целом), его освоение отвечает задачам развития физического образования при подготовке педагогических кадров во всех основных аспектах.
Физические основы твердотельной электроники – лидер среди прикладных наук в учебных планах подготовки педагогических кадров по физике. Они изучаются сначала, хотя и фрагментарно, в курсе общей физики, а затем и в следующих за ним специальных дисциплинах, 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 формирования необходимых для профессиональной деятельности преподавателя указанных выше знаний, способствует достижению важнейшей цели физического образования – развитию 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”».
Теоретический анализ показывает, что 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 курса общей 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 курса общей 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, доступной 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 курса общей 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 курсе общей физики на основе решения циклов задач, объединенных общей проблемой. Эти задачи могут относиться как к отдельным разделам курса общей 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 курсе общей 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.
Так, для освоения аналитических возможностей атомно-силовой микроскопии студентам предлагается цикл, включающий следующие задачи: определение амплитудно-частотной характеристики вынужденных колебаний зондового датчика при отсутствии его взаимодействия с поверхностью образца, осуществляемое на основе простейшей модели пружинного маятника; определение влияния взаимодействия зонда с образцом на амплитуду колебаний кантилевера в линейном приближении; оценка изменения резонансной частоты колебаний при учете взаимодействия заряженного острия датчика и точечного заряда, локализованного в приповерхностной области изучаемого образца. Экспериментальную учебно-исследовательскую деятельность студентов предлагается строить поэтапно: на первом этапе на сканирующих зондовых микроскопах, предназначенных для учебных целей (например, NanoEducator, разработанных компанией «НТ-МДТ»), анализируя образцы с крупномасштабными неоднородностями поверхности, а на втором этапе после приобретения необходимого опыта – на аппаратуре исследовательского класса, осуществляя анализ поверхности образцов с атомным разрешением, экспериментально доказывая тем самым атомное строение конденсированных веществ.
В третьей главе «Научно-методическое обеспечение целостного исследовательского обучения в процессе освоения специальных физических дисциплин» раскрываются подходы к реализации систематического и логически завершенного изучения физики материалов и приборов электронной техники в подготовке педагогических кадров.
Разработанное научно-методическое обеспечение предполагает обновление содержания предметного материала и изменение подхода к его структурированию, а именно укрупнение его структурных единиц. В работе развивается аргументация в пользу включения в содержание лекционных курсов разделов, посвященных физике определенных, значимых для науки и практики, материалов и приборов твердотельной электроники. В основе выбора проблематики таких разделов лежат требования: актуальности предметного материала, новизны его содержания, представительности в методологическом плане. Учебно-исследовательская деятельность студентов по освоению этой проблематики строится в соответствии с методологией реального научного поиска в области решения актуальных физико-технических проблем.
Рассмотрим предлагаемый методический подход на примере организации освоения разработанного раздела лекционного курса, посвященного физике материалов и приборов на основе арсенида галлия. Остановимся на методике обучения физике двойных гетероструктур, используемых в качестве основы полупроводниковых инжекционных лазеров, где студенты осваивают достижения, удостоенные Нобелевской премии по физике (Ж. И. Алферов, Г. Кремер, 2000 г.).
В последовательности, отвечающей действительному процессу решения проблемы, перед студентами ставится и в ходе их самостоятельной работы и лекционного исследования решается ряд принципиальных вопросов: определения необходимых условий для реализации лазерного эффекта в p–n структурах; физических ограничений, существующих здесь для гомо- p–n переходов; физических эффектов, обусловливающих достоинства двойных гетероструктур; конструирования необходимой зонной диаграммы приборов; выбора полупроводниковых материалов для их создания; изыскания путей улучшения функциональных свойств полупроводниковых гетеролазеров на основе использования квантово-размерных наноструктур. Важно отметить, что студенты конструируют гетероструктуры (их зонные диаграммы) с заданными функциональными свойствами и могут проверить результаты осуществляемой ими инженерии электронных спектров на эксперименте.
Отвечая целевым установкам данного исследования, реализация предлагаемого методического подхода позволяет:
– осуществить наполнение курса целостным конкретным содержанием;
– включить в содержание курса современные, признанные достижения твердотельной электроники;
– интегрировать и активизировать теоретические знания;
– раскрыть присущую науке взаимосвязь фундаментальных и прикладных исследований;
– освоить логико-операциональную структуру исследовательской деятельности в области решения физико-технических проблем во всей ее полноте.
В основу выбора проблематики семинаров положено требование ее соответствия содержанию задач получения материалов и приборных структур с заданными функциональными свойствами. Отметим, что решение таких задач включает с необходимостью освоение новых для студентов модельных представлений. Так, например, решение предлагаемой задачи получения резистивных материалов с высоким удельным сопротивлением и низким значением его температурного коэффициента на основе случайно неоднородных металлодиэлектрических систем с необходимостью предполагает освоение теории протекания. Используя вычислительный и натурный эксперименты, студенты решают решеточные и континуальную задачи. В итоге они овладевают представлениями об эффекте протекания, понятием порога протекания и определяют последний.
В части разработки лабораторного практикума по физическим основам твердотельной электроники предлагается новый подход к его построению, центральная идея которого состоит в том, что структурной единицей практикума является цикл учебно-исследовательских заданий, направленный на изучение физики целого класса материалов и приборных структур.
Рассмотрим содержание развиваемого методического подхода более подробно на примере разработанного практикума по физике базовых материалов и компонентов твердотельной электроники. Предлагаемый практикум включает в себя шесть циклов, каждый из которых посвящен определенному классу материалов и приборов. Первый цикл посвящен изучению свойств диэлектрических материалов и приборных структур конденсаторостроения. Содержание второго цикла состоит в изучении физики резистивных металлических и полупроводниковых материалов и свойств резисторов на их основе. Третий цикл относится к физике контакта металл –полупроводник, неоднородных полупроводников и диодов на их основе. Четвертый цикл состоит в изучении физических свойств и функциональных характеристик полупроводниковых транзисторов. В пятом цикле изучается физика фотоприемных и светоизлучающих полупроводниковых устройств. Выполнение шестого цикла моделирует ситуацию решения определенной технической задачи – проектирования чувствительного полупроводникового элемента датчика температуры на основе использования свойств различных полупроводниковых приборов.
Отметим, что содержательная целостность выполнения такого практикума обеспечивается не только единством проблематики каждого из циклов, но и общностью физического содержания различных циклов. Так, в первом цикле, посвященном емкостным элементам, изучаются температурные зависимости электрических свойств конденсаторных структур на основе сегнетокерамических материалов, а второй цикл практикума, посвященный резистивным материалам и приборным структурам на их основе, включает в себя анализ температурной зависимости проводимости сегнетокерамики, используемой в качестве материала позисторов. Имеет место и единство содержания различных форм практических занятий. В качестве примера связи содержания практикума с содержанием семинарских занятий выступает анализ во втором цикле практикума возможности реализации позисторного эффекта в металлодиэлектрических композиционных материалах на основе теории протекания.
Показано, что возможности приобретения студентами предметного опыта целостной исследовательской деятельности существенно расширяются, если основной, обязательный для выполнения практикум сочетать со специальным исследовательским практикумом, направленным на углубленное, разностороннее освоение физики одного из изучаемых классов объектов. В качестве примера последних выступают аморфные оксиды металлов в субмикронных анодных слоях, используемые в качестве рабочего диэлектрика оксидных конденсаторов. Выбор этого объекта, наряду с его практической значимостью, обусловлен открывающимися здесь возможностями освоения теоретических основ интенсивно развивающейся физики неупорядоченных систем и постановкой в вузе полного цикла исследований – от получения анодного оксида до экспериментальной проверки следствий, вытекающих из развитых модельных представлений. Перед студентами ставится проблема определения механизма электропроводности в этих материалах и выработки на этой основе практических рекомендаций по улучшению свойств оксидных конденсаторов. К числу экспериментально изучаемых в практикуме явлений относятся неомическая электропроводность в сильных электрических полях, электропроводность на переменном токе, нестационарные явления, в том числе вызванные неоднородным оптическим возбуждением.
Важно отметить, что совокупность получаемых в практикуме экспериментальных результатов, относящихся к электронным свойствам анодных оксидов в различных и широко изменяющихся внешних условиях, описывается с единых позиций теории прыжкового переноса в неупорядоченных системах с сильной локализацией носителей заряда. С использованием этой модели из независимых экспериментов получаются сходящиеся оценки концентрации локализованных состояний; выявляются возможности экспериментального определения сильной электрон-фононной связи и малой подвижности носителей заряда; формулируются и экспериментально проверяются практические рекомендации по улучшению свойств оксидных конденсаторных структур и расширению области их применения.
Выполнение такого практикума с необходимостью требует от студентов информационно-аналитической работы; выбора и разработки экспериментальных методик; разностороннего экспериментального изучения объекта; построения модели наблюдаемых явлений; детального сопоставления эксперимента и теории; практического использования результатов исследования.
В четвертой главе «Проектно-исследовательская деятельность студентов как средство достижения целостности их исследовательской подготовки» обосновывается целесообразность такой деятельности и раскрывается потенциал проблематики физических основ твердотельной электроники в ее реализации.
Проектно-исследовательская деятельность студентов, под которой понимается деятельность, направленная на решение значимой для практики проблемы и осуществляемая как исследовательская с применением комплекса необходимых методов, способствует достижению целостности исследовательской подготовки во всех ее аспектах: содержательном, процессуальном и организационном. Целесообразность проектно-исследователь-ской деятельности в рассматриваемом аспекте предопределяется целым рядом присущих ей особенностей:
– полнотой: от постановки задачи до практической реализации предлагаемого решения;
– востребованностью всех форм научной деятельности;
– системностью и систематичностью в использовании научных методов;
– востребованностью коммуникативных умений при работе в исследовательских группах.
К основным требованиям к выбору тематики проектно-исследователь-ской деятельности отнесены: соответствие содержанию реальных физико-технических проблем в области твердотельной электроники; представительность в информационном и методологическом аспектах; целостность освоения методологии исследовательской деятельности; сочетание научности и доступности.
В данном исследовании аргументируется целесообразность выбора в качестве предметного материала физики поверхности твердого тела, занимающей одно из центральных мест в решении проблем твердотельной электроники. Развиваются методические подходы к выявлению и использованию для изучения структуры поверхности аналитических возможностей современных методов экспериментальной и вычислительной физики, принципы которых основываются на эффектах, известных студентам из курса общей физики, что активизирует имеющиеся знания. Отметим, что осваивая аналитические возможности методов физики поверхности, студенты приобретают предметный опыт целостного решения фундаментальных проблем атомного и электронного строения конденсированных веществ.
В качестве современных физических методов, используемых в проектно-исследовательской деятельности, могут выступать методы вторично-электронной спектроскопии (ВЭС) и сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). Выбор этих методов определяется их информативностью в решении актуальных физико-технических проблем анализа структуры и морфологии приповерхностных слоев материалов твердотельной электроники, в том числе наноструктурированных материалов. Интерпретация получаемых указанными методами результатов, как правило, сопряжена с математическим моделированием, реализуемым при необходимости посредством вычислительного эксперимента, что придает методологии исследовательской деятельности целостный характер. В плане проектной деятельности использование этих методов открывает подходы к получению покрытий с заданными свойствами, например, эмиссионных, антиэмиссионных, износостойких и др.
В части освоения студентами аналитических возможностей методов ВЭС рассмотрим изучение явления упругого отражения электронов (УОЭ) от поверхности материалов твердотельной электроники. Задачей проектно-исследовательской деятельности здесь является разработка методики определения распределения концентраций химических элементов по глубине образца неразрушающим образом. Для установления возможности такого анализа студенты осуществляют математическое моделирование явления УОЭ в области энергий E > 100 эВ, где превалирующую роль играют индивидуальные акты упругого взаимодействия электронов с отдельными атомами твердого тела. На начальном этапе студенты используют простейшую модель УОЭ – модель однократного рассеяния. Сравнение результатов расчета интегрального (по углам вылета) коэффициента УОЭ r при нормальном падении электронов на образец с полученными студентами экспериментальными данными (рис. 1) показывает, что модель однократного рассеяния не может количественно описать экспериментальные результаты, в связи с чем возникает необходимость ее модификации. Последняя осуществляется посредством косвенного учета кратного рассеяния за счет последовательного увеличения длины свободного пробега электронов до упругого соударения и позволяет достигнуть достаточно хорошего согласия теоретических результатов с экспериментальными.
Рис. 1. Зависимости r(E) для Au ( = 0), рассчитанные по модели
однократного рассеяния (1) и в модифицированной модели
при последовательном увеличении длины свободного пробега (2, 3).
Пунктир – экспериментальные результаты
Таким образом, студенты приходят к разработке методики выполнения проектного задания. Варьируя энергию падающих на образец электронов и тем самым изменяя глубину анализа, с использованием предлагаемой модели они определяют профиль распределения химических элементов по глубине. Информативность этой методики подтверждается экспериментально на двухкомпонентных халькогенидных стеклообразных полупроводниках.
Отметим, что непосредственно учесть возможность кратного рассеяния и тем самым улучшить согласие расчетов с экспериментом и, соответственно, точность анализа элементного состава можно посредством статистического моделирования электронных траекторий, например, методом Монте-Карло.
В методическом плане обсуждаемая проектно-исследовательская деятельность значима в силу целостного освоения студентами предметного опыта: 1) построения относительно простой модели изучаемого явления, допускающей математическое описание; 2) модификации модели с целью учета различных реальных факторов; 3) организации вычислительного эксперимента; 4) детального сопоставления эксперимента и теории; 5) практи-ческого использования полученных результатов.
Другой апробированной в работе тематикой целостной проектно-исследовательской деятельности студентов, связанной с освоением аналитических возможностей методов ВЭС, является определение эмиссионных свойств (работы выхода электронов, энергетического спектра электронных состояний, концентрации электронов в приповерхностном слое) катодных покрытий на тугоплавких металлах. В процессе решения этих задач студенты выявляют и анализируют такие особенности энергетических спектров вторичных электронов, как пики оже-электронов, пики характеристических потерь энергии (ХПЭ) и др. (рис. 2), что позволяет существенно расширить физические представления о процессах взаимодействия электронов с твердым телом и выявить информативность их характеристик для диагностики поверхности твердого тела.
Рис. 2. Энергетические спектры вторичных электронов для слоя Ba.
Энергии первичных электронов в эВ указаны около кривых
Проектно-исследовательская деятельность студентов, в которой с необходимостью осваиваются современные физические методы, может быть направлена не только на диагностику существующих, но и на разработку новых материалов и технологических методов. Рассмотрим это на следующих примерах, первый из которых предполагает решение физико-технической задачи получения износостойких покрытий. Анализ имеющейся информации о решении такого рода задач приводит к выводу о необходимости получения наноструктурированных покрытий, что требует знания морфологии их поверхности в зависимости от условий синтеза. Отсюда становится ясной целесообразность использования методов СЗМ.
В качестве основы наноструктурированного покрытия может быть использована, как выясняется при анализе литературы, слоистая система из нитридов титана и алюминия. В своем исследовании студенты варьируют толщину слоев (при фиксированной полной толщине покрытия), контролируя для каждого слоистого покрытия его морфологию и прочность. Выясняется, что наибольшей механической прочностью обладают многослойные покрытия нитридов Ti и Al с толщиной слоев 2,5 нм (рис. 3). Это объясняется тем, что данная толщина слоя нитрида алюминия является максимальной для образования его кубической модификации, соответствующей структуре нитрида титана.
Рис. 3. Влияние толщины слоев на временной показатель
механической прочности покрытия
Вторым примером, связанным с освоением методов СЗМ, является исследование и применение методов зондовой нанотехнологии модификации поверхности. Тематика проектно-исследовательской деятельности здесь может быть связана с использованием методов и средств нанолитографии для формирования на поверхности образца рисунка с масштабированием в наноразмерном диапазоне. На начальном этапе студенты могут исследовать процесс динамической силовой нанолитографии, например, на учебной аппаратуре NanoEducator для достаточно простых шаблонов, а затем переходить к использованию аппаратуры исследовательского класса,
позволяющей проводить различные виды зондовой литографии, в том числе анодно-окислительную литографию, и получать рисунки с тонким рельефом.
Таким образом, при определенном выборе проблематики и методических подходов к организации проектно-исследовательской деятельности, она может быть эффективным средством реализации целостного исследовательского обучения физике.
Пятая глава «Экспериментальная проверка эффективности реализации научно-методического обеспечения целостного исследовательского обучения в подготовке педагогических кадров по физике» посвящена результатам педагогического эксперимента. Он проводился в Российском
государственном педагогическом университете им. А. И. Герцена, Санкт-Петербургском, Петрозаводском и Тверском государственных университетах, Вологодском, Псковском, Мурманском и Карельском государственных педагогических университетах. Генеральная выборка студентов составляла 470 человек.
На констатирующем и поисковом этапах педагогического эксперимента доказана целесообразность достижения целостности исследовательского обучения на предметной основе физики материалов и приборных структур твердотельной электроники, выявлен имеющийся здесь резерв и тем самым обоснована необходимость разработки соответствующего научно-методи-
ческого обеспечения. На формирующем и контрольном этапах педагогического эксперимента эффективность предлагаемых методических подходов к освоению физических основ твердотельной электроники определялась по полноте сформированности и действенности следующих исследовательских умений:
– планирования и реализации (методического обеспечения) физического эксперимента;
– физического моделирования изучаемого явления;
– использования полученных знаний и умений в профессиональной педагогической деятельности.
Выбор указанных умений обусловлен их представительностью в плане целостности предметного содержания и методологии исследовательской деятельности, отвечающих целевым установкам работы и соответствием компетентностному подходу. Для оценки полноты сформированности и действенности этих умений использовалась методика поэлементного анализа выполнения исследовательских заданий студентами контрольных и экспериментальных групп. Отметим, что в качестве одного из элементов для каждого из отмеченных умений выступают умения поиска, отбора и анализа имеющейся информации как принципиально важные для педагога.
Наряду с поэлементным анализом в педагогическом эксперименте определялось относительное количество студентов экспериментальных и контрольных групп, справившихся с предлагаемыми им заданиями в целом.
В таблице 1 представлены результаты поэлементного анализа в части определения уровня сформированности умений методического обеспечения эксперимента, полученные при выполнении студентами задания по разработке методики определения малой подвижности носителей заряда в высокоомных некристаллических материалах твердотельной электроники.
Таблица 1
Результаты поэлементного анализа выполнения задания,
направленного на определение уровня сформированности умений
методического обеспечения эксперимента
| Элемент анализа исследования | Относительное кол-во студентов, проявивших указанные исследовательские умения (%) | |
| Экспериментальные группы | Контрольные группы | |
| 1. Поиск, отбор и анализ имеющейся информации по методам решения родственных задач | 85 | 63 |
| 2. Нахождение принципа, который может быть положен в основу эксперимента | 80 | 45 |
| 3. Определение возможностей практической реализации эксперимента | 69 | 50 |
| 4. Планирование и осуществление эксперимента избранным методом | 68 | 39 |
| 5. Анализ результатов эксперимента на предмет эффективности метода | 62 | 31 |
| 6. Определение информативности экспериментальной методики | 74 | 43 |
| 7. Определение практической значимости используемых методов | 77 | 54 |
В целом с предложенным заданием справились (выполнили все необходимые элементы) 46% студентов экспериментальных групп и 22% студентов контрольных групп.
В таблице 2 представлены сравнительные результаты определения уровня сформированности у студентов исследовательских умений физического моделирования изучаемого явления, полученные при выполнении задания по определению механизма электропроводности оксидов ванадия, используемых в качестве рабочих материалов терморезисторов.
Со всей совокупностью указанных элементов исследования справились 49% студентов экспериментальных групп и 24% студентов контрольных групп.
Наконец, приведем данные по определению уровня умений использования студентами полученных знаний в профессиональной педагогической деятельности. Здесь различались низкий, средний и высокий уровни. Низкий уровень отвечал исполнительской, алгоритмизированной деятельности студента по решению поставленной перед ним задачи. Средний уровень соответствовал способности студента к обоснованной модификации предлагаемых ему подхода и метода, адекватной поставленной задаче. Высокий уровень – способности самостоятельно разработать и реализовать метод
решения задачи.
Таблица 2
Результаты поэлементного анализа выполнения задания,
направленного на определение уровня сформированности умений
физического моделирования изучаемого явления
| Элемент анализа исследования | Относительное кол-во студентов, проявивших указанные исследовательские умения (%) | |
| Экспериментальные группы | Контрольные группы | |
| 1. Обоснование необходимости разработки модельных представлений на основе анализа литературных данных | 76 | 62 |
| 2. Разработка физической модели явления | 73 | 43 |
| 3. Разработка математической модели явления | 72 | 41 |
| 4. Использование модели в анализе результатов экспериментального изучения явления | 83 | 65 |
| 5. Обоснование модели на основе независимых экспериментальных результатов | 65 | 43 |
| 6. Выявление и экспериментальная проверка следствий, вытекающих из модельных представлений | 54 | 29 |
| 7. Выявление прикладных аспектов использования полученных результатов | 75 | 55 |
В таблице 3 приведены данные сравнительного анализа уровня этих умений, полученные при выполнении студентами заданий по разработке учебного эксперимента, направленного на установление закономерностей явления электролиза.
Таблица 3
Сопоставление уровня умений использования полученных знаний
в профессиональной педагогической деятельности
| Уровень умений использования полученных знаний | Относительное количество студентов (%) | |
| Экспериментальные группы | Контрольные группы | |
| Низкий | 15 | 30 |
| Средний | 45 | 50 |
| Высокий | 40 | 20 |
Как показывают представленные результаты, студенты экспериментальных групп обнаруживают более высокий уровень владения проверяемыми умениями. Достоверность того, что это обусловлено использованием разработанного научно-методического обеспечения, а не какими-либо побочными факторами, подтверждалась посредством метода проверки статистических гипотез, реализуемого сравнением полученного значения статистики медианного критерия с критическим значением.
Расчетное значение статистики медианного критерия, полученное при усреднении баллов, набранных студентами экспериментальных и контрольных групп (низкому, среднему и высокому уровням сформированности умений отвечали баллы 1, 2, 3 соответственно), составляло 3,6, в то время как критическое значение – 3,84. Это дает основание принять сформулированную ранее нулевую гипотезу и утверждать, что повышение уровня сформированности умений целостной исследовательской деятельности у студентов экспериментальных групп, по сравнению со студентами контрольных групп, является следствием использования развитого в диссертационном исследовании научно-методического обеспечения.
Таким образом, результаты эксперимента подтверждают гипотезу исследования и свидетельствуют о том, что разработанное в диссертационном исследовании научно-методическое обеспечение целостного исследовательского обучения в подготовке педагогических кадров по физике педагогически целесообразно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты и выводы работы состоят в следующем.
1. Выявлены и проанализированы противоречия, ограничивающие действенность исследовательского обучения в подготовке педагогических кадров по физике, в результате чего поставлена проблема развития системы исследовательского обучения физике в плане придания ему целостности. Показаны возможности реализации целостного исследовательского обучения физике при подготовке педагогических кадров сообразно логике и методологии современных науки и физического образования.
2. Сформулированы концептуальные положения, определяющие критерии отбора предметного содержания целостного исследовательского обучения при подготовке педагогических кадров по физике. Обоснована целесообразность и показаны возможности построения исследовательского обучения физике на основе предметного материала физических основ твердотельной электроники, как, с одной стороны, обеспечивающего возможность достижения целостности обучения, а с другой стороны, представительного для физического образования в целом в плане универсальности востребованных для его освоения исследовательских умений.
3. Предложено осуществлять построение предметного содержания
целостного исследовательского обучения на основе структурных единиц, укрупненных до разделов лекционного курса и циклов учебно-исследовательских заданий, направленных на целостное изучение физики целых классов объектов, в качестве которых при освоении физических основ твердотельной электроники выступают ее материалы и приборные структуры.
4. Определены требования к обучению физике в его процессуальном аспекте, отвечающие необходимости целостного освоения студентами методологии исследовательской деятельности. Показаны возможности реализации полного исследовательского цикла в процессе освоения студентами базовых знаний в курсе общей физики, современных достижений с опорой на материалы Нобелевских лекций по физике в специальных дисциплинах и в проектно-исследовательской деятельности, направленной на решение актуальных для науки и практики задач.
5. Раскрыт потенциал выбора и разработки студентами методов исследовательской деятельности как средства достижения ее целостности. Развита методика освоения обучающимися аналитических возможностей современных физических методов, в том числе широко используемых в нанотехнологиях твердотельной электроники, на основе решения проблемно-детерминированных циклов задач в учебном процессе и создания условий востребованности этих методов в проектно-исследовательской деятельности студентов.
6. Показаны возможности непрерывного и единого по своим подходам целостного практико-ориентированного исследовательского обучения на различных этапах и уровнях обучения физике, начиная с курса общей физики, продолжая в следующих за ним специальных физических дисциплинах и заканчивая выполнением студентами проектно-исследовательских заданий с расширением проблемного поля исследований и повышением требований к их продуктивности. Для указанных форм учебно-познавательной и исследовательской деятельности студентов созданы конкретные методические разработки, основанные на значимой для физических основ твердотельной электроники, в том числе наноэлектроники, проблематике.
7. В результате педагогического эксперимента подтверждена выдвинутая гипотеза и доказана эффективность развитого научно-методического обеспечения целостности исследовательского обучения в подготовке педагогических кадров по физике.
Основные результаты диссертационного исследования отражены в следующих публикациях.
Монографии
1. Хинич И. И. Научно-методическое обеспечение целостности и продуктивности в исследовательском обучении физике при подготовке педагогических кадров – СПб.: «Санкт-Петербург XXI век», 2009. – 231 с. (14,44 п.л.).
2. Ханин С. Д., Хинич И. И. Исследовательское обучение физическим основам электроники в подготовке педагогических кадров. – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2009. – 127 с. (7,94 п.л./5,2 п.л.).
3. Ханин С. Д., Хинич И. И. Освоение физики материалов и приборов электронной техники и проблема достижения целостности и результативности исследовательского обучения. – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2009. – 108 с. (6,75 п.л./4,3 п.л.).
Учебные и учебно-методические пособия
4. Рычгорский В. В., Хинич И. И. Электроника: Учебное пособие. – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2010. – 79 с. (4,94 п.л./2,44 п.л.).
5. Дашина А. Ю., Лужков А. А., Попова И. О., Хинич И. И. Физические основы наноэлектроники. Часть 1: Сканирующая зондовая микроскопия: Учебно-методическое пособие. – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2010. – 86 с. (5,38 п.л./1,96 п.л.).
Научные статьи в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК
6. Ханин С. Д., Хинич И. И. Физические основы курса электроники в педагогическом вузе // Физическое образование в вузах. 2004. Т. 10. № 4. С. 106–114. (0,56 п.л./0,35 п.л.).
7. Ханин С. Д., Хинич И. И. Методические подходы к изучению физических основ электроники в педагогическом вузе // Физическое образование в вузах. 2004. Т. 10. № 4. С. 115–124. (0,62 п.л./0,41 п.л.).
8. Хинич И. И., Цуревский Е. В. Изучение физики материалов и компонентов твердотельной электроники в педагогическом вузе // Физическое образование в вузах. 2006. Т. 12. № 3. С. 77–84. (0,5 п.л./0,31 п.л.).
9. Назаров А. И., Ханин С. Д., Хинич И. И. Информационные и коммуникационные технологии в исследовательско-ориентированном обучении студентов физическим основам твердотельной электроники // Физическое образование в вузах. 2007. Т. 13. № 4. С. 64–75. (0,75 п.л./0,25 п.л.).
10. Хинич И. И. Современные методы физического эксперимента в исследовательском обучении студентов физике поверхности конденсированных веществ // Физическое образование в вузах. 2007. Т. 13. № 3. С. 139–148. (0,62 п.л.).
11. Ханин С. Д., Хинич И. И. Развитие исследовательских умений соотнесения эксперимента, теории и практики в обучении физическим основам твердотельной электроники // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена: Научный журнал: Естественные и точные науки (математика, физика, химия, естествознание, экономика, методика преподавания естественных и точных наук). – СПб., 2008. № 9(48). С. 146–155. (0,62 п.л./0,39 п.л.).
12. Хинич И. И. Взаимосвязь эксперимента, теории и практики в исследовательско-ориентированном обучении физике в вузе // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Гер-цена: Научный журнал: Психолого-педагогические науки (педагогика, психология, теория и методика обучения). – СПб., 2008. № 10(52). С. 170–177. (0,5 п.л.).
13. Хинич И. И. Методы вторично-электронной спектроскопии в исследовательском обучении студентов физике поверхности конденсированных веществ // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена: Научный журнал: Естественные и точные науки (математика, физика, химия, естествознание, экономика, методика преподавания естественных и точных наук). – СПб., 2008. № 10(64). С. 127–135. (0,56 п.л.).
14. Ханин Д. C., Хинич И. И. Циклы задач оценочного характера при обучении физике диэлектриков и полупроводников в педагогическом вузе // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена: Научный журнал: Естественные и точные науки: Физика. – СПб., 2009. № 11(79). С. 144–153. (0,62 п.л./0,42 п.л.).
15. Пронин В. П., Хинич И. И., Чистотин И. А. Математическое моделирование в исследовательско-ориентированном обучении студентов физике поверхности конденсированных веществ // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена: Научный журнал. – СПб., 2009. № 95. С. 155–168. (0,88 п.л./0,41 п.л.).
16. Анисимова Н. И., Соломин В. П., Пронин В. П., Хинич И. И. Преподавание курса «Основы нанотехнологий» студентам естественнонаучных факультетов и учащимся старших классов // Физическое образование в
вузах. 2010. Т. 16. № 3. С. 3–9. (0,44 п.л./0,14 п.л.).
Научные статьи и материалы научных конференций
17. Хинич И. И. Согласование лабораторных работ и практических заданий при преподавании физики студентам-математикам // Тезисы докладов V-ой Международной конференции «Физика в системе современного образования» (ФССО–99). – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 1999. Т. 1. С. 131–132. (0,125 п.л.).
18. Хинич И. И., Цуревский Е. В. Изучение структурно-чувстви-
тельных свойств твердых тел в практикуме по физическим основам электроники // Физика в школе и вузе (международный сборник научных статей, вып. 1). – СПб.: Изд-во Сев.-Зап. отд. РАО, 2004. С. 221–224. (0,25 п.л./0,15 п.л.).
19. Смирнов А. А., Хинич И. И. Технологический подход к построению лабораторного практикума в вузе // Физика в школе и вузе (международный сборник научных статей, вып. 1). – СПб.: Изд-во Сев.-Зап. отд. РАО, 2004. С. 225–227. (0,188 п.л./0,11 п.л.).
20. Хинич И. И. Экспериментальные методы анализа поверхности в спецпрактикуме по физике диэлектриков // Материалы X-ой Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики–2004). (СПб., 23–27 мая 2004 г.). – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2004. С. 453–454. (0,125 п.л.).
21. Хинич И. И. Методы эмиссионной спектроскопии в специальном физическом практикуме // Труды VIII-ой Международной учебно-методи-ческой конференции «Современный физический практикум» (22–24 июня 2004 г.). – М.: ИД МФО, 2004. С. 167–168. (0,125 п.л.).
22. Хинич И. И. Эмиссионная спектроскопия поверхности твердых тел в специальном физическом практикуме // Материалы VIII-ой Международной конференции «Физика в системе современного образования» (ФССО-05), (СПб., 29 мая – 3 июня 2005 г.). – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2005. С. 135–136. (0,125 п.л.).
23. Лешуков А. П., Домаков А. И., Ханин С. Д., Хинич И. И., Цуревский Е. В. Практикум по физическим основам электроники как составляющая физического образования в педагогических вузах // Материалы VIII-ой Международной конференции «Физика в системе современного образования» (ФССО-05), (СПб., 29 мая – 3 июня 2005 г.). – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2005. С. 322–325. (0,25 п.л./0,07 п.л.).
24. Пронин В. П., Хинич И. И. Исследование поверхности твердого тела в специальном физическом практикуме // Труды IX-ой Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум» (Волгоград, 19–21 сентября 2006 г.). – М.: ИД МФО, 2006. С. 146–147. (0,125 п.л./0,08 п.л.).
25. Пронин В. П., Хинич И. И. Электронная диагностика поверхности твердого тела в учебных курсах педагогического вуза // Материалы IX-ой Международной конференции “Физика в системе современного образования” (ФССО-07). (СПб, 4–8 июня 2007 г.). – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2007. Т. 1. С. 100–101. (0,125 п.л./0,08 п.л.).
26. Хинич И. И. Взаимосвязь эксперимента, теории и практики в обучении физике в вузе // Материалы IX-ой Международной конференции «Физика в системе современного образования» (ФССО–07), (СПб., 4–8 июня 2007 г.).– СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2007. Т. 1. С. 163–165. (0,188 п.л.).
27. Ильинский А. В., Попова И. О., Сидоров А. И., Ханин С. Д., Хинич И. И., Шадрин Е. Б. Физико-технические проблемы как предмет проектной деятельности в исследовательско- и практико-ориентированном обучении // Материалы IX-ой Международной конференции «Физика в системе современного образования» (ФССО-07), (СПб., 4–8 июня 2007 г.). – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2007. Т. 1. С. 414–417. (0,25 п.л./0,05 п.л.).
28. Хинич И. И. Физика поверхности твердого тела как предмет учебно- и научно-исследовательской деятельности студентов педагогических вузов // Материалы VII-ой Международной научно-методической конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития». (М., март 2008 г.). – М.: Школа Будущего, 2008. Часть 2. С. 215–218. (0,25 п.л.).
29. Ханин С. Д., Хинич И. И. Триада эксперимент – теория – практика в исследовательско-ориентированном обучении физике в педагогическом вузе: психолого-педагогический аспект // Материалы XI-ой Российско-Американской научно-практической конференции по актуальным вопросам современного университетского образования (СПб., 13–15 мая 2008 г.). – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2008. С. 154–158. (0,312 п.л./0,2 п.л.).
30. Ханин Д. C., Хинич И. И. Физическое моделирование в задачах анализа и прогнозирования свойств диэлектрических материалов // Материалы XI-ой Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики–2008), (СПб., 3–7 июня 2008 г.). – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2008. Приложение к т. 2. С. 9–11. (0,188 п.л./0,11 п.л.).
31. Ханин С. Д., Хинич И. И. Проблемы современной физики в исследовательско-ориентированном обучении в педагогических вузах // Труды научно-методической школы семинара по проблеме «Физика в системе инженерного и педагогического образования стран ЕврАзЭС» (М., 30 июня – 2 июля 2008 г.). – М.: ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, 2008. С. 333–335. (0,188 п.л./0,12 п.л.).
32. Пронин В. П., Хинич И. И. Сочетание экспериментальных и теоретических заданий при исследовании поверхности твердого тела в специальном физическом практикуме // Материалы X-ой Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум» (Астрахань, 16–19 сентября 2008 г.). – М.: ИД МФО, 2008. С. 207–208. (0,125 п.л./0,08 п.л.).
33. Хинич И. И. Физика полупроводниковых материалов и приборов как предмет самостоятельной работы студентов педагогических вузов // Труды V-ой Российской научно-методической конференции преподавателей вузов и учителей школ «Школа и вуз: достижения и проблемы непрерывного физического образования» (Екатеринбург, 5–6 ноября 2008 г.). – Екатеринбург: УГТУ–УПИ, 2008. С. 50–51. (0,125 п.л.).
34. Хинич И. И. Освоение современных методов физического эксперимента в подготовке педагогических кадров // Материалы VIII-ой Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы преподавания физико-технических дисциплин» (Пенза, 27–28 ноября 2008 г.). – Пенза: ПГПУ, 2008. С. 23–26. (0,25 п.л.).
35. Хинич И. И. Освоение методов атомно-силовой микроскопии в подготовке педагогических кадров. // Материалы VIII-ой Международной научно-методической конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития» (М., 2–6 марта 2009 г.). – М.: МПГУ, 2009. Часть 4. С. 55-57. (0,188 п.л.).
36. Анисимова Н. И., Соломин В. П., Пронин В. П., Хинич И. И. Подготовка выпускников естественнонаучных факультетов и учащихся старших классов базовых школ Герценовского университета по курсу «Основы нанотехнологий» // Материалы X-ой Международной конференции «Физика в системе современного образования» (ФССО-09). (СПб., 31 мая – 4 июня 2009 г.). – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2009. Т. 2 (приложение). С. 378–380. (0,188 п.л./0,06 п.л.).
37. Ханин С. Д., Хинич И. И. Проблемы исследовательского обучения в подготовке педагогических кадров по физике // Материалы X-ой Международной конференции «Физика в системе современного образования» (ФССО–09). (СПб., 31 мая – 4 июня 2009 г.). – СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2009. Т. 1. С. 451–453. (0,188 п.л./0,11 п.л.).
38. Анисимова Н. И., Пронин В. П., Хинич И. И. Спецпрактикум «Основы нанотехнологий» для студентов естественнонаучных факультетов // Материалы XI-ой Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум» (Минск, 12–14 октября 2010 г.). – Минск: «Издательский центр БГУ», 2010. С. 42–43. (0,125 п.л./0,06 п.л.).
Основные статьи по результатам научных исследований,
опубликованные в ведущих рецензируемых журналах из перечня ВАК,
использованные в методических разработках диссертации,
1. Бронштейн И. М., Карасик Б. С., Хинич И. И. Энергетические спектры истинно вторичных электронов при адсорбции бария на вольфраме // Радиотехника и электроника. 1975. Т. 20. № 4. С. 866–869. (0,25 п.л./0,11 п.л.).
2. Бронштейн И. М., Хинич И. И. Термоэлектронная эмиссия системы W-O-Cs при рабочих температурах анодов ТЭП // Известия АН СССР, сер. физическая, 1976. Т. 40. С. 1757–1759. (0,188 п.л./0,12 п.л.).
3. Бронштейн И. М., Пронин В. П., Хинич И. И. Энергетические спектры неупруго отраженных электронов от золота и бария в узком телесном угле // Физика твердого тела. 1981. Т. 23. № 2. С. 614–617. (0,25 п.л./0,1 п.л.).
4. Бронштейн И. М., Хинич И. И. Исследование разупорядоченности поверхности вторичноэмиссионными методами // Физика твердого тела. 1982. Т. 24. № 1. С. 291–293. (0,188 п.л./0,12 п.л.).
5. Бронштейн И. М., Васильев А. А., Пронин В. П., Хинич И. И. Упругое отражение электронов средних энергий от неупорядоченных металлических поверхностей // Известия АН СССР, сер. физическая, 1985. Т. 49. № 9. С. 1755–1759. (0,312 п.л./0,09 п.л.).
6. Мурашов С. В., Пронин В. П., Тютиков А. М., Хинич И. И. Тонкая структура спектров истинно-вторичных электронов диэлектриков // Физика твердого тела. 1991. Т. 33. № 6. С. 1896–1898. (0,188 п.л./0,06 п.л.).
7. Броздниченко А. Н., Горчаков С. А., Рязанцев С. С., Сенкевич С. В., Тильте К. Л., Хинич И. И. Влияние структуры напыляемых слоев TiN и AlN на свойства нанокомпозитного TiAlN покрытия // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена: Научный журнал: Физика. – СПб., 2006. № 6(15). С. 64–69. (0,38 п.л./0,08 п.л.).
8. Пронин В. П., Хинич И. И., Чистотин И. А. Спектроскопия упругого отражения электронов для количественного элементного анализа поверхности твердого тела // Письма в Журнал технической физики. 2008. Т. 34. В. 19. С. 21–26. (0,38 п.л./0,13 п.л.).
9. Пронин В. П., Пономарев А. Н., Хинич И. И., Чистотин И. А. Спектроскопия упругого отражения электронов как метод анализа элементного состава наноразмерных систем // Нано- и микросистемная техника. 2008. № 4(93). С. 45-48. (0,25 п.л./0,065 п.л.).
10. Пронин В. П., Хинич И. И., Чистотин И. А. Спектроскопия упругого отражения электронов для элементного анализа диэлектриков и высокоомных полупроводников // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена: Научный журнал: Естественные и точные науки: Физика. СПб., 2009. № 11(79). С. 133–140. (0,5 п.л./0,17 п.л.).
11. Барченко В. Т., Лучинин В. В., Пронин В. П., Хинич И. И. Аналитические возможности и экспериментальная база спектроскопии упругого отражения электронов с угловым разрешением // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2010. № 5. С. 24–30. (0,44 п.л./0,12 п.л.).
