Клишкова Наталия Владимировна
aспирант кафедры физической электроники, Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена, Санкт-Петербург
N-Klishkova@yandex.ru

Физический практикум как средство подготовки студентов к решению физико-технических проблем

Аннотация
Представлена методика проектирования и организации физического практикума, направленная на освоение студентами умений определения возможностей приборного применения физических эффектов.

Ключевые слова
физический практикум, учебно-исследовательские задания, приборное использование физических эффектов

Важной составляющей современного физического образования является подготовка студентов к решению проблем создания современных технических устройств (далее, физико-технических проблем). Она предполагает экспериментальное наблюдение и изучение закономерностей физических эффектов, которые могут иметь приборное применение [1], в лабораторном практикуме. Для того, чтобы физический практикум был действенным средством формирования у студентов умений и опыта решения прикладных проблем, необходимо выполнение ряда условий. К основным из них мы относим следующие:

• придание определению возможностей технического (приборного) применения полученных результатов статуса обязательного компонента  заданий;

• придание деятельности студентов проблемности, включение в нее поисковых элементов – определения физических процессов, определяющих функциональные свойства технического устройства, поиска  необходимых для его создания материалов и технологий;

• представленность и широта спектра различных возможностей решения физико-технических проблем;

• критически-рефлексивный анализ процесса и результатов деятельности студентами и преподавателем.

Выполнение этих условий в значительной степени обеспечивается использованием представленной в данной работе  методики, которая предполагает:

• построение содержания практикума таким образом, что оно включает в себя   циклы учебно-исследовательских  заданий, каждый из которых имеет определенную прикладную направленность;

• востребованность информационно-аналитической деятельности студентов в области физики и техники материалов и приборных структур;

• самостоятельный аргументированный выбор студентами объектов экспериментального исследования;

• представленность в ряду объектов исследования материалов и технологий, отвечающих передовым достижениям науки и техники;

• координацию выполнения экспериментальных заданий с аналитическим решением задач,   позволяющем прогнозировать им новые для них эффекты ;

• осуществление практикума на базе вузов и научных учреждений, обладающих необходимым для его выполнения материально-техническим обеспечением; при необходимости, дистанционно – посредством удаленного эксперимента.

Рекомендуемые последовательность и содержание действий студентов и преподавателя в процессе выполнения практикума состоят в следующем.

На стартовом этапе студенты выполняют запланированное, данное в стандартной формулировке, задание, результаты которого представляют интерес в плане приборного применения. Возможности последнего могут быть сразу не выявлены студентами. В этом случае преподаватель оказывает им поддержку в форме постановочной беседы, обсуждая со студентами определенные им заранее, составляющую логическую цепочку, вопросы, ответы на которые, в их совокупности, подводят обучающихся к целевым установкам предстоящего цикла. Как только область применения полученных при выполнении задания результатов определена, преподаватель может рекомендовать студентам для углубленного изучения вопроса соответствующие источники информации, главным образом  обзорного и монографического характера.

Следующий этап – поиск, отбор и анализ студентами имеющейся информации по проблеме исследования. Основными аспектами, в которых, он должен осуществляться, являются:

• значение решения проблемы для науки и социума (актуальность проблематики);

• критические в плане применения параметры устройства;

• физические принципы функционирования технических устройств;

• критерии выбора рабочих материалов и приборных структур.

Результаты работы на этом этапе студенты оформляют в виде краткой аналитической справки, содержание которой является ориентировочной основой последующей деятельности.

Далее на основании сформулированных принципов и критериев студенты выбирают объекты исследования из предоставляемого им набора (магазина) опытных образцов, паспортизированных по своим основным параметрам. Круг выбранных опытных образцов должен быть широким, так чтобы они могли  распределяться для экспериментального изучения между участниками рабочей группы.

На следующем, собственно экспериментальном, этапе студенты привлекают, там где это возможно, имеющиеся в лаборатории методики, а при необходимости, самостоятельно обеспечивают и проводят эксперимент. Результаты последнего соотносятся с запросами практики, на основании чего делаются определенные выводы относительно целесообразности и реалистичности использования наблюдаемых физических эффектов в качестве основы принципа действия технических устройств. Они защищаются в форме отчета по выполнению цикла учебно-исследовательских заданий.

Особо подчеркнем необходимость критически-рефлексивного анализа процесса и результатов выполнения цикла заданий на всех его этапах со стороны как студентов, так и преподавателей. В плане самооценки обучающихся речь идет, в первую очередь,  о критической оценке содержания осваиваемой информации, достаточности аргументации принимаемых решений, методического обеспечения эксперимента, степени новизны, научного и практического значения получаемых результатов, готовности к отстаиванию своей точки зрения и к корректировке решения при наличии аргументированных контрдоводов. В плане самооценки преподавателя – речь идет, главным образом,  об оценке уровня выполнения цикла заданий студентами и собственного сотрудничества с ними в процессе поисковой деятельности. 

Рассмотрим реализацию разработанной методики на примере выделения и выполнения цикла учебно-исследовательских заданий по установлению физических эффектов, которые могут быть использованы в качестве основы принципа действия полупроводниковых фотоэлектропреобразователей  для ультрафиолетовой (УФ) области спектра [2,3]. Сначала студенты выполняют задания по экспериментальному изучению характеристик кремниевых фотодиодов на основе р-n-структур, в том числе, спектральной зависимости их токовой фоточувствительности. Анализируя ее, студенты, как правило, обращают внимание на соответствие длинноволновой границы спектрального диапазона фоточувствительности краю фундаментального оптического поглощения кремнием (~1,1 мкм) и значения длин волн, отвечающие максимуму спектральной зависимости (0,8-1,0 мкм). Предвидя, что целевые установки запланированного цикла заданий сразу студентами выявлены не будут, преподаватель должен заранее подготовить сценарий постановочной беседы со студентами,  в результате которой  оказывается обозначенной проблема детектирования УФ излучения и определяется необходимость расширения круга используемых для создания фотоэлектропреобразователей в этой спектральной области полупроводниковых материалов.

На следующем, информационно-аналитическом этапе работы перед студентами предстает широкий спектр областей применения приборов для регистрации УФ излучения, основными из которых являются медицина (физиотерапия, укрепление кровеносной и иммунной систем, защита от канцерогенного излучения); биотехнологии (синтез витаминов); сельское хозяйство (парниковая и тепличная агротехника); астрономия и асторонавигация (наблюденеи космических объектов, излучающих в УФ-диапазоне, ультрафиолетовая локация); материаловедение (ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия, дефектоскопия); экология (проблема «озоновой дыры», обнаружение загрязнений окружающей среды); ядерная физика и энергетика (регистрация частиц с помощью сцинтилляторов); искусствоведение, криминалистика (люминесцентный анализ веществ), обеспечение безопасности жизнедеятельности (системы пожарной безопасности, обеззараживание воды, воздуха, одежды, инструментов и продуктов питания при длительном хранении и во время эпидемий). Широта и ответственность применения, его жизненная важность стимулирует у студентов познавательный интерес, создает положительный эмоциональный фон для выполнения цикла.

В ряду параметров полупроводниковых фотоэлектропреобразователей, к которым предъявляются определенные технические  требования студенты  акцентируют внимание на двух из них, доступных для экспериментального определения:

• спектральной области фоточувствительности;

• токовой фоточувствительности (квантовой эффективности).

В качестве основного физического процесса, определяющего принцип действия фотоэлектропреобразователей выступает известный студентам процесс оптической межзонной генерации электронно-дырочных пар в полупроводнике, так что длинноволновая граница спектральной области токовой фоточувствительности близка к ширине запрещенной зоны E_g прямозонных полупроводников и к пороговой энергии прямых оптических переходов Е₀ непрямозонных полупроводников. Последнее связано со значительно большим коэффициентом поглощения света при прямых переходах (hν> Е₀) по сравнению с непрямыми (hν< Е₀). 

В плане повышения токовой фоточувствительности детекторов УФ излучения внимание привлекает использование в качестве приборных структур диодов Шоттки (поверхностно-барьерных диодов) со структурой металл-полупроводник. Это связано с понятным студентам из общих представлений о неравновесных электронных явлениях в полупроводниках:

• повышением времени жизни неравновесных носителей заряда благодаря ослаблению влияния поверхностной рекомбинации в силу эффективного разделения генерированных в приповерхностном слое разноименных носителей заряда существующим в этом слое электрическим  полем;

• ударной ионизацией в сильном электрическом поле в приповерхностной области полупроводника.

На основании проведенного анализа студенты формулируют критерии выбора материалов для полупроводниковых устройств детектирования УФ излучения:

• если это прямозонный полупроводник, то ширина его запрещенной зоны должна быть близка к 3,2 эВ,  что соответствует границе областей видимого света и УФ излучения (λ=0,38мкм);

• если это непрямозонный полупроводник, то пороговая энергия прямых электронных переходов в нем должна быть близка к 3,2эВ;

• должна иметься возможность формирования на основе выбранного полупроводника гетероструктур «металл-полупроводник» с барьером Шоттки.

Далее студентам предоставляется возможность выбора объектов исследования на предмет применения в полупроводниковых фотоэлектропреобразователях для УФ излучения из имеющегося в лаборатории набора опытных образцов. К числу выбранных на основе определенных выше критериев относятся диоды Шоттки на основе гетероструктур:

На основании экспериментально полученных студентами  результатов и исходя из общих сведений о полупроводниковых материалах проводится сравнение свойств каждой из обследованной структур со свойствами кремниевых фотодиодов. В отношении структур на основе фосфида и нитрида галлия отличаются малая ширина спектральной области токовой фоточувствительности (0,2-0,5мкм и 0,25-0,37мкм, соответственно) и меньшая чувствительность к ИК-излучению. Для структуры на основе карбида кремния, наряду с отвеченным выше (Δλ=0,2÷0,4мкм) – способность работать при высоких температурах и при высоких напряжениях и токах , а структуры на ZnO – возможность сопряжения детектора с УФ лазером на основе того же полупроводникового материала.

В качестве примера задания цикла, экспериментальное выполнение которого с необходимостью предваряется аналитическим  решением задачи, приведем задание, относящееся в своем прикладном аспекте к созданию элементов фотопамяти для УФ излучения, по характеристикам которых можно определить время, прошедшее с момента окончания его воздействия.

В заключение отметим, что учебно-исследовательские задания могут предусматривать установление корреляции функциональных свойств приборных структур с технологией их получения, в том числе анализ возможностей, открываемых современными технологиями. В качестве примера последних укажем на возможность существенного повышения эффективности фотоэлектропреобразования в УФ области при переходе от массивного карбида кремния к нанопористому, получаемому посредством анодного травления, в силу увеличения площади фотоприемной области с развитой поверхностью и снижения потери на отражение. Предпочтительной представляется ситуация, когда студенты оказываются вовлеченными в процесс синтеза опытных образцов, что придает выполнению учебно-исследовательских заданий практикума характер целостного решения физико-технической проблемы.

Литература

1. Хинич И.И. Научно-методическое обеспечение целостности и продуктивности в исследовательском обучении физике при подготовке педагогических кадров : СПб: изд-во «Санкт-Петербург  XXI век », 2009

2. Бланк Т.В., Гольдберг Ю.А. Полупроводниковые фотоэлектропреобразователи для ультрафиолетовой области спектра // ФТП, 2003 т.37, №9 стр. 1025-1054.

3. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы / Под ред. Лучинина В.В., Таирова Ю.М. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006

Рекомендовано к публикации:
С.Д. Ханин, доктор физико-математических наук, научный руководитель работы
А.А.Ахаян, доктор педагогических наук, член Редакционной Коллегии

-----
 

Natalia V. Kliskova
Postgraduate student,   faculty of physical electronics, AI. Herzen State Pedagogical University of Russia, St.Petersburg
N-Klishkova@yandex.ru

Physical practical work as means of preparation of students to the decision of physicotechnical problems

The technique of designing and the organization of the physical practical work, directed on development by students of abilities of definition of possibilities of instrument application of physical effects is presented.

Keywords: physical practical work, teaching and research tasks, instrumental use of physical effects