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

Проектно-исследовательская деятельность как необходимая  составляющая системы подготовки студентов к решению физико-технических проблем

Аннотация
Определены требования к выбору содержания и организации проектно-исследовательской деятельности, направленные на повышение ее эффективности в плане формирования у студентов опыта логически завершенного решения физико-технических проблем. 

Ключевые слова
проектно-исследовательская деятельность,  поэтапное  обучение, техническая физика, оптоэлектронные полупроводниковые устройства

Подготовка  студентов  к решению проблем технической физики находит свое логическое завершение в проектно-исследовательской деятельности, под которой понимается деятельность, направленная на решение значимой для практики проблемы, в нашем случае - проблемы создания технического устройства, и осуществляемая как исследовательская с применением комплекса необходимых методов и средств [1]. Важная роль проектно исследовательской деятельности в формировании у студентов умений и опыта решения физико-технических задач определяется рядом ее особенностей, в том числе:

• целостностью – от постановки проблемы до оценки полученных результатов;

• продуктивностью – достижением конкретного решения и его практической реализацией;

• системностью использования методов исследовательской деятельности;

• интегрированностью академической и практической деятельности;

• востребованностью и, соответственно, развитием всей совокупности личностных качеств: когнитивных, креативных и оргдеятельностных.

В рамках настоящей статьи  рассмотрим ряд вопросов, касающихся  проектирования содержания и организации проектно исследовательской деятельности студентов.  

Требования к проблематике проектно-исследовательской деятельности студентов включают:

• актуальность проблемы,  ее соответствие тому или иному приоритетному направлению развития науки и техники;

• новизну содержания для студентов;

• органичность в контексте содержания физического образования в целом;

• наличие альтернативных подходов к решению;

• доступность решения для студентов как в теоретическом, так и в экспериментальном плане;

• востребованность при освоении основных методов и средств исследовательской деятельности;

• вариативность тематики в пределах единого проблемного поля.

В организационном аспекте принципиально важное значение имеет обеспечение высокого уровня активности и самостоятельности обучающихся на всех этапах их проектно-исследовательской деятельности, для чего необходимо:

• использовать методы и приемы, придающие деятельности личностную значимость для обучающихся;

• рассматривать студента как самостоятельного познающего и действующего субъекта, а саму деятельность как сферу формирования у него индивидуального стиля мышления и собственных подходов к решению проблем;

• создавать условия для самостоятельного принятия студентом решения проблемы и его практической реализации;

• использовать в качестве критериев оценки результатов деятельности степень активности и самостоятельности студентов в процессе поиска и реализации решения проблемы.

Отметим особую роль преподавателя в реализации проектно-исследовательской деятельности. Здесь он не источник готовых знаний для обучающихся, а организатор их деятельности, ведущий сотрудник, осуществляющий совместно со студентами поиск и реализацию решения проблемы. Акцент переносится, таким образом, с обучающей педагогической деятельности преподавателя на самостоятельную теоретическую и практическую деятельность обучающегося как полноправного субъекта образовательного процесса,  формирование его профессиональной компетентности посредством приобретения предметного опыта продуктивной целенаправленной деятельности.  Подчеркнем, что при наличии различных, предлагаемых самими студентами вариантов решения проблемы преподаватель должен быть готовым к тому, что какой-либо из них окажется лучше заранее им продуманного, и, соответственно, к корректировке и, при необходимости, перестройке всего первоначального плана действий.

При всем разнообразии проблематики проектно-исследовательской деятельности, направленной на решение физико-технических проблем, и ее конкретного хода, она включает в себя ряд инвариантных, обязательных компонентов.  Это позволяет определенным образом структурировать проектно-исследовательскую деятельность, что может быть положено в основу ее организации. Предлагаемая в настоящей работе структура проектно-исследовательской деятельности студентов по созданию современных технических устройств основывается на присущей решению физико-технических проблем этапности и включает четыре последовательных этапа:

• постановочный;

• информационно-аналитический;

• поисково-исследовательский;

• опытно-конструкторский.

Задачи, решаемые студентами и преподавателем на каждом из этапов  представлены в таблице 1.

 Таблица 1. Этапы проектно-исследовательской деятельности и решаемые студентами и преподавателем задачи.

№ этапа	Этапы проектно-исследовательской деятельности	Задачи, решаемые студентами	Задачи, решаемые преподавателем
1	Постановочный	Выбор темы проекта. Определение физического содержания и отвечающее ему формулирование проблемы. Формирование рабочей группы	Отбор тематики и представление ее обучающимся. Направляющее участие в обсуждении физического содержания проблемы. Консультирование по поводу состава рабочей группы
2	Информационно-аналитический	Сбор и анализ информации по решению проблем данного класса. Разработка конкретного подхода к решению проблемы. Стратификация проблемы на задачи, распределение их между участниками рабочей группы	Рекомендация источников информации. Формулирование и представление обучающимся задачей, способствующих определению подхода к решению проблемы. Корректирование выделяемых задач и распределение обязанностей в рабочей группе
3	Поисково-исследовательский	Выбор и реализация методов исследования. Выполнение экспериментальных и теоретических исследований, направленных на установление закономерностей и механизмов формирования функциональных свойств проектируемого устройства	Оказание помощи студентам в методическом обеспечении исследований. Обсуждение полученных результатов исследования. Участие в обсуждении и корректировка предлагаемых решений
4	Опытно-конструкторский	Практическая реализация предлагаемого решения, например, в форме макета проектируемого устройства. Критическая оценка полученных результатов и процесса их достижения. Представление (защита) результатов работы.	Оказание студентам помощи в практической реализации принятого решения. Организация экспертизы результатов решения. Организация презентации результатов практико-ориентированной исследовательской деятельности.

 

Реализацию разработанного подхода к организации проектно-исследовательской деятельности студентов по созданию устройств полупроводниковой оптической электроники рассмотрим на примере проектов, направленных на создание реверсивных оптических ограничителей лазерного излучения ИК-диапазона [2], выполняемых  студентами на базе Лабораторий физики нелинейных оптических и электрических явлений в материалах и компонентах твердотельной электроники НИИ физики РГПУ им. А.И. Герцена и Лаборатории фазовых переходов в твердых телах ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН.    

На постановочном этапе студенты выясняют, что необходим бистабильный материал, обладающий сильной зависимостью оптических параметров от интенсивности входного излучения, возможно более низким порогом срабатывания, высокой лучевой прочностью, широким интервалом перехода, высокой скоростью срабатывания и возвратом в исходное состояние. Перспективным в этом плане представляется ранее рассмотренный в ходе проблемного семинара   диоксид ванадия, обладающий фазовым переходом «полупроводник-металл», сопровождаемым необходимым по своему характеру для оптического ограничения изменением свойств. 

Будучи фазовым переходом первого рода, фазовый переход в диоксиде ванадия проявляется в наличии петли температурного гистерезиса оптических свойств (коэффициентов отражения и пропускания), которая для достижения высокого быстродействия и необходимого динамического диапазона оптического ограничителя должна быть как можно более узкой и протяженной по температуре. Необходимость получения отвечающей требованиям к оптическим ограничителям петли гистерезиса приводит к пониманию физической сущности проблемы – установления влияния структуры диоксида ванадия на его нелинейные оптические свойства при фазовом переходе «полупроводник-металл» и определения возможностей управления ими.

Отметим, что выбор в качестве рабочего материала диоксида ванадия позволяет сформулировать целый ряд проектных заданий по созданию оптических ограничителей на основе разных структур: слоистых интерференционных структур с поликристаллическими и ренгеноаморфными слоями диоксида, матричных композиционных систем на основе искусственных опалов и пористых стекол с наноструктурированных диоксидом ванадия.

На информационно-аналитическом этапе студенты выясняют, что несмотря на большой объем проведенных экспериментальных и теоретических исследований фазового перехода «полупроводник-металл» в диоксиде ванадия, общепринятых представлений о его механизме до настоящего времени нет.   

На поисково-исследовательском этапе студенты выбирают методики, позволяющие получить слои диоксида ванадия, осуществляют структурные исследования и анализ оптических свойств вблизи фазового перехода. 

На опытно-конструкторском этапе проектно-исследовательской деятельности студентами изготавливается макет оптического ограничителя. В качестве простейшего варианта рабочей структуры выступает пленка диоксида ванадия на прозрачной подложке с высоким показателем преломления, имеющая до фазового перехода оптическую толщину, равную четверти длины волны.

В процессе анализа  полученных результатов отмечается, что они могут быть использованы при разработке и создании низкопороговых оптических переключателей излучения ИК-диапазона для систем передачи и обработки оптической информации и для внутрирезонаторного управления генерацией лазеров.

Таким образом, основываясь на установленных в исследовании требованиях к выбору содержания и организации проектно-исследовательского обучения, последнее становится эффективным средством формирования у студентов опыта логически завершенной деятельности, дающей результаты, значимые для науки и практики. 

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. Сидоров А.И. Физические основы и методы управления излучением в устройствах интегральной оптики: Учеб. пособие. СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007.

Рекомендовано к публикации:
С.Д.Ханин,  доктор физ.-мат. наук, научный руководитель работы
А.А.Ахаян, доктор педагогических.наук, член Редакйионной  Коллегии

 ----- 

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

Design-research activity as a necessary component of system of teaching of students to the decision of physicotechnical problems

Requirements to a choice of the maintenance and the organization of the design-research activity, directed on increase of its efficiency in respect of formation at students of experience of logically complete decision of physicotechnical problems are defined. 

Keywords: design-research activity, gradual learning, technical physics, optoelectronic semiconductor devices