Сидоров Иван Викторович
аспирант кафедры методики обучения физике, Российский государственный педагогический университет  им. А.И.Герцена, Санкт-Петербург
sidorovivan@inbox.ru

Развитие познавательной самостоятельности  студентов средствами физического практикума

Аннотация
Предложена модель построения исследовательского физического практикума, направленного на повышение уровня познавательной самостоятельности студентов и показаны возможности её практической реализации.

Ключевые слова
познавательная самостоятельность, исследовательский практикум, модель структуры

В подготовке студентов к самостоятельному экспериментальному решению проблем поисково-исследовательской деятельности особую роль играет физический практикум,  содержание и организация которого должны отвечать определенным требованиям. Важнейшими из них являются наличие в практикуме, наряду с традиционной, исследовательской составляющей, востребованность нестандартных подходов и методов экспериментального решения задач, организация деятельности студентов таким образом, чтобы по мере выполнения практикума возрастал уровень их познавательной самостоятельности. В отношении последней будем выделять следующие уровни (виды [1]): операциональную самостоятельность, которая проявляется в исполнении обучающимся действий, необходимых для реализации заданного метода поставленной преподавателем задачи, методическую самостоятельность, предполагающую наличие умений обоснованного выбора метода (методики) экспериментального решения задачи и, как высший уровень – самостоятельность методологически целостной деятельности, включающей в себя постановку задачи на основе адекватной предмету исследования потребности.

Характеризуя в рассматриваемом аспекте функциональность традиционного для массового образования физического практикума, следует признать, что дальше операциональной развитие самостоятельности обучающихся, как правило, не предполагается и не происходит. Умения самостоятельного выбора и разработки метода (методики) экспериментального решения задач и, тем более, постановки последних оказываются невостребованными и, соответственно, не развиваются. Ясно, что рассчитывать при этом на подготовленность обучающихся к самостоятельному экспериментальному решению проблем поисково-исследовательской деятельности не приходится.

В настоящей работе разработана технологическая структура физического практикума, реализация которой способствует развитию познавательной самостоятельности студентов до высшего из отмеченных уровня (вида). Необходимым условием для этого является открытость практикума: в содержательном аспекте по отношению к новым, отвечающим логике решения проблемы задачам и в процессуальном аспекте по отношению к обоснованному расширению (изменению) условий проводимых экспериментов.

Рассмотрим предлагаемую технологическую структуру практикума и действия обучающихся в его исследовательской части, состоящей из циклов заданий, объединённых общей проблемой физики определённого класса объектов. [4]

Первый этап – самостоятельная теоретическая подготовка студентов исследовательской группы к выполнению цикла заданий. Результат выполнения этого этапа – владение обучающимися необходимыми понятиями и представлениями, знанием экспериментальных методов поисково-исследовательской деятельности в изучаемом проблемном поле.

Следующий, первый этап аудиторной работы – постановочный семинар. Здесь преподавателем определяется объект и предмет исследования, даётся характеристика состояний вопроса, создаётся проблемная ситуация. Совместно со студентами осуществляется формулирование проблемы и её ключевых задач, определяется и обосновывается метод их экспериментального решения.

Далее с использованием предложенного метода студенты экспериментально получают критериально важные для решения проблемы результаты, обсуждают их совместно с преподавателем, формулируют новые, отвечающие сделанным выводам задачи и получают указания на подходы к выбору и разработке методов их экспериментального решения (соответствующие модели).

Следующий этап – самостоятельный анализ студентами модельных представлений на предмет выявления возможностей решения поставленных задач и определения необходимых для этого экспериментальных методик.

Результаты проведённого анализа обсуждаются далее на рабочем семинаре с участием преподавателя, в результате чего осуществляется выбор экспериментальных методик и определение необходимых условий опытов.

На следующем этапе студенты проводят запланированные эксперименты, полученные результаты обсуждаются с преподавателем, самостоятельно формулируют и решают новые, соответствующие логике проводимого исследования задачи.

На заключительном этапе проводится отчётный семинар, где подводятся итоги выполнения цикла и даётся критический анализ достигнутых результатов и процесса их получения.

Реализацию предлагаемой модели построения физического практикума рассмотрим на примере выполнения цикла заданий, где в качестве объекта исследования выступают аморфные диэлектрические оксиды переходных металлов в слоях наноразмерных толщин, а предметом исследования – процессы переноса заряда в них. Выбор объекта обусловлен открывающимися здесь возможностями освоения основ физики неупорядоченных конденсированных систем и постановки в вузе полного цикла исследований – от получения оксидных слоёв до экспериментальной проверки следствий, вытекающих из разных модельных представлений. Выбор предмета исследования обусловлен востребованностью для экспериментального изучения кинетических свойств этих материалов нестандартных подходов и методов [3].

На этапе самостоятельной подготовки студенты осваивают базовые понятия и представления электроники неупорядоченных систем. Основное внимание при этом направляется на механизмы переноса заряда и экспериментальные подходы к их различению.

На постановочном семинаре обосновывается актуальность изучения электронных свойств аморфных оксидов переходных металлов в научном и практическом планах, ставится проблема определения механизма и детализации представлений об электропроводности данных материалов, конкретизируются ключевые моменты, отмечается недостаточность используемого здесь метода вольтамперометрии для различения основных механизмов электропроводности – зонного и прыжкового. Ориентировочную основу для дальнейшей экспериментальной работы студентов составляет обоснование целесообразности использования для определения механизма электропроводности метода диэлектрической спектроскопии [2].

Экспериментально получаемая студентами частотная зависимость проводимости аморфных оксидов переходных металлов (тантала, ниобия) отвечает прыжковому механизму переноса заряда. Это порождает новые задачи – определение режимов динамической прыжковой электропроводности, природы носителей заряда. В части первой задачи студентам даётся указание проанализировать частотную зависимость отношения реактивной составляющей комплексной проводимости к её активной составляющей на предмет различения двухузельной и мультиплетной прыжковой электропроводности. В части второй задачи – проанализировать поведение частотной зависимости прыжковой проводимости при приложении сильного электрического поля на предмет различения электронов и поляронов.

Анализируя соответствующие модели электронных процессов в неупорядоченных системах, студенты приходят к следующим выводам. Во-первых, о возможности различения двухузельной и мультиплетной прыжковой электропроводности на переменном токе на основе характера частотной зависимости указанного отношения. Во-вторых, о наличии у присущего неупорядоченным системам эффекта уменьшения прыжковой проводимости при приложении сильного постоянного поля верхней граничной частоты и различном характере зависимости последней в случаях переноса заряда электронами и поляронами малого радиуса.

Полученные результаты обсуждаются на рабочем семинаре, где вырабатываются соответствующие методики решения поставленных задач. Кроме того, в связи с анализом частотной зависимости величины, обратной обусловленной релаксационной поляризацией составляющей тангенса угла диэлектрических потерь, ставится вопрос о возможности идентификации на основе его частотной зависимости неоднородности оксидных слоёв по проводимости . Наличие такой неоднородности может быть обнаружено по наличию в частотной зависимости максимума, величина и положение которого  определяется соотношением толщин слоёв с разной проводимостью. Проводимый анализ выводит здесь студентов на постановку новой задачи – определения подвижности носителей заряда в изучаемых материалах и открывает возможность её экспериментального решения. В основе развиваемой методики лежит следующая модель. Плоский образец диэлектрика подвергается воздействию облучения, создающего избыточные носители заряда вблизи облучаемой поверхности. Далее облучение прекращается, и образовавшийся электронный пакет за счёт диффузии или дрейфа распространяется к противоположной поверхности образца. Анализ модели позволяет предложить следующую методику нахождения подвижности носителей заряда. Определяется зависимость квадрата максимума тангенса угла диэлектрических потерь от времени, прошедшего после облучения. На графике этой зависимости выделяется линейный участок, по наклону которого определяется подвижность носителей заряда.

Чувствительность частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь к неоднородности диэлектрика по проводимости открывает ещё одну, практико-ориентированную задачу – разработку методики диагностики оксидного диэлектрика на предмет стабильности его проводимости при длительном электрическом нагружении. Из физики изучаемых материалов студентам известно, что основным механизмом их электрического старения является кристаллизация, осуществляемая посредством диффузии (электродиффузии) кислорода из внешней среды к поверхности металла, скорость которой существенно возрастает при наличии в приграничном с металлом слое повышенной концентрации дефектов типа кислородных вакансий, что приводит в свою очередь к неоднородности по проводимости типа двухслойности и может быть выявлено известным способом.

Развитые методики студенты реализуют на эксперименте и подтверждают их целесообразность для решения поставленных задач.

Основные результаты и выводы работы обсуждаются на отчётном семинаре, где даётся их коллективная оценка в содержательном и процессуальном аспектах.

В заключении отметим, что развитие познавательной самостоятельности студентов при выполнении практикума субъектно зависимо и представляет собой нелинейный процесс. 

Литература

1. Оспенникова Е. В. Развитие самостоятельности учащихся при изучении школьного курса физики в условиях обновления информационной культуры общества.- Автореф. дис. … доктора пед. наук. Челябинск, 2003.- 46с.

2. Ханин С. Д. Модели явлений прыжкового переноса и методы анализа электронных свойств неупорядоченных систем с сильной локализацией носителей заряда //Известия РГПУ им. А. И. Герцена. Естественные и точные науки. СПб, 2002, №2(4), стр. 47-56

3. Ханин С. Д. Электронные свойства аморфных диэлектрических оксидов металлов.- Физика неупорядоченных и наноструктурированных оксидов и халькогенидов металлов: Монография /Под ред. Г. А. Бордовского.- СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена. С. 69-105

4. Хинич И.И. Научно-методическое обеспечение целостности и продуктивности в исследовательском обучении физике при подготовке педагогических кадров. – СПб.: «Санкт-Петербург, XXI век», 2009.-231с

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

_____

Ivan V. Sidorov
Postgraduate student, Department of Pedagogy, Al.Herzen  State Pedagogical University of Russia, St. Petersburg.
sidorovivan@inbox.ru

The development of cognitive independence of students with means of physical practical work.  

The model of forming research practical work aimed at raising the level of cognitive independence  is offered. Possibilities of its practical realization are shown.

Key words: cognitive independence, research practical work, structure model