Шушарина Наталья Николаевна
соискатель по кафедре прикладной физики, Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта, г. Калининград
nshusharina@kantiana.ru

Интеграция учебно-познавательной, исследовательской и проектной деятельности в процессе освоения студентами современных методов диагностики микро- и наноструктур

Аннотация:
Развит методический подход к обеспечению непрерывности и единства учебно-познавательной, исследовательской и проектной деятельности в процессе освоения студентами современных методов диагностики микро- и наноструктур.

Ключевые слова:
интеграция, блочно-модульная система обучения, проблемный подход, специальный исследовательский практикум, проектно-исследовательская деятельность.

Анализ вузовской практики показывает, что научно-исследовательская подготовка у значительной части студентов в процессе обучения физике находится на невысоком уровне, что значительно ослабило влияние этого фактора на их профессиональное становление [1]. В зарубежной школе придается важное значение вопросам преодоления ограничений традиционного, «основанного на лекциях», обучения физике за счет использования проблемного и исследовательского методов обучения,  более широкого включения в содержание обучения элементов эксперимента, моделирования, освоения современных методов диагностики и создания микро- и наноструктур, приобретения студентами опыта решения исследовательских проблем [2]. Для подготовки студентов в области научных основ и методов микро- и нанодиагностики, отвечающей требованиям высокотехнологичного общества, необходима интеграция науки и образования, которая может быть реализована в обучении в форме проектно- исследовательской деятельности, направленной на решение актуальных физико- технических проблем и обеспечивающей взаимосвязь эксперимента, теории и практики.

Одним из вариантов разрешения противоречия между объективной потребностью освоения студентами современных методов диагностики микро- и наноструктур и недостаточной разработанностью соответствующих организационных форм и методов организации физического практикума, на наш взгляд, является реализация методического подхода к обеспечению непрерывности и единства учебно-познавательной, исследовательской и проектной деятельности в логике блочно – модульного обучения в рамках взаимозаменяемых, сопоставимых модулей, посвященных физике и технике отдельных классов методов анализа микро- и наноструктур, выбор проблематики которых определяется запросами образования и профессиональной деятельностью.  

В практике массового обучения при выполнении экспериментальных заданий методика эксперимента предоставляется студенту в готовом виде, если же речь идет о формировании умений практического применения современных методов исследования, то необходим специальный практикум, основанный на использовании методов экспериментальной и компьютерной физики при отвечающих целевым установкам взвешенном их сочетании и последовательности в концепции лабораторно – проектных работ. При построении модели специального физического практикума мы считали важным анализ вопроса о взаимосвязи эксперимента, теории и практики. Вывод из анализа следующий – цикл задач оценочного характера, результаты которого позволяют осуществлять обоснованный выбор метода и определять необходимые условия эксперимента,  натурный и виртуальный эксперимент, моделирование и практика на любом уровне в теории и методике обучения физике должны рассматри­ваться не только как одинаково важные, но и составлять единый неразделимый комплекс.

Данный подход реализован при выполнении конкретных лабораторно-проектных работ в Балтийском федеральном университете имени Иммануила Канта на базе НОЦ  «Функциональные  наноматериалы». Студенты самостоятельно или по указанию преподавателя выбирают тему исследовательского проекта. Например, «Измерение профилей распределения элементов по глубине». Образцы для исследования представляют собой тонкий слой металла (10-50 нм), нанесенный на диэлектрическую подложку методом ионно-плазменного напыления. Напыляются металлы, широко используемые в микроэлектронике – алюминий, никель, вольфрам, золото, титан, хром. В качестве подложки используются ситалл, кварцевое стекло,кремний.

Этап 1. Решение студентами проблемно – ориентированных задач.

Задача 1. Оцените глубину стравливаемого слоя для материала (Si, ρ=2.23 г/см³) при бомбардировке образца в течение 10 с  ионами аргона (E₀=3 кэВ) при следующих параметрах ионного пучка: I=5 мкА, D=1мм. Коэффициент распыления кремния равен 2.

Задача 2. Рассчитайте скорость распыления кремния (ρ=2.23 г/см³) ионами аргона, если ионный ток равен 3 мкА, а диаметр ионного пучка 2 мм. Коэффициент распыления кремния равен 2.

Содержание данных задач отвечает конкретной проблеме анализа микро- и наноструктур и ключевым вопросам электронной Оже-спектроскопии. 

Этап 2. Приобретение практических навыков работы с Оже- микроанализатором JAMP 9500F. С этой целью используется специально разработанная, ориентированная на имеющуюся приборную базу видеообучающая система, позволяющая моделировать основные действия в процессе реального эксперимента.

Этап 3. Выполнение экспериментальных исследований с использованием метода электронной Оже-спектроскопии. Условия и рабочие  режимы эксперимента (параметры ионного пучка, параметры электронного пучка, угол наклона образца, величина ускоряющего напряжения и т.д.) определяются студентами самостоятельно на основе результатов предварительно решенных задач.

Этап 4. Анализ и обработка полученных результатов:

• идентификация пиков Оже-электронов в спектре исследованного образца по известным энергиям линий и типам Оже-переходов.

• заключение об элементном составе приповерхностной области образца.

• анализ изменения спектров Оже-электронов при циклической ионной бомбардировке с последующим выводом о состоянии поверхности – мишени. На основе данных об общем времени бомбардировки, плотности ионного тока и значения коэффициента распыления необходимо оценить глубину стравливаемого слоя.

• анализ изменения формы Оже-линий одного из элементов на повнрхности образца и объяснение его возможной трансформации по мере распыления приповерхностного слоя образца.

• определение толщины пленки металла на диэлектрической подложке по известным величинам коэффициента распыления металла, плотности ионного тока и времени распыления пленки.

• по результатам измерения концентрационных профилей для многослойной структуры сделать выводы об элементном составе слоев, их толщине, ширине переходных слоев и возможном присутствии на границах раздела примесей.

Этап 5. Соотнесение полученных знаний с запросами науки и практики, в данном варианте –практические рекомендации по модификации технологического процесса создания изучаемых структур с целью придания им необходимых функциональных свойств для применения в приложениях микроэлектроники. 

Таким образом, в рамках проектного подхода, учебная деятельность представляет собой научное исследование, предваряющее самостоятельную деятельность студентов по постановке и проведению физического эксперимента и обогащающее курс общей физики в его содержательном и процессуальном аспектах. В курсе экспериментальной физики осуществляется полновесное освоение студентами современных методов диагностики микро- и наноструктур. Наконец, учебно - исследовательская деятельность студента предусматривает необходимость самостоятельной разработки экспериментального решения актуальной научной задачи.         

Предлагаемая методика не ограничивает освоение студентами современных методов диагностики микро- и наноструктур только выполнением поэтапного исследования в рамках физического практикума,  а предполагает дальнейшее координированное развитие информационно –аналитических  умений при изучении спецкурсов, при работе в спецлабораториях, при выполнении курсовых  и дипломных работ. 

Литература:

1. Третьяков Ю. Д. Проблема развития нанотехнологий в России и за рубежом // Вестник Российской академии наук. М., 2007. Т. 77; №1. С. 3-10 .

2. Cardno  C: (2009). Action research: A developmental approach. Wellington: New Zealand Council for Educational Research.

 Рекомендовано к публикации:
К.П.Корнев, кандидат физико-математических наук, научный руководитель работы
А.А.Ахаян, доктор педагогических наук, член Редакциооной Коллегии

-----

Natalya N. Shusharina
Applicant at the Department of Applied Physics, Immanuil Kant Baltic Federal University, Kaliningrad
nshusharina@kantiana.ru

The integration of teaching and educational, research and project activities during the development of students of modern diagnostic techniques of micro-and nanostructures

We develop a methodical approach to ensure the continuity and unity of teaching and educational, research and project activities during the development of students of modern diagnostic techniques of micro- and nanostructures.

Keywords:
integration, block-modular education system, problematic approach, a special research physics lab-practical, research and projects activities.