Использование компьютера в модульной технологии обучения на примере лабораторного практикума физических дисциплин

ПРОБЛЕМЫ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ

УДК 537.8

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРА В МОДУЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБУЧЕНИЯ НА ПРИМЕРЕ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ФИЗИЧЕСКИХ ДИСЦИПЛИН

© 2007 г. А.Н. Панюшкин, Н.Н. Панюшкин

Основная идея модульной технологии обучения (МТО) заключается в том, что студент должен учиться сам, а преподаватель обязан осуществлять управление его учением: мотивировать, организовывать, координировать, консультировать, контролировать. Студент полностью самостоятельно (или с определенной дозой помощи) достигает конкретных целей учебно-познавательной деятельности в процессе работы с модулем, который выступает как программа обучения, индивидуализированная по содержанию, методам учения, уровню самостоятельности, темпу учебно-познавательной деятельности студента. Можно говорить о познавательной (информационной) и учебно-профессиональной (деятельностной) частях модуля. Задача первой - формирование теоретических знаний, функции второй - формирование профессиональных умений и навыков на основе приобретенных знаний [1-3]. Модуль - это целевой функциональный узел, в котором объединено: учебное содержание и технология овладения им в систему высокого уровня целостности. Особенность модульной информации заключается в обеспечении максимальной самостоятельности студента при изучении материала.

Внедрение компьютера в МТО при проведении лабораторного практикума физических дисциплин дает возможность дополнительно повысить качество обучения путем исследования физических явлений и величин, которые затруднительно или невозможно поставить в натурном эксперименте. Кроме того, использование компьютера дополнительно позволяет студентам освоить навыки применения численных методов для решения научно-технических задач.

В настоящей работе рассмотрено комплексное применение МТО и компьютерной технологии обучения на примере лабораторной работы «Исследование характеристик тиристора» спецкурса «Физические основы промышленной электроники». В работе используется модель тиристора, полученная на основе двухтранзисторной аналогии [4]. Разработанная модель представлена алгебраической системой уравнений:

Ia ="

а N2IБ -1кД (ß1 +ß 2 ) .

1 -у '

Uкд = Фт ln

-U a +Ia r;

iЭД10iЭД20

кд

iКД = iКД0(е ФТ 1) +

U

КД .

R

УТ.КД

Y = a 0 + a11A + a 21A + a 31A,

где 1А, IБ - ток анода и базы соответственно; !кд, иКд, ^ут.кд - ток, напряжение и сопротивление утечки общего для двух транзисторов коллекторного перехода; 1Эд10, 1эд2о, 1кдо - тепловые токи эмиттерных переходов р-п-р и п-р-п транзисторов и коллекторного перехода; г - сопротивление тела анода; фТ = кТ/дг -температурный потенциал; к = 1,38-10-23Дж-К-1 -постоянная Больцмана; Т- температура; де=1,6-10-19 Кл -элементарный заряд; а0, а1, а2, а3 - коэффициенты интерполяции зависимости у(1А). Значения коэффициентов рь р2 и у определяются по формулам:

ß i = 1 -at ß 2 =1-a

,a,

N 2a 12

где ам, ат, ал, а12 - нормальный и инверсный коэффициенты передачи токов р-п-р и п-р-п транзисторов соответственно. Температурная зависимость вольтам-перной характеристики (ВАХ) тиристора связана с изменением электрофизических параметров, наиболее чувствительных к температуре. К ним относятся температурный потенциал фТ и тепловые токи р-п переходов, температурную зависимость которых находим по формуле [4]

10(T) = 10(0)2

Y = a n1 +a N 2

T

2

где 10(Т), /0(0) - тепловые токи р—п переходов при температурах Т и Т0 соответственно; Т2 - температура, при которой наблюдается удвоение тока, для кремниевых приборов можно принять Т2=10 К [4]. С ростом температуры происходит увеличение обратного тока коллекторного перехода и уменьшение напряжения отпирания тиристора. Температурной зависимостью у и сопротивления г можно пренебречь.

взаимосвязи характеристик и электропараметров полупроводниковых приборов с электрофизическими процессами в полупроводнике, развивать навыки математического моделирования характеристик полупроводниковых приборов с помощью компьютера. МП лабораторной работы представлена одним модулем (М), который состоит из пяти учебных элементов (УЭ) (таблица).

Учебные элементы и их параметры

№ УЭ Учебный материал с указанием заданий Рекомендации по выполнению заданий, оценка

УЭ-0 Подготовка к выполнению Цель: подготовиться к выполнению лабораторной работы. Составить конспект лабораторной работы по методическим указаниям. Ответить на контрольные вопросы Работать самостоятельно, конспект должен содержать алгоритм выполнения работы

УЭ-1 Входной контроль Цель: получить допуск к выполнению работы. Используя разработанный конспект, ответьте на вопросы преподавателя Выяснить все непонятные вопросы, связанные с выполнением работы. Оценка по пятибалльной шкале

УЭ-2 Выполнение работы. Цель: провести моделирование и исследование характеристик полупроводникового прибора в соответствии с индивидуальным заданием. Выполнить все пункты индивидуального задания, ответить на поставленные вопросы. Используя рекомендованную литературу, оформите лабораторную работу и подготовьтесь к защите лабораторной работы Внимательно читайте методические указания к лабораторной работе. Проверяйте результаты моделирования на адекватность физическому смыслу. По каждому пункту задания должен быть сформулирован вывод. Оценка по пятибалльной шкале

УЭ-3 Выходной контроль. Цель: защита лабораторной работы. Ответить на вопросы преподавателя Сдать работу преподавателю. Оценка по пятибалльной шкале

УЭ-4 Проанализируйте выполнение заданий, выявите затруднения. Какие вопросы появились в ходе работы Рефлексия

Решение системы (1) с учетом (2)-(5) позволяет смоделировать ВАХ тиристора в диапазоне температур. На рисунке показан фрагмент программы лабораторной работы.

UaOi

Фрагмент программы лабораторной работы «Исследование характеристик тиристора»

Комплексная дидактическая цель модульной программы (МП): продолжить формирование знаний в области физики полупроводниковых приборов, расширить представление об общих закономерностях

Представленная технология обучения используется на кафедре общей и прикладной физики ВГЛТА при проведении занятий по дисциплинам «Физические основы промышленной электроники» и «Физика полупроводников и полупроводниковые приборы». Её внедрение позволило повысить уровень образования и мотивацию студентов.

Литература

1. Юцявичене П.А. Принципы модульного обучения // Советская педагогика. 1990. № 1. С. 59-63.

2. Селевко Г.К. Современные образовательные технологии. М., 1998.

3. Артемов А., Павлов Н., Сидорова Т. Модульно-рейтин-говая система // Высшее образование в России. 1999. № 4. С. 36-44.

4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2 ч. / Пер. с англ.; Под ред. Р.А.Суриса. М., 1984.

Воронежская государственная лесотехническая академия 11 декабря 2006 г.