ISSN 0236-235X (P)
ISSN 2311-2735 (E)

Bookmark

Next issue

4
Publication date:
16 December 2019
-->

Introduction computer technology in laboratory practical work

The article was published in issue no. № 1, 2010
Abstract:The designed concept of the introduction computer technology in laboratory practical work physico-technical discipline of the high school. The concept is based on the design method of the undertaking occupation. The considered results of the practical introducing the designed approach in laboratory practical work.
Аннотация:Разработана концепция внедрения компьютерных технологий в лабораторный практикум физико-технических дисциплин вуза. Концепция базируется на проектном методе проведения занятий. Рассмотрены результаты практического внедрения разработанного подхода в лабораторный практикум.
Authors: (NNPAN@yandex.ru) - , Ph.D
Keywords: concentration, PN-junction, current-voltage characteristics, mathematical model, method project, laboratory work
Page views: 8983
Print version
Full issue in PDF (4.03Mb)
Download the cover in PDF (1.25Мб)

Font size:       Font:

К настоящему времени разработано большое количество учебных компьютерных программ, в том числе и по физике [1–3]. Однако практика их внедрения показала недостаточную эффективность, обусловленную низкой мотивацией студентов к освоению изучаемого материала. Первопричина этого, на наш взгляд, лежит в методологическом подходе к разработке сценария данных программ. Подавляющая масса учебных программ методически состоит из двух основных частей: обучающей и контролирующей. При выполнении этих работ студенты стремятся сразу перейти к выполнению второй части, используя начальный уровень знаний, интуицию, подсказки сокурсников и метод проб и ошибок. В результате богатые демонстрационные возможности компьютерных программ зачастую остаются невостребованными.

Разработанный подход основан на идее метода проектов. Основная ценность метода в том, что он ориентирует студентов не на простое изучение темы, а на создание конкретного образовательного продукта. Студенты индивидуально или по группам за определенное время одновременно выполняют познавательную и исследовательскую работу на заданную тему. Их цель – решить научно-техническую задачу. Образовательный проект предусматривает комплексный характер деятельности по получению образовательной продукции за определенный промежуток времени – от одного до трех занятий.

К организации проекта предъявляются следующие требования:

·     соответствие учебной программе (тема проекта для всей группы может быть одна, а конкретные задачи для каждой бригады выполняющих работу студентов разные);

·     значимость для будущей профессиональной деятельности студентов;

·     исследовательские цели работы, моделирующей деятельность научной лаборатории или другой аналогичной организации;

·     педагогическая значимость (обучающиеся приобретают знания, овладевают необходимыми способами мышления и действия);

·     гибкость и изменяемость проекта в ходе его выполнения;

·     ориентация на решение конкретной проблемы (наличие потребителя; цели проекта сужены до решаемой задачи);

·     реалистичность, ориентированность на имеющиеся в распоряжении вуза ресурсы.

Каждая лабораторная работа является своеобразным образовательным проектом. Тематика проектов определяется содержанием лабораторного практикума рабочей программы дисциплины.

Образовательный проект имеет структурную основу, которая отражается в методических указаниях к лабораторным работам: название и цель лабораторной работы; краткие теоретические сведения по тематике проекта с описанием моделей и алгоритмов, постановки задачи, хода выполнения работы и индивидуального задания.

В настоящей работе рассматривается возможность внедрения компьютерных технологий в лабораторный практикум физических дисциплин технического вуза на основе идеи метода проектов.

Специальное ПО учебно-исследовательской САПР представлено пакетом из семи прикладных программ, каждая из которых предназначена для выполнения одной лабораторной работы. Пакет функционирует под управлением ОС Windows XP и реализован в системе алгебраических вычислений MathCAD версии 13 и выше. Режим взаимодействия пользователя и ПО интерактивный. Цикл лабораторных работ базируется на математических моделях структурно-физического, физико-топологического и схемотехнического уровней моделирования.

Рассмотрим применение разработанного метода на примере лабораторной работы «Математическое моделирование вольт-амперной характеристики p-n-перехода».

Для исследования используется модель, основанная на уравнении диффузии для электронов и дырок [4]:

;                                         (1)

,                                          (2)

где р0, р, n0, n – равновесные и неравновесные концентрации дырок и электронов соответственно; tn, tр – время жизни электронов и дырок; D – коэффициент амбиполярной диффузии, определяемый по формуле

.                                                (3)

Для решения (1) и (2) используется явный метод Эйлера. Граничные и начальные условия имеют вид

                                (4)

Здесь U – напряжение на p-n-переходе, для прямого смещения U>0, для обратного U<0; L – глубина квазинейтрального слоя полупроводника; x=0 соответствует границе p-n-перехода.

Зная распределение носителей заряда, можно найти распределения плотности диффузионных токов в р- и n-слоях. Для упрощения модели влияние электрического поля в р-n-переходе и квазинейтральных слоях считается пренебрежимо малым, поэтому полный ток через переход принимается равным сумме диффузионных токов подвижных носителей заряда [3]:

.                                        (5)

Используя рассмотренную модель, студенты разрабатывают программу для численного решения уравнения диффузии для электронов и дырок. Находят пространственное распределение неравновесных носителей заряда в зависимости от полярности и величины напряжения на р-n-переходе в статическом и динамическом режимах. Аналогичные исследования проводятся для диффузионных составляющих токов р-n-перехода. В заключение рассчитывается вольт-амперная характеристика р-n-перехода и устанавливается ее температурная зависимость. Фрагмент программы лабораторной работы показан на рисунке.

Практическая реализация разработанного метода в лабораторном практикуме дисциплин «Физика полупроводников и полупроводниковые приборы» и «Физические основы промышленной электроники» на кафедре общей и прикладной физики Воронежской государственной лесотехнической академии показала ряд преимуществ по сравнению с занятиями на лабораторных стендах:

-    изучение материала происходит на более высоком теоретическом уровне;

-    значительно возрастает объем изучаемого материала;

-    студенты получают навыки использования компьютера при проведении научных исследований;

-    возрастает мотивация студентов;

-    студенты приобретают навыки работы с компьютером и программными приложениями.

Кроме того, постановка лабораторного практикума и его совершенствование в процессе использования происходят значительно быстрее и при меньших материальных затратах.

Литература

1.   Башмаков А.И., Башмаков И.А. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем. М.: Информ.-издат. дом «Филинъ», 2003. 615 с.

2.   Дьяконов В.П. MathCAD 8-12 для студентов. М.: СОЛОН-Пресс, 2005. 632 с.

3.   Бертяев В.Д. Теоретическая механика на базе Math­CAD. Практикум. СПб: BHV-СПб, 2007. 752 с.

4.   Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1976. 608 с.


Permanent link:
http://swsys.ru/index.php?page=article&id=2459&lang=en
Print version
Full issue in PDF (4.03Mb)
Download the cover in PDF (1.25Мб)
The article was published in issue no. № 1, 2010

Perhaps, you might be interested in the following articles of similar topics: