Программные продукты и системы

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.