ПОСТАНОВКА УЧЕБНОГО КУРСА «ИЗБРАННЫЕ ГЛАВЫ ФИЗИКИ»      ДЛЯ БАКАЛАВРОВ ПО НАПРАВЛЕНИЮ «ИНФОРМАЦИОННЫЕ               СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ»

 

FORMULATION OF THE COURSE "SELECTED CHAPTERS PHYSICS" BACHELORS IN "INFORMATION SYSTEMS AND TECHNOLOGIES"

 

Сахаров Ю.Г. (БГИТА, г. Брянск, РФ)

 

Рассмотрены содержание вновь поставленного курса «Избранные главы физики» для бакалавров по направлению “Информационные системы и технологии”, тематика расчётно-графических работ, а также вопросы чтения лекционного материала с применением мультимедийных технологий.

Consider the content of the newly delivered course "Selected chapters of physics" for bachelors in "Information Systems and Technologies", themes calculation-graphic works, as well as reading the lecture material with the use of multimedia technology.

 

Ключевые слова: избранные главы физики, мультимедийные технологии,       видеофрагменты

Key words: selected chapters of physics, multimedia technologies, video

 

Включение в учебный план бакалавриата курса «Избранные главы физики» дало возможность дополнить стандартный курс физики важным и необходимым будущему специалисту материалом. Для бакалавров по направлению “Информационные системы и технологии” таким материалом представляется рассмотрение физических основ информатизации. Научно-техническая революция, происшедшая в мире и оказавшая огромное влияние на все стороны деятельности человечества, обязана в значительной мере полупроводникам. Наиболее наглядными её достижениями являются персональные компьютеры, Интернет, мобильная связь, цифровые фото- и видеокамеры, цифровое телевидение.

Вместе с тем, раздел «Полупроводники», стандартного курса общей физики, застыл на уровне полувековой давности. Разработанный курс «Избранные главы физики» призван в какой-то мере ликвидировать этот пробел.  Тематика этого курса обозначена соответствующим образом – «Физические основы информационных технологий». В соответствии с рабочей программой в курсе предусмотрены лекционные занятия (18 часов), лабораторные занятия (18 часов) и одна расчётно-графическая работа; заканчивается курс зачетом. Разработана вся необходимая документация учебно-методического комплекса данной дисциплины.

В лекционной части курса рассматриваются элементы физики полупроводников, полупроводниковых приборов (диодов, биполярных и полевых транзисторов, полупроводниковых лазеров) и интегральных микросхем, объединяющих эти приборы  своём составе. Особое внимание уделено полевым транзисторам, являющимся основными строительными «кирпичиками» процессоров и схем памяти. Рассматриваются технологические аспекты создания микропроцессоров, в том числе фотолитография – процесс получения рисунка микросхем. Совершенствование этого процесса привело в начале этого века к переходу с микроуровня, когда размеры элементов составляли микроны, на наноуровень, когда размеры элементов стали исчисляться нанометрами, что дало возможность довести число полевых транзисторов в микропроцессорах до нескольких миллиардов, и это ещё не предел. Закон Мура, отражающий тенденцию удвоения числа элементов микросхемы каждые два года, действует уже почти пятьдесят лет.

Особое внимание в лекциях обращается на тот факт, что на этом новом наноуровне квантовая механика, которая раньше была чисто теоретической наукой, стала наукой инженерной, и в обиход вошли такие понятия, как «квантовая яма», «квантовая нить», «квантовая точка», ставшие элементами полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Прогресс физики привёл к появлению таких направлений электроники, как спинтроника, плазмоника, фотоника и др. Этим новейшим направлениям в разработанном курсе также уделено значительное внимание, показана их роль в дальнейшем прогрессе компьютеров.

Одно из величайших достижение человечества – Интернет – также обязано полупроводникам – устройствам передачи и приёма информации (лазерам на гетеропереходах и фотодиодам, оптико-волоконным линиям связи), физика работы которых также рассматривается в разработанном курсе.

Уникальность свойств основного материала микро- и наноэлектроники – кремния привела к созданию микроэлектромеханических систем – устройств, объединяющих в своём составе датчики, воспринимающие информацию извне, устройства обработки информации на базе микропроцессоров и исполнительные механизмы. Ярчайшими примерами этого направления стали GPS-навигаторы, DLP-проекторы а также различные игровые приставки.

Завершается лекционный материал рассмотрением элементов квантовой информатики и исследований в области квантовых компьютеров, производительность которых, как ожидается, превысит на многие порядки производительность современной жёстко детерминированной вычислительной техники.

Чтение лекций производится в мультимедийной аудитории кафедры физики, оснащенной ЖК-телевизором, и сопровождается презентационным материалом, подготовленным в Power Point а также видеофрагментами. Длительный опыт чтения специальных курсов для студентов БГТУ специальности «Микроэлектроника и твердотельная электроника» позволил разработать и отшлифовать дизайн слайдов презентации, определить их оптимальное количество для одной лекции, а также содержание и способ представления материала слайда. Разработанные требования к презентации таковы:

1.  Количество слайдов – 25 – 30 на одну лекцию;

2.  Поочередное анимационное представление элементов слайда для акцентирования внимания студентов на излагаемом материале;

3.  Спокойный цвет фона слайда, не вызывающий утомление зрения студентов в течение лекции;

4.  Минимум текстового материала на слайде, его читаемость даже с наиболее удаленных мест в аудитории.


Этот опыт, а также материал спецкурсов послужил основой для быстрой разработки презентационного материала лекции рассматриваемого курса для бакалавров направления “Информационные системы и технологии”. Пример слайда презентаций представлен на рисунке.

Рисунок – Пример слайда лекции № 2 «Элементы физики полупроводников»

Лабораторный практикум достаточно хорошо поддерживает данный курс. В него включены как имевшиеся на кафедре работы, так и вновь поставленные.

Существовавшие ранее лабораторные работы (ЛР):

1.  ЛР №54 «Изучение выпрямляющих свойств полупроводникового диода»;

2.  ЛР №55 «Изучение характеристик биполярного транзистора»;

3.  ЛР №57 «Определение ширины запрещенной зоны полупроводника термическим методом»;

4.  ЛР № 58 «Изучение вентильного фотоэффекта»;

5.  ЛР №59 «Изучение эффекта Холла в полупроводниках».

Вновь поставленные работы:

1.  ЛР №56 «Изучение характеристик полевого транзистора»;

2.  ЛР №60 «Изучение характеристик полупроводникового лазера».

В дальнейшем планируется разработка тестов к данным лабораторным работам с тем, чтобы повысить эффективность использования рабочего времени преподавателя и студентов. В качестве инструментальной системы используется лицензионная версия Unitest System.

Длительный опыт использования в учебном процессе тестов по лабораторному практикуму показал необходимость привести в систему тесты, разработанные сотрудниками кафедры в 2007 – 2012 годах. Тесты были разработаны в различных инструментальных системах и содержали различное число вопросов (от двадцати до тридцати). Было принято решение ограничить число вопросов в тесте десятью и время работы с тестом - двадцатью минутами. Эти параметры задаются в настройках системы, а случайная выборка вопросов из имеющейся базы вносит существенное разнообразие в содержание теста, предъявляемого студенту. Подобная система будет применяться и к тестам, планируемым к разработке по курсу «Избранные главы физики».

В качестве заданий расчётно-графической работы студенты должны подготовить рефераты на предложенную тему, доклад и презентацию к докладу. Ниже даны примеры некоторых тем рефератов.

1.    Закон Мура и современные микропроцессоры.

2.    Полевые транзисторы – «кирпичики» микропроцессоров и систем памяти.

3.    Квантово-размерные структуры наноэлектроники.

4.    Гетеропереходы и гетероструктуры для устройств информатики.

5.    Кремний – материал наноэлектроники.

6.    Полупроводниковые нанолазеры. Типы, применение.

7.       Микро- и наноэлектромеханические системы в устройствах информатики.

8.       Спинтроника. Приборы спинтроники. Спинплазмоника.

9.       ПЗС-матрицы – цифровая революция в получении изображений.

10.  Элементы квантовой информатики. Пути создания квантовых компьютеров.

В помощь студентам разработаны методические указания, в которых изложены требования к объёму, содержанию и техническому оформлению реферата, порядок контролирования хода работы над рефератом (см. таблицу) и его защиты, даны рекомендации по подбору материала, подготовке доклада и оформлению презентации, приведена рекомендуемая литература. Все необходимые материалы по курсу, включая рекомендуемую литературу, студенты могут получить в электронном виде.

 

Таблица  – Контроль работы студентов над рефератом

Этапы

работы

Вид работы

Процент выполнения

Неделя семестра

Этап

Всего

1

2

3

4

5

 

6

 

 

7

8

9

10

Получение задания на РГР

Проведение патентного поиска

Проведение поиска литературы

Анализ литературы, подбор  материала

Структурирование подобранного материала, составление содержания РГР

Составление текста пояснительной записки, его оформление в соответствии с требованиями стандартов

Составление презентации к защите

Составление доклада к защите

Подготовка к защите

Защита расчётно-графической работы

-

10

10

15

 

15

 

 

20

10

10

10

-

-

10

20

35

 

50

 

 

70

80

90

100

-

1

2-5

2-5

3-6

 

4-8

 

 

7-11

9-12

10-12

13

14

 

Студенты сами оценивают выполнение работы в соответствии с данной таблицей и сообщают об этом на очередном лекционном занятии. Планируется заслушивать доклады в рамках студенческой научной конференции. Лучшие рефераты будут представляться на смотр студенческих научных работ.