Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
В современных условиях интенсивного научно-технологического развития существенно актуализируется достижение цели создания в преподавании физики базиса для освоения новых технологий. В настоящем докладе, отражающем опыт работы кафедры физики Военной академии связи, показываются возможности раскрытия фундаментальных основ и методов новых технологий в преподавании физики посредством активизации ее образовательных ресурсов.
С целью отражения в содержании физических дисциплин знаниевой основы научно-технологического развития в профессионально-значимых для военного специалиста его областях без существенного увеличения временного ресурса предлагаются следующие методические приемы.
Эти приемы конкретизируются на примерах их применение в обучении теоретическим основам развития нанотехнологий электроники и фотоники.
Возможности реализации первого из указанных методических приемов демонстрируются на примере формирования ключевых в развитии нанотехнологий представлений об эффектах размерного квантования в системах пониженной размерности [1], осуществляемого посредством расширительного анализа традиционно изучаемой в курсе физики модели квантования энергии микрочастицы в потенциальном ящике при уменьшении его ширины до нанометровых размеров; изменении энергии связанных (примесных, экситонных) состояний с уменьшением размерности системы, выясняемом на основе водородоподобной модели этих состояний, энергетическом спектре сверхрешеток, определяемом посредством анализа модели Кронига — Пенни.
Второго методического приема — на примере освоения ключевых концептов полупроводниковой гетероструктурной электроники [2]. Показывается, что необходимое для понимания важнейших в практическом плане эффектов в гетероструктурах построение зонных диаграмм может осуществляться на основе знаний-умений, освоенных в курсе физики в части p–n-гомопереходов. Достаточно дополнительно внести в рассмотрение два параметра ‑ работу выхода электронов и энергию электронного сродства составляющих гетероструктуру полупроводников, чтобы прийти к принципиально важному в рассматриваемом аспекте выводу о наличии разрывов краев разрешенных энергетических зон.
Примером реализации третьего из указанных приемов является формирование представлений об оптических свойствах фотонных кристаллов [3]. Получаемое здесь на основе использования уравнений Максвелла уравнение обнаруживает аналогию с известным уравнением Шредингера для электронов в кристалле. Это позволяет выявить принципиально важную в научном и практическом планах особенность оптических свойств фотонных кристаллов — наличие фотонных запрещенных зон.
Освоение указанного материала в логике задачно-деятельностного подхода, координация изучения теории с проведением эксперимента превращают его в полноценное учебное исследование, выполнение которого открывает возможности предметного осмысления роли фундаментальных знаний как ориентировочной основы технологического развития.
В части отражения методов новых технологий показываются возможности представления в содержании обучения физики отдельных классов актуальных методов в их применении к решению всего спектра задач в военно-профессиональной деятельности [4].
Сказанное конкретизируется на примере изучения методов квантово-оптических технологий. Применительно к решению задач наблюдения рассматриваются методы и средства лазерной дальнометрии [5]. В рамках изучения физики прежде всего осваивается могущий быть положенным в основу принципа действий дальномера радиолокационный метод и, исходя их предъявляемых к дальномеру требований, обосновывается целесообразность использования в качестве источника световых импульсов полупроводникового лазера. Далее выявляется противоречие между необходимостью широкой активной области лазера, что позволяет уменьшить угол расходимости облучения, и малости энергопотребления. С целью разрешения этого противоречия формулируется идея о раздельном электронном и оптическом разграничении в полупроводниковой гетероструктуре лазера. Наконец, изучается устройство отвечающего принятому на физическом уровне проектирования решению полоскового лазера.
В части обучения методам решения задач ориентации и принятия решения в качестве центральных выступают методы квантовой криптографии [6]. В курсе физики актуализируются свойства фотонов, делающие их перспективными для передачи информации, ее кодирования на уровне физических законов, формулируются требования к функциональному источнику одиночных фотонов и обосновывается целесообразность использования в качестве такового квантовых точек, даются представления о методах корреляционной оптической спектроскопии, позволяющей определить степень соответствия излучения однофотонной статистике. В качестве продуктивного варианта рассматривается генерация излучения посредством фотолюминесценции полупроводниковых квантовых точек и приема излучения с использованием наноантенн и сверхпроводящих устройств [7].
В части обучения методам квантовых-оптических технологий, используемых в решении задач действия, в работе рассматривается лазерный метод высокоточного поражения, в основе принципа которого лежит конструктивная интерференция лазерных пучков [8].
В курсе физика при изучении явления интерференции в логике задачно-деятельностного подхода производится оценка достигаемой интенсивности излучения и анализируются возможности повышения ее концентрации в центральном пике интерференционной картины и сужения этого пика. В разделе, посвященном основам квантовой электроники, изучается устройство волоконного лазера как отвечающего предъявляемым к источнику боевого назначения требованиям, включая одномодовость излучения. В качестве средства достижения последней рассматривается применение резонатора с отражателем в виде решётки с периодически изменяющимся показателем преломления, что обеспечивает селективность отражения падающего излучения.
