Компьютерное моделирование физических процессов в полупроводниковых приборах (среда Microsoft Excel) (10-й класс)

Любая современная педагогическая технология представляет собой синтез достижений педагогической науки и практики, сочетание традиционных элементов прошлого и современного педагогического опыта. В рамках интегрированной образовательной технологии, с нашей точки зрения, наиболее интересны интегрированные уроки, основанные на межпредметных связях, поэтому присутствие на уроке второго учителя-предметника помогает детям лучше увидеть эти связи, а, следовательно, сформировать у учащихся целостное представление о естественнонаучной картине мира.

Интегрированные уроки – комплексная проблема современной дидактики. Дидактика интегрированного урока имеет структуру, состоящую из трех элементов:

• знания и умения из первой предметной области,
• знания и умения из второй предметной области,
• интеграция этих знаний и умений в процессе обучения.

Интегрированный урок – особый тип урока, на котором изучается взаимосвязанный материал двух или нескольких предметов. Такие уроки используются в тех случаях, когда знание материала одних предметов необходимо для понимания сущности процесса, явления при изучении другого предмета.

Опыт работы последних лет показывает возрастающий интерес учащихся к подобной форме работы. Она формирует целостное представление рассматриваемой проблемы, а также высокий уровень владения материалом, стимулирует формирование творческого, самостоятельного, исследовательского подхода в процессе обучения.

Интеграцию учебных дисциплин мы строим по принципу сотрудничества, на добровольной и взаимовыгодной основе. Здесь учитываем общие интересы всех участников интеграции.

Важнейшими условиями организации деятельности учащихся на интегрированных уроках являются следующие:

1. углубление практико-ориентированного характера деятельности учащихся на уроках, закрепляющей его интегрированное теоретическое освоение, духовное постижение, в том числе с использованием средств и форм информационных технологий;
2. сотворческий характер интегрированной деятельности учителя и учащихся на уроке, предполагающий активизацию проблемно – поисковой деятельности обеих сторон, совместное и взаимосвязанное решение любой учебной проблемы, в том числе медиа-средствами.

ИНТЕГРИРОВАННЫЙ УРОК ФИЗИКА + ИНФОРМАТИКА.

ТЕМА: «Компьютерное моделирование физических процессов в полупроводниковых приборах (среда Microsoft Excel)». 10 класс. 

На данном уроке использовались знания о полупроводниковых приборах, полученные учащимися на уроках физики, умения и навыки, полученные на уроках информатики, а также систематизировались и углублялись понятия о компьютерном информационном моделировании применительно к физическим явлениям и процессам.

Оборудование и материалы:

• компьютерный класс, оборудованный локальной сетью;
• установленные программы: операционная система Windows XP и табличный процессор Microsoft Excel.

Цели урока:

1. Осуществить моделирование:
   • вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов, изготовленных из различных материалов, сравнить их и сделать выводы о практической значимости вольт-амперных характеристик;
   • зависимости сопротивления терморезисторов, изготовленных из разных материалов от температуры, проанализировать полученные результаты, сделать выводы о наличии или отсутствии зависимости сопротивления терморезисторов от температуры, практическом значении данного факта;
   • процесса, доказывающего, что транзистор может применяться как управляемое сопротивление.
2. Закрепить на практике:
   • знания учащихся из курса информатики по построению графических информационных моделей в среде Microsoft Excel;
   • умения сохранять результат в файле на диске, передавать файлы на учительский компьютер, пользуясь возможностями локальной сети, для вывода его на печать.

Задачи урока:

1. Образовательная — способствовать закреплению основных понятий по теме, обобщению изученного, систематизации знаний, приобретению технологических навыков работы в компьютерной среде Microsoft Excel.
2. Воспитательная — воспитание сознательного отношения к учению, уверенности в себе, умения слушать и слышать, давать оценку и самооценку.
3. Развивающая — развитие аналитического мышления, умения сравнивать, расширение кругозора.

План урока:

1. Организационный момент:
   • Психологический настрой учащихся на урок.
   • Объявление темы и задач урока.
   • Определение программной среды для выполнения практической работы.
   • Актуализация знаний, полученных учащимися на уроках физики и информатики.
2. Основное время урока:
   • Практическая работа за компьютером по моделированию физических процессов в полупроводниковых приборах с использованием Мастера диаграмм среды Microsoft Excel.
   • Анализ полученных зависимостей, выводы
   • Запись результатов работы в файл, вывод на печать через локальную сеть.
3. Подведение итогов работы.
   Учителя физики и информатики оценивают каждый свой аспект в выполненной работе и выставляют оценки.

Ход урока:

I. Организационный момент.

Беседа по актуализации знаний учащихся по физике:

1. Какое свойство полупроводников обусловило их широчайшее применение на практике?
2. В чем состоит различие зависимости сопротивления полупроводников и металлов от температуры?
3. Какие полупроводниковые приборы называются термисторами?
4. Назовите основные параметры терморезисторов.
5. Что лежит в основе работы полупроводникового диода?
6. Какова природа контактной разности потенциалов на границе p-n перехода?
7. Как влияет внешнее напряжение на электронно-дырочный переход?
8. Почему для правильного выбора диода при его практическом применении очень важно знать его вольт-амперную характеристику?
9. Как объяснить вольт-амперную характеристику с точки зрения электронных представлений?
10. Какой полупроводниковый прибор называют транзистором?
11. Каков принцип работы транзистора?
12. Зависит ли сила тока в цепи коллектора от силы тока в цепи эмиттера?
13. Какова вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода?
14. Отличается ли вольт-амперная характеристика коллекторного перехода от вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода?

Беседа по актуализации знаний учащихся по информатике:

1. Что такое модель?
2. Что такое информационная модель?
3. Когда удобно использовать табличные и графические информационные модели?
4. Какая форма графической модели (карта, схема, чертеж, график) применима для отображения процесса?
5. Какие модели называются компьютерными?
6. Что такое табличный процессор?
7. Как именуются ячейки таблицы?
8. Какая информация может храниться в ячейках?
9. Что происходит в электронной таблице в результате замены числа в ячейке на новое значение?
10. С помощью какого встроенного объекта осуществляются графические возможности табличного процессора?

II. Основное время урока:

1. учащиеся, используя экспериментальные данные, в табличном процессоре Microsoft Excel создают табличные и графические информационные модели: для вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов (германиевого и кремниевого); для зависимостей сопротивления терморезисторов (ММТ-1 и ММТ-4) от температуры;
2. создают модель процесса, показывающего, что транзистор — управляемое сопротивление, а затем исследуют данную модель, меняя значение напряжения на базе;
3. учащиеся записывают результаты моделирования в файлы и, используя локальную сеть, пересылают их на компьютер учителя;
4. учитель информатики выводит на бумагу результаты моделирования и раздает ученикам для анализа и подготовки к защите.

Результаты работы: 

1. Моделирование вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов: 

• Германиевый диод

• Кремниевый диод

2. Результаты моделирования зависимости сопротивления терморезистора от температуры

• Терморезистор ММТ-1

• Терморезистор ММТ-4

3. Моделирование процесса, доказывающего, что транзистор — управляемое сопротивление.

III. Подведение итогов работы.

Проанализировав результаты, учащиеся должны дать ответы на следующие вопросы:

1. Какую информацию о работе диодов, изготовленных из разных полупроводниковых кристаллов, можно получить по вольт-амперной характеристике?
2. Какой вывод можно сделать, анализируя графики зависимости сопротивления терморезисторов, изготовленных из разных материалов, от температуры?
3. Почему график зависимости сопротивления транзистора сквозному току от напряжения на базе позволяет рассматривать транзистор как управляемое сопротивление?
4. С чего начинается построение компьютерной информационной модели?
5. В чем преимущество компьютерных информационных моделей перед теоретическими?

Выводы:

1. Участие ребят в интегрированном уроке физика + информатика позволило им лучше осознать себя, раскрыться как творческая личность, поверить в свои силы и возможности, вырасти в глазах своих и чужих, самосовершенствоваться.
2. Нами замечено, что при проведении уроков в такой форме, даже сложный материал легче усваивается и понимается учениками.
3. В результате проделанной работы учащиеся научились основам физического моделирования; поняли, что оно может широко применяется при исследовании различных физических явлений; убедились, что представление результатов компьютерного моделирования физических процессов в графической мультимедийной форме дает сильный эффект, потому что создается иллюзия реальности по отношению к процессам, которые недоступны человеческому глазу.