ФОРМИ ПОЗАУРОЧНОЇ РОБОТИ

1 ФОРМИ ПОЗАУРОЧНОЇ РОБОТИ

1.1 Мета організації позаурочної роботи

У системі розвитку підростаючого покоління важлива роль належить різним формам позаурочної роботи.

Резерв позаурочного часу може і повинен бути ефективно використаний для вирішення завдань різнобічного гармонійного розвитку школярів. Основними вимогами до організації позаурочної роботи з школярами є: органічна єдність навчальної і позакласної діяльності, цілеспрямованість, суспільно корисна спрямованість, цікавість всіх позаурочних занять, підвищення ролі самих дітей, органів дитячого самоврядування, взаємодія школи з позашкільними установами, громадськими і державними організаціями, батьками.

Розвиток учнів однієї вікової групи дуже неоднорідний. Не однаковий також інтерес учнів до вивчення фізики. Обмеженість часу і зарегламентованість форм організації навчання не дають можливості врахувати всі індивідуальні особливості учнів. Тому учитель розв'язує всі завдання поза межами школи, класу, уроку. Вся ця робота одержала назву позаурочної або позакласної.

Основною особливістю позаурочної роботи є її дуже слабка зарегламентованість. Вчитель вільний у виборі форм, змісту і методів роботи. Цінним є й те, що він має можливість залучати учнів до активної практичної діяльності. Тому проведення позаурочної роботи дозволяє формувати вміння і навички, творче мислення, здійснювати політехнічне навчання, профорієнтацію учнів, формувати моральні якості. І якщо можливості позаурочної роботи співпадають з завданнями, які стоять перед шкільною фізикою в цілому, то ефективність навчального процесу стає значно вищою.

Позаурочна робота порівняно давня форма організації роботи з учнями. Її корені ховаються в перших роках ХХ століття, а масового розвитку набула лише в середині ХХ століття.

Установилися різні форми позаурочної роботи. Одна з класифікацій здійснюється за мірою охоплення учнів, а саме:

- індивідуальна;

- групова;

- масова.

Усі види позаурочної роботи повинні бути добре організованими і узгодженими. Це можливо при використанні передового досвіду вчителів, результатів наукових досліджень вчених-методистів.

При аналізі навчально-виховних завдань позаурочної роботи з фізики необхідно керуватися принципом єдності цілей урочної і позаурочної роботи з школярами [2].

В процесі навчання фізики в загальноосвітній середній школі учні повинні опанувати глибокими і міцними знаннями основ науки фізики відповідно до сучасних вимог суспільного і науково-технічного прогресу, у учнів повинні бути сформовані прагнення до безперервного вдосконалення своїх знань, вміння самостійно поповнювати їх і застосовувати на практиці. Істотно обмежують ініціативу вчителя і учнів і жорсткі рамки навчального часу, відведеного навчальним планом на вивчення фізики. Проте було б помилкою вважати, що обмеженість навчального часу, відведеного на вивчення фізики, є основною причиною організації різних форм позаурочної роботи. Доучування того, що не встигли вивчити на уроці, ніяк не можна визнати за головне завдання позаурочної роботи з фізики.

Загальною відмінною рисою позаурочних занять з фізики повинна бути ознака добровільного вибору занять учнями за їх інтересами.

Організація різних форм роботи за інтересами дає учням можливість проявити свої індивідуальні схильності, виявити і розвинути здібності, отримати первинні уявлення про особливості трудової діяльності працівників певних професій [2].

Одним з провідних принципів організації позаурочної роботи з фізики є тісний зв'язок з обов'язковими заняттями з фізики. Цей зв'язок має дві сторони. Перша з них – опора у всій позаурочній роботі з фізики на знання і вміння учнів, які були отримані на уроках. Друга сторона – спрямованість всіх форм позаурочної роботи на розвиток інтересу учнів до фізики, на формування у них потреби до поглиблення і розширення знань, на поступове розширення кола учнів, які цікавляться наукою і її практичними застосуваннями.

Для того, щоб позаурочна робота сприяла розвитку пізнавального інтересу до фізики, в її основі повинна бути орієнтація на активну самостійну пізнавальну і практичну діяльність учнів. Тільки здобуті власною працею знання і уміння міцні, тільки вони приносять задоволення і упевненість в своїх силах, стимулюють прагнення до продовження процесу пізнання [2].

1.2 Можливості здійснення міжпредметних зв'язків в позакласній роботі з фізики

Позакласна робота відкриває найбільш сприятливі можливості для здійснення міжпредметних зв'язків, які головним чином стимулюють самоосвіту учнів: їх звернення до додаткової літератури, повторення навчального матеріалу з різних предметів під іншим кутом зору, розширення знань учнів в результаті організованого спілкування. Прикладами конкретних позакласних заходів з яскраво вираженими міжпредметними зв'язками можуть бути комплексні вечори, міжпредметні конференції, виставки профорієнтацій, міжпредметні КВК і ін. Здійснюючись в різноманітних формах позакласної роботи, міжпредметні зв'язки укріплюють предметну систему навчання, розвивають інтерес учнів до самого процесу пізнання [4]. Аналіз досвіду здійснення позакласної роботи школярів на основі міжпредметних зв'язків дозволив виділити ряд педагогічних умов, що забезпечують ефективність в організації такої роботи:

- висунення комплексної проблеми, що дозволяє групувати знання з різних предметів навколо одного об'єкту пізнання;

- включення виховних завдань, питань практичної діяльності учнів в позакласні заходи міжпредметного змісту;

- опора на вже присутні стійкі інтереси школярів і вміння знайти таку спільну роботу для учнів з різними інтересами, яка викликала б потребу у вивченні загальної для них галузі знання;

- закріплення, розширення і поглиблення в позакласній роботі обсягу знань, умінь і навичок, отриманих на уроках, використання науково-популярної літератури з різних предметів, тісний зв'язок навчальної і позакласної роботи [4].

1.3 Розвиток пізнавальних інтересів учнів

Одне з найважливіших завдань позаурочної роботи з фізики – розвиток пізнавального інтересу. Без інтересу учнів до пізнання методично правильно побудований урок з викладом матеріалу на найвищому науковому рівні, із залученням необхідних прикладів з практичного життя не дасть бажаного результату. Як писав видатний радянський педагог В. О. Сухомлинський: «Всі наші задуми, всі пошуки і побудови перетворюються на прах, якщо немає у учня бажання вчитися».

Звичайно, розвиток пізнавального інтересу є завданням не тільки позаурочної роботи. Це завдання вчитель не повинен залишати поза увагою на жодному уроці. Проте позаурочна робота має ряд особливостей, що дозволяють внести істотний вклад до рішення цієї задачі [2].

Особливостями позаурочної роботи з фізики, які підвищують її ефективність, є можливість більшої, ніж на уроці, індивідуалізації роботи з учнями, надання кожному школяру можливості вибору занять за його інтересами, роботи в темпі, відповідному його бажанням і можливостям. Велике значення має і той факт, що ця діяльність не регламентується умовами обов'язкового досягнення якихось заданих результатів і при правильному підході керівника вона обов'язково є успішною для учня. Розвиток пізнавального інтересу до фізики і її практичних застосувань на позаурочній роботі забезпечується широким залученням елементів цікавої науки і техніки, знайомством з новітніми досягненнями науки і сучасного виробництва [2].

Перед вчителем не стоїть завдання залучення до позаурочної роботи всіх учнів, але кожного учня, який цікавиться фізикою, вчитель повинен виділити і знайти відповідну його індивідуальним особливостям форму, яка задовольняла б його та сприяла розвитку інтересу до предмета. Одним учням можна рекомендувати відвідувати факультативні заняття або фізичний гурток, іншим – участь в роботі технічних гуртків, третім порекомендувати цікаві книги або науково-популярні статті з фізики. Багато учнів мають схильність до самостійного виконання дослідів в домашніх умовах. Ця діяльність також вимагає керівництва з боку вчителя. Школярам, що виявляють підвищену цікавість до рішення задач, можна порекомендувати систематичну участь в конкурсі журналу «Квант», підготовку до участі в шкільній фізичній олімпіаді.

Враховуючи індивідуальні інтереси і схильності окремих учнів, вчитель повинен постійно пам'ятати про те, що будь-яка позаурочна робота з фізики з частиною учнів повинна обов'язково сприяти розвитку пізнавального інтересу всіх учнів на уроках фізики. Хоча це може показатися дивним, але навіть серед учасників занять фізичного гуртка досить часто зустрічаються школярі із слабо розвиненим пізнавальним інтересом до вивчення фізики. Тому обов'язковий елемент позаурочної роботи – пробудження або розвиток пізнавального інтересу до систематичного і глибокого вивчення шкільного курсу фізики. Для цього потрібно постійно, але не нав'язливо відзначати, що для пояснення цікавих дослідів і рішення цікавих задач, розуміння сутності новітніх досягнень науки і техніки потрібні знання з фізики, що отримуються в шкільному курсі [2].

Розвиток стійкого пізнавального інтересу до фізики у частини учнів в класі є дуже сильним чинником, який сприяє виникненню і розвитку інтересу до фізики у решти школярів.

Розвитку пізнавального інтересу сприяє використання на уроках фізики результатів, отриманих окремими школярами на позаурочних заняттях. До таких результатів можна віднести доповіді учнів з тем, пов'язаних з матеріалом, що вивчається на уроці [2].

1.4 Вечори з фізики

Найбільш поширеними серед масових заходів у позаурочній роботі є вечори фізики. Це форма, яка поєднує всі найбільш цікаві форми роботи і має велику активізуючу дію на учнів. Вечори фізики поділяються на тематичні та цікавої фізики.

Тематичні вечори присвячуються певній темі шкільної програми, або якій-небудь проблемі науки фізики. Наприклад, "Механіка в космосі", "Надпровідність в техніці", "Проблеми електроніки" і т.п.

Вечори цікавої фізики переносять акцент на зацікавлення учнів фізикою і частіше організовуються для учнів 7-8 класів.

Вечір цікавої фізики готується заздалегідь. Перш за все складається його план. Один з таких планів має вигляд:

1.         Вступ і відкриття вечора.

2.         Вибір журі.

3.         Цікаві повідомлення.

4.         Цікаві досліди.

5.         Вікторина.

6.         Підведення підсумків і нагородження переможців.

Як правило, ведучими вечора виступають учні, заздалегідь підготовлені вчителем. У склад журі обирають кращих учнів, але обов'язково там повинен бути вчитель, який виконує роль консультанта і арбітра.

Під час вечора учні слухають доповіді, спостерігають досліди, беруть участь у їх обговоренні. Журі реєструє правильні відповіді і визначає переможців, нагородження яких проводиться наприкінці вечора.

Вечори цікавої фізики можуть проводитися також у формі КВК. Частина учнів і гуртківців залучається до підготовчої та агітаційної роботи. Вони виготовляють цікаві оголошення, випускають фізичну газету, організовують виставку фізичних приладів. Тематичні вечори мають простішу структуру, але повинні обов'язково містити елемент змагання. З цією метою часто організовують тематичні вечори цікавої фізики.

1.5 Засоби пропаганди фізики

Шкільні засоби пропаганди фізики мають декілька видів:

- фізичні газети;

- фізичні бюлетні;

- вікторини.

Випуск фізичної газети присвячується певній події: річниці видатного вченого, відкриття, вечору фізики, початку вивчення нової теми. Їх оформлення і підбір матеріалів здійснюють учні під керівництвом учителя. Газета повинна містити цікавий матеріал і бути добре ілюстрованою.

Фізичний бюлетень випускається частіше, ніж газета. Він доповнює її, оскільки містить оперативний матеріал про цікаві події в фізиці на даний час. Тому він має менший обсяг і слабкіший зображальний ряд.

Фізичні вікторини можуть бути як елементом вечора фізики, так і самостійним елементом активізації учнів поза уроком. Їх зміст складають цікаві запитання або короткі задачі з усього курсу фізики або окремих розділів. Якщо вікторина проводиться самостійно, то всі її запитання пропонуються учням у вигляді великого плакату. Рядом з ним вивішується скринька, в яку учні опускають письмові відповіді. За відповідями визначаються переможці, які певним чином відзначаються.

Якщо ж вікторина є складовою частиною вечора, то і запитання, і відповіді на них подаються в усній формі. Відзначення переможців здійснюється в рамках вечора.

1.6 Роль науково-популярної літератури у формуванні пізнавальних інтересів школярів

Величезне значення в вихованні у школярів інтересу до фізики має науково-популярна література.

Прагнення школярів до знань зазвичай супроводжується зростаючим інтересом до науково-популярної літератури. Читання таких книг викликає у учнів бажання проводити досліди, спостереження, конструювати. Часто ці книги здійснюють вплив на розвиток навчальних інтересів школяра і навіть на виділення одного, центрального інтересу, який відіграє важливу роль у виборі професії.

Проте головне завдання вчителя полягає не стільки в роботі з учнями, інтерес яких до фізики вже склався, скільки в пропаганді фізичних знань серед групи учнів, які займаються фізикою з примусу. Викликати у них бажання вивчити фізику і виховати інтерес до її вивчення – почесне завдання вчителя фізики [3].

Гарні науково-популярні книги є необхідним доповненням у вихованні інтересів школяра. Ці книги вчать дітей спостерігати життя в конкретних обставинах, допомагають їм пов'язати шкільні предмети із спостережуваними в житті явищами, примушують їх активно мислити [3].

Досвід показує, що у ряді випадків школярі (навіть старшокласники), у яких не було достатнього інтересу до навчальних занять, в результаті читання науково-популярних книг з фізики змінювали своє ставлення до предмета, робили фізику основою майбутньої професії.

Позитивний вплив науково-популярної літератури не вичерпується тільки тим, що вона допомагає пробудити у школярів інтерес до предмета. Вона дозволяє значно розширити і поглибити знання школярів, наближає їх до проблем сучасної науки.

Разом з тим формується читацький смак учнів; вони отримують досвід самостійної роботи з книгою. У школярів виробляється вміння публічно виступати, відбирати з великої кількості матеріалу необхідний для даної теми [3].

1.7 Організація факультативних занять

Одним з видів позаурочної роботи є факультативи. Саме на факультативі учень має можливість здобути ті знання, які йому цікаві.

При підготовці до нового навчального року організаторам факультативних занять доводиться вирішувати не тільки навчально-методичні, але і організаційні питання: де проводити заняття, кому доручити педагогічну роботу на факультативі, яким критерієм керуватися при відборі навчальних груп, учнів для комплектування, і т.д. Вирішення цих питань, а також обрання тематики занять, вибір програми залежать перш за все від навчально-матеріальної бази школи і кваліфікації педагогічних кадрів. При цьому важливе значення, як ми зараз побачимо, має вибір виду занять. Програмами передбачено два основні види занять: додаткові розділи і питання до систематичного курсу фізики і спеціальні факультативні курси. «Додаткові розділи і питання» є курсом, що розвиває і доповнює факти, отримані на уроках фізики, і вивчається паралельно з основним курсом з деяким запізнюванням в часі. Робиться це для того, щоб вивчення даної теми факультативного курсу було логічним продовженням і поглибленням відповідної теми основного курсу фізики.

Спеціальні факультативні курси присвячуються головним чином загальним проблемам фізики, вони охоплюють не окремі теми, а цілі розділи фізики, фізики і астрономії, фізики і технічних дисциплін. До таких курсів можна віднести «Закони збереження в механіці», «Фізика космосу», «Будова і властивості речовини». Спеціальні курси дають учням додатковий об'єм спеціальних знань, практичних навичок та вмінь. Наприклад, при вивченні курсу «Фізичні основи електроніки» учні отримують не тільки новітні уявлення про природу електричної провідності, але і знайомляться з будовою таких приладів і пристроїв, як реле, електронні підсилювачі, генератори, лічильники елементарних частинок, отримують певні навички і уміння роботи з цими приладами, досліджують їх характеристики.

Кожний з розглянутих видів факультативних занять має свої переваги і недоліки, врахування яких дозволяє раціонально підійти до обрання структури факультативних занять, виходячи з конкретних можливостей і місцевих умов школи.

Спеціальні факультативні курси вимагають від вчителя, як вже вказувалося, деяких додаткових знань (наприклад, з електротехніки, радіотехніки, теоретичної фізики).

Для постановки демонстраційного експерименту і лабораторного практикуму може знадобитися деяка спеціальна апаратура [1]. Спеціальні курси відвідують, як правило, невеликий контингент учнів з вже вираженими здібностями, інтересами і схильностями.

Отже, такі заняття можуть бути успішними в старших класах, бо старшокласники проявляють стійкіші інтереси до тієї чи іншої галузі науки і техніки; майбутньої трудової діяльності.

Для ведення спеціальних факультативних занять рекомендується залучати висококваліфікованих фахівців з числа інженерно-технічних працівників підприємств, працівників вищої школи, науково-дослідних установ.

Проте практика показала, що ці фахівці, що не мають педагогічного досвіду, часто обходять фізичну основу матеріалу, що розглядається. При такому викладанні виникає небезпека перетворення факультативних занять з фізики в спеціалізований, самостійний технічний курс, заняття зводяться до виробничого навчання, а не до політехнічного навчання фізики.

Практика показала, що гарні результати дає проведення занять з окремих курсів безпосередньо у вищих навчальних закладах і науково-дослідних інститутах на базі лабораторій цих установ. В цьому випадку читання окремих тем можна доручати різним фахівцям, зберігаючи право загальної координації за керівниками занять.

Правда, не всі школи можуть організувати факультативні заняття в інститутах і окремих спеціалізованих лабораторіях, тому кожна школа повинна поступово поповнювати обладнання кабінету фізики і фонд необхідної літератури, підвищувати кваліфікацію вчителів, щоб проводити і удосконалювати такі курси в школі.

Є одна обставина, з якою не можна сперечатися: заняття поза школою ускладнюють координацію роботи курсів з роботою викладачів фізики, виникає деяка відірваність школярів від повсякденного життя школи. З цієї точки зору зручно, щоб факультативні заняття проводилися безпосередньо в школі силами вчителів фізики. Це дозволить реалізувати ряд переваг, забезпечується можливість тісно координувати факультативні заняття з викладанням основного курсу фізики і з практикумами, які проводяться з трудового навчання. Життя школи, питання виховання, суспільні заходи не залишаються в стороні від сфери діяльності учнів, що відвідують факультатив.

Якщо школа не в змозі забезпечити проведення факультативних занять за різними темами і курсами, можна кооперувати роботу декількох близько розташованих шкіл. Кожна школа організовує факультатив за своїми можливостями, а навчальні групи формуються із зацікавлених учнів різних шкіл.

Визначивши місце і характер факультативних занять, слід провести попередній вибір програм. Відбір факультативних курсів і окремих тем в них визначається необхідністю формування і розвитку знань учнів про основні фізичні теорії і ідеї, необхідністю вивчення фундаментальних законів природи [1]. Серед них: закони збереження, атомно-молекулярне вчення, статистичні уявлення, закони термодинаміки, електронна теорія, основи теорії відносності, деякі поняття квантової механіки, питання астрофізики та ін.

Слід провести роз'яснювальну бесіду з школярами, розповісти їм про зміст факультативних курсів, про теоретичні знання і практичні уміння і навички, які вони отримають в процесі навчання, дати можливість учням висловити свої побажання.

Приступаючи до остаточного вибору програми, треба окрім навчально-матеріальної бази, особистісних даних вчителя, побажань учнів, врахувати наявність навчальної літератури в школі і бібліотеках населеного пункту, фонд навчальних і технічних засобів навчання. Після цього можна подати навчальні програми на обговорення педагогічної ради. Познайомивши учнів з остаточним варіантом програм, можна приступити до формування навчальних груп.

Формування факультативних класів проводиться на основі принципу строгої добровільності; учні вибирають факультативний курс за своїм смаком, виходячи з своєї зацікавленості, а не з примусу. Проте, записавшись в ту або іншу групу, учень зобов'язаний акуратно відвідувати заняття, вільні відвідини неприпустимі, оскільки це призводить до ослаблення дисципліни і на уроках обов'язкових предметів.

Все сказане переконує нас в тому, що організація факультативних занять – відповідальна і серйозна робота [1].

1.8 Форми проведення факультативних занять

При всій свободі вибору форм організації і методів проведення факультативних занять з фізики вчитель не має права замінювати лабораторні і практичні заняття, передбачені програмою, теоретичними заняттями. Самостійний фізичний експеримент учнів у формі виконання фронтальних лабораторних і практичних робіт, фізичного практикуму, індивідуальних експериментальних завдань і конструкторських завдань є обов'язковою складовою частиною системи поглибленого вивчення фізики [2].

Факультативні заняття є формою диференційного навчання, що зберігає всі переваги єдиної системи шкільної освіти і яка дозволяє розвивати індивідуальні інтереси і здібності учнів. За своїми організаційними принципами вони займають проміжне положення між обов'язковими уроками і заняттями в гуртках. Необов'язковість вибору даного факультативного курсу – риса, що об'єднує факультатив з гуртком. Рисою схожості із заняттями з вивчення обов'язкового курсу є існування єдиних програм, якими визначається тематика факультативів.

На факультативі заняття організуються за інтересами учнів. На цій підставі іноді висловлюється пропозиція не розрізняти гурток і факультатив. Проте при спільності завдань (розвиток інтересів і здібностей учнів) факультатив відрізняється від гуртка систематичністю навчання за певною програмою [2].

Мета поглиблення знань, розвитку інтересів і здібностей учнів, їх професійної орієнтації існувала і до введення факультативних занять в практику роботи школи. Для їх вирішення застосовувалися (і застосовуються донині) різні форми і методи роботи на уроках, в позакласній і індивідуальній роботі з учнями. Позитивний досвід, накопичений школою в рішенні цих задач, повинен бути можливо повніше використаний в практиці проведення факультативних занять.

Одним із завдань факультативних занять є формування потреби до продовження навчання при будь-якому виборі подальшого життєвого шляху. При пошуках різних форм і методів розвитку інтересу до фізики не слід забувати, що значна частина учнів старших класів записується на факультатив, переслідуючи практичну мету – підготовку до вступу до ВНЗ. Знехтувати цим фактом не можна, проте розглядати факультатив як підготовчі курси до складання іспитів до ВНЗ було б в принципі неправильно. Факультатив повинен дати можливо повніше уявлення про фізику як науку, про методи дослідження у фізиці, про можливі шляхи використання фізичних знань в сучасній техніці.

Для надання допомоги учасникам факультативу у виборі професії потрібно знайомити їх не тільки з тими труднощами, які зустрінуться на іспиті під час вступу до ВНЗ, але і з особливостями системи навчання в інституті, важкими і привабливими сторонами діяльності в роботі фахівців після закінчення ВНЗ. У старших класах викладання нового матеріалу вчителем на факультативі може наближатися до форми вузівської лекції, а замість досвіду учнів можна використовувати систему семінарських занять. Звичайно, при цьому слід враховувати вікові особливості учнів і не намагатися упровадити в школу буквально методи роботи вищих навчальних закладів.

Практика показує, що навіть при вдалому виборі теми лекції, інтерес учнів 10-11 класів різко падає, якщо її тривалість перевищує одну годину, утомливими виявляються і двогодинні семінари. Тому необхідно зробити різноманітними форми роботи впродовж двогодинного заняття. Наприклад, заняття може починатися півгодинною або годинною лекцією вчителя, потім продовжуватися у формі семінару або практикуму за рішенням завдань і завершуватися виконанням фронтальної лабораторної роботи або експериментального завдання [2].

1.9 Семінарські заняття

Семінарські заняття — обговорення класним колективом підготовлених учнями доповідей, рефератів, повідомлень, головних питань з основного розділу (чи кількох розділів).

Семінари сприяють формуванню вміння самостійно засвоювати знання, аналізувати, синтезувати, абстрагувати, конкретизувати, узагальнювати, розвивають увагу, мислення, інтерес до навчального предмета. Проводять їх здебільшого у старших класах. У них беруть участь всі учні класу. Семінари складаються з двох взаємопов'язаних ланок — самостійного вивчення учнями матеріалу та обговорення результатів їх самостійної пізнавальної діяльності.

Учитель заздалегідь визначає тему, мету і завдання семінару, формулює основні та додаткові питання, розподіляє завдання між учнями з урахуванням їх індивідуальних можливостей, добирає літературу, проводить групові й індивідуальні консультації, перевіряє конспекти. Результати самостійної роботи учні подають у вигляді плану чи тез виступу, конспекту основних джерел, доповіді чи реферату. Обговорення відбувається у формі розгорнутої бесіди (переважно евристичної), повідомлення, коментованого читання першоджерел чи доповідей.

Заняття розпочинається вступним словом учителя, в якому він нагадує завдання семінару, порядок його проведення, рекомендує, на що необхідно звертати увагу, що слід записати в робочий зошит.

Семінарські заняття поділяють на підготовчі (просемінарські), власне семінарські заняття (9 —11 клас), міжпредметні семінари-конференції.

Просемінарське заняття є перехідною формою організації пізнавальної діяльності учнів: від уроку, через практичні й лабораторні заняття, в структурі яких є окремі компоненти семінарської роботи, до власне семінарів. За навчальною метою їх поділяють на семінари-повторення та систематизації знань, умінь і навичок; семінари вивчення нового матеріалу; комбіновані (змішані) семінари. Кожна з цих груп поділяється на семінари-бесіди, семінари-обговорення, комбіновані семінари. Перша група просемінарських занять за структурою, способом проведення мало чим відрізняється від звичайних уроків, наступні більш наближені до семінарів.

Власне семінарські заняття проводять у IX—X класах. За дидактичною метою виділяють: семінари вивчення нового матеріалу, семінари узагальненого повторення, комбіновані; за способом проведення: розгорнуті бесіди, коментоване читання, доповіді та повідомлення, вирішення завдань, комбіновані семінари.

Методична особливість семінару-розгорнутої бесіди полягає в тому, що його тему поділяють на невеликі за обсягом, органічно пов'язані між собою, питання, вирішення одного з яких веде до вирішення наступного. Бесіда починається з постановки питання. Після закінчення виступу доповідача учаснику ставлять додаткові питання, за необхідності учитель надає можливість бажаючим доповнити відповідь товариша. Завдяки цьому бесіда з одним учнем поступово переходить у бесіду з усім класом.

Семінар-доповідь покликаний розкрити певну проблему у вигляді тез та аргументів. Перед його проведенням учитель визначає опонентів, рекомендує учням літературу за темою, допомагає скласти план і тези виступу. Доповідач послідовно викладає свої думки, аргументує їх фактами, ілюструє прикладами. Схожі за змістом на семінар-доповідь семінарські заняття, на яких обговорюються реферати і творчі письмові роботи учнів. Учитель організовує взаєморецензування письмових робіт, знайомиться з роботами і рецензіями на них, відбирає найбільш вдалі роботи для обговорення на занятті.

Головне завдання коментованого читання — навчити учнів глибоко розуміти, аналізувати і правильно тлумачити текст. Учитель на конкретних прикладах демонструє учням, як правильно коментувати, уникаючи помилок.

Семінар-вирішення завдань проводять після засвоєння учнями матеріалу з певної теми чи розділу. Учитель заздалегідь дає учням декілька завдань (з неповними чи зайвими даними) для самостійного вирішення, список необхідної літератури. На семінарі учні аналізують правильні та неправильні, вдалі й невдалі рішення.

Семінар-диспут є проміжним видом між семінаром-розгорнутою бесідою та семінаром-доповіддю. Нова інформація засвоюється в процесі обговорення протилежних поглядів. На консультації учитель дає питання, в яких повинні бути явні чи приховані протиріччя. Це спонукає учнів думати, сперечатися, обстоювати власну точку зору. Учитель спрямовує думки учнів за допомогою питань, доброзичливих реплік, конкретних зауважень, логічних міркувань, переконує у правильності чи помилковості їх суджень.

Міжпредметний семінар є найскладнішим типом шкільного семінару, головне завдання якого — забезпечити усвідомлення учнями міжпредметних зв'язків, систематизувати знання, вміння, навички, підбити підсумки роботи. Відрізняється від звичайних семінарських занять масштабністю проблем, запропонованих для обговорення, узагальненням та систематизацією навчального матеріалу з різних предметів. Міжпредметний семінар проводить учитель предмета, питання якого є стрижневими у проблематиці заняття.

1.10 Гуртки

Однією з найскладніших і найпоширеніших групових форм організації позаурочної роботи є фізичні гуртки.

Організації гуртка повинна передувати велика підготовча робота. Суть її полягає в тому, що учнів інформують про майбутній гурток, основні напрями його роботи. Для цього використовуються не тільки шкільні засоби інформації, а й індивідуальні та групові бесіди з учнями. Великий ефект дає проблемна організація навчальної роботи з фізики, коли на уроці вчитель аналізує ту чи іншу проблему і пропонує знайти її розв'язання на заняттях гуртка.

Фізичні гуртки можуть мати різні спрямування в залежності від підготовки і власних уподобань учителя, який вестиме цей гурток, а також від початкових інтересів і побажань учнів.

У залежності від тематики роботи гуртки можуть бути:

1. Теоретичні (історія фізики, розгляд певних теоретичних питань фізики, розв'язування задач).

2. Фізико-технічні (моделювання, радіотехнічні, авіамодельні і т.п.).

3. Експериментальні (конструювання фізичних приладів, проведення фізичних дослідів і досліджень).

4. Комплексні (загальнофізичні).

Після вивчення тематики гуртка і належної агітаційної роботи проводиться організаційне засідання, на якому затверджується план роботи, обираються керівні органи гуртка (староста, редколегія, завгосп). Практика показує, що оптимальною кількістю членів гуртка буде 10-15 чоловік. Якщо ж запишеться більша кількість, то це не може служити причиною для пере набору учнів.

На першому занятті з'ясовується розпорядок роботи гуртка, учні вибирають запропоновані вчителем завдання для індивідуальної роботи. Якщо гурток об'єднує учнів різних вікових груп і з різним гуртковим стажем, то доцільно створити невеликі бригади по 2-3 чоловіка на чолі зі старшим і більш досвідченим учнем. Цим досягається взаємонавчання і обмін досвідом.

Робота планується таким чином, щоб теоретичні заняття чергувалися з практичними. Результати роботи висвітлюються на спеціальних залікових заходах: виставках, вечорах, конференціях.

У окремих випадках організовуються творчі групи. Вони комплектуються з добре підготовлених учнів, які об'єднуються спільним інтересом в певній галузі фізики. Такі групи дають можливість ефективно готувати майбутніх учасників олімпіад різних рівнів. Творчі групи є, також, важливою організаційною формою роботи МАН (Малої Академії наук).

2 ЕЛЕМЕНТИ НАВЧАЛЬНОГО ПОСІБНИКА

Вчитель повинен активізувати мотивацію учнів до вивчання фізики. Найкращим способом мотивації є надання дітям тієї інформації, яка їм буде цікава, тому вчителю потрібно з’ясувати, що саме може зацікавити дітей.

У вік глобальної комп’ютеризації та Інтернету, комп’ютер стає невід’ємною частиною повсякденного життя кожної людини, особливо більш молодше покоління. Якщо розглянути окремі складові частини такої електронної техніки, як сучасна електронно-обчислювальна машина, то можна спробувати роз’яснити учням фізичні принципи роботи цих елементів та фізичні явища, які можна спостерігати при їх роботі.

Викладаючи за програмою матеріал з фізики, вчитель повинен:

1.         якісно викладати матеріал;

2.         пояснювати практичну та пізнавально-розвиваючу сторону цього предмету на уроках;

3.         займатися розвитком учнів під час позакласних занять.

Зараз спостерігається тенденція зменшення годин викладання фізики у школі при зростанні об’єму матеріалу, який учень повинен засвоїти, тому вирішенням проблеми розвиваючої складової навчання може стати саме позаурочна робота з фізики.

Серед усіх видів позакласної роботи з учнями, найкращим до засвоєння цікавого матеріалу підходять факультативні заняття з фізики та заняття в гуртках. Для проведення позаурочних занять з фізики можна використати науково-популярний матеріал, щодо будови і принципу роботи окремих частин комп’ютерної техніки, та пояснити їх роботу за допомогою фізики. Для цього вчителеві необхідно зібрати та систематизувати цікавий, добре підібраний матеріал, який можна використовувати на позаурочних заняттях. Цей матеріал повинен йти як логічне завершення викладання основного курсу фізики; це залежить від відведеного часу для проведення позаурочних занять та, насамперед, майстерності вчителя. Такий підхід навчання та загального розвитку учнів також сприятиме їх самостійній роботі з науково-популярною літературою.

2.1 Дисплеї

 

2.1.1 Дисплей електронно-променевий

ДЕП (рис. 2.1) містить: три електронні пушки, що емітують три променя електронів; котушку, що відхиляє промені в горизонтальному і вертикальному напрямках; маску для точного попадання променів у потрібні точки екрана; екран, що складається з «пікселів» (точок). Піксель містить три елементи, кожний з яких під впливом променя світиться червоним, жовтим і зеленим кольором.

Рисунок 2.1 – Принципова схема електронно-променевого дисплея

ДЕП (рис. 2.1) містить: три електронні пушки, що емітують три променя електронів; котушку, що відхиляє промені в горизонтальному і вертикальному напрямках; маску для точного попадання променів у потрібні точки екрана; екран, що складається з «пікселів» (точок). Піксель містить три елементи, кожний з яких під впливом променя світиться червоним, жовтим і зеленим кольором.

Принцип дії: комп'ютер управляє інтенсивністю електронних променів, що потрапляють на кожен піксель. Залежно від інтенсивності кожного з кольорів сумарний колір пікселя може мати 16 мільйонів градацій.

Характеристики: Розподіл — кількість пікселів на екрані по горизонталі і по вертикалі. В даний час від 640/480 до 2048/1536. Крок пікселя — відстань між пікселями по горизонталі і по вертикалі. Залежно від розподілу і розміру екрана від 0,14 до 0,67 мм [9].

2.1.2 Дисплей плоский

Відомо декілька типів: на світлодіодах, плазмові, люмінесцентні, рідкокристалічні (РК). Розглядається тільки останній тип як найпоширеніший – РК (рис. 2.2).

Призначення: те ж, що і ДЕП – представляти зображення у вигляді, що сприймається зором (рис. 2.3) .

Рисунок 2.2 – Принцип дії рідкого кристалу

Рисунок 2.3 – Схема роботи рідкокристалічного дисплея

Принцип дії: комп'ютер подає напруги на пари електродів тих РК (рис. 2.4), які повинні стати прозорими. В результаті на екрані утворюється зображення з вибраних пікселів вибраного кольору [9].

 

Рисунок 2.4 – Схема розташування пікселя на дисплеї

Характеристики: роздільна здатність — кількість пікселів на екрані по горизонталі і по вертикалі. В даний час від 1024/768 до 1600/1200.

Особливості: дорогі (у 2-3 рази дорожче ДЕП); власне дисплей споживає мало енергії, але потрібне підсвічування, що вимагає значної потужності; критичні до температури: не функціонують при  .

Погрішності дисплеїв (див. табл. 2.1) обумовлені принципом створення зображення точками (пікселями). Значення інструментальної погрішності при представленні результату вимірювання графічно дорівнює значенню пікселя. Абсолютна погрішність дорівнює кроку пікселя, відносна – величина, зворотна розподілу.

Наприклад. При роздільній здатності 640/480 по горизонталі  , по вертикалі  [9].

Таблиця 2.1 – Співвідношення наведених погрішностей комп'ютерних вимірювань для дисплея

Дисплей
Роздільна здатність, піксель	Погрішність g, %
640	0,15
800	0,12
1280	0,08

2.2 Процесори

Процесор в сучасному комп'ютері часто виступає синонімом всього ПК. На питання: «Який у вас комп'ютер?» з очевидністю йде відповідь – «четвертий Pentium» або «Athlon 64», частота така-то... До речі, такому відношенню до ЦП немало сприяла кампанія Intel Inside, що почалася ще в 1993 році.

Центральний процесор – вінець технологічних досягнень людини. З простої жмені піску люди навчилися створювати кристали (рис. 2.5) розміром з ніготь, здатні виконувати мільярди обчислень за секунду. Не дивлячись на складність архітектури самого процесора, він складається з простої «цегли» – транзисторів, своєрідних перемикачів. Працює транзистор так: якщо на замикаючому затворі немає напруги, елемент не проводить струм. Коли ж напруга до затвора прикладається, транзистор «відкривається» і сам стає провідним. А далі їх починають комбінувати: адже транзистор, що «відкрився», здатний пропустити струм до затвора іншого транзистора і, у свою чергу, вплинути на його поведінку. Такі комбінації ускладнюються, а з елементарних поєднань будуються величезні блоки. Ускладнюється і їх поведінка. У сучасних процесорах присутні сотні мільйонів транзисторів, що працюють в тісному зв'язку один з одним. Далі ми зупинимося на ключових особливостях процесорів, які визначають їх швидкість і можливості [7].

Рисунок 2.5 – Зовнішній вигляд пластини кристалу з нанесеною на нього літографією

2.2.1 Техпроцес

Ми спеціально згадали про транзистори, оскільки вони пов'язані з важливою характеристикою процесора – так званим «технічним процесом». Він має розмірність довжини і вимірюється в нанометрах (на даний момент – 130,90 або 65 нм). А щоб зрозуміти, звідки він береться, давайте подивимося, як з'являється на світ окремо взятий процесор.

Спочатку з кремнієвого піску вирощують циліндричний кристал з діаметром основи 20-30 см і розрізають його на тонкі круглі пластини – вони стануть основою для майбутніх процесорів. Пластини полірують, а потім за допомогою фотолітографії наносять на них транзистори і інші компоненти. На кожній пластинці розміщується декілька сотень процесорів. Потім їх вирізають, наносять шари алюмінієвих або мідних з'єднань, що зв'язують транзистори і ділянки кристала. Нарешті, «насаджують» готовий процесор на упаковку, тестують і продають.

Протягом багатьох років технологи провідних фірм працювали над тим, щоб зменшити розмір транзисторів. Адже чим він менший, тим, взагалі кажучи, краще. Транзистор меншого розміру вимагає меншої напруги, знижуючи споживання енергії. Чим менше транзистори, тим більше їх можна розташувати на поверхні кристала. Нарешті, процесори, створені на транзисторах менших розмірів, краще розганяються. Така важлива величина не могла не отримати окремої назви. Власне, техпроцес – це і є характерний розмір одного транзистора.

Це цікаво: спочатку зменшення техпроцесу йшло досить успішно. Удосконалювалися технології вирощування кристалів, досягався вищий клас поліровки, все більш ускладнювалося устаткування фотолітографії. Але незабаром компанії-виробники зіткнулися з тим, що впритул підійшли до обмежень самого матеріалу: як-не-як, комірка кристалічної решітки має свій розмір, яким вже давно не можна нехтувати. Так, при 90-нанометровому техпроцесі затвор транзистора складається всього з п'яти атомних шарів діелектрика (SiO), а при 65-нанометровому – з трьох-чотирьох. Далі зменшувати нікуди: ніякий діелектрик не в силах запобігти тунелювання електронів крізь такий тонкий бар'єр. Кремній відпрацював своє. Можна з упевненістю сказати, що наступні планки – 45 і 30 нм – можна буде здійснити з використанням інших матеріалів. Силікат нікелю? Вуглецеві нанотрубки? Поживемо – побачимо [7].

2.2.2 Розмір КЕШа

Схематично уявити собі роботу процесора досить просто. Він прочитує дані з пам'яті, обробляє їх і записує назад в пам'ять. Все! Швидкість другого етапу залежить від архітектури процесора, а ось перший і третій етапи – від продуктивності пам'яті. І тут проблеми є. У 80-х роках минулого століття процесори були відносно повільними, і пам'ять встигала їх обслуговувати. З часом швидкість ЦП стрімко росла, тоді як пам'ять розвивалася помітно повільніше. А якщо так, то який сенс у потужному процесорі, якщо він своєчасно не отримуватиме дані?

Для розв’язання проблеми додали швидкісну пам'ять, яка відіграє роль буфера між процесором і оперативною пам'яттю, – кеш-пам'ять. Вона застосовується для зберігання найбільш часто використовуваних даних, щоб скоротити число повторних звернень до «повільної» пам'яті. Кеш ділиться на декілька рівнів, але найчастіше доводиться стикатися з кешем другого рівня (L2). У найпростіших процесорів він складає 128-256 кбайт, у потужніших – 1-2 Мбайт.

2.2.3 Тактова частота

Раніше, вибираючи процесор, користувачі звертали увагу лише на частоту. І, загалом, цілком закономірно – до недавнього часу саме вона в першу чергу визначала швидкість роботи всієї системи. За останні десять років цей параметр виріс з 100 МГц до 3,8 ГГц. Чим вище тактова частота, тим швидше перемикаються транзистори, тим більше обчислень виконує процесор за одиницю часу. Оборотна сторона медалі – більше виділення тепла.

Ми звикли вважати, що чим вище частота процесора, тим краще. Intel засвоїла урок і випустила Pentium 4. Його архітектура була «заточена» під можливість збільшення частот до немислимих раніше величин. Але в 2005 році компанія відійшла від минулих гасел...

Причин тому велика кількість, адже продуктивність можна збільшити не тільки шляхом нарощування частот, є і інші шляхи. Розширити кеш-пам'ять, функціональні блоки, інструкції, удосконалити архітектуру. А ось з останнім були проблеми. Архітектура NetBurst опинилася не такою ефективною в плані продуктивності. За один такт Pentium 4 виконує менше роботи, чим Athlon 64. Саме тому сьогодні 2-гігагерцовий Athlon легко перемагає 3-гігагерцовий Pentium. Порівнювати Athlon і Pentium за тактовою частотою вже безглуздо.

Щоб було простіше орієнтуватися в моделях, AMD застосувала систему рейтингів (іноді це називалося «пентіум-рейтингом», як би гіпотетичною продуктивністю процесора Pentium аналогічної частоти). Наприклад, при рейтингу 4000+ фактична частота Athlon'a складає 2,4 ГГц.

Що ж до Intel, то після переходу на 90-нм техпроцес компанія не змогла далі підвищувати частоту. У результаті про випуск 4-ГГц процесора довелося забути, заразом звернути програму рекламування мегагерц, і ввести... модельні номери, як AMD зробила декількома роками раніше.

Вибравши архітектуру (Pentium 4/D або Athlon 64/64 Х2), залишається визначитися з частотою. Тут важливо мати на увазі, що приріст продуктивності не прямо пропорційний зростанню частоти, а декілька менше. Порівняємо, допустимо, процесори Pentium 4 630 (3,0 ГГц) і Pentium 4 660 (3,6 ГГц). Вибравши другий замість першого, ви отримаєте збільшення частоти всього на 20 %, а приріст продуктивності і того менше – 5-15 %! Зате заплатите удвічі більше. Чи треба? На наш погляд, нетреба: набагато важливіше підібрати потужнішу відеокарту або зайвий гігабайт пам'яті [7].

До уваги: висока тактова частота потрібна при кодуванні звуку і відео в реальному часі, частково в іграх. Для офісних програм, фільмів і музики цей показник на сьогоднішній день практично не грає ролі. Комп'ютер буде лише даремно споживати енергію. Для вирішення цієї проблеми навіть існують технології, що динамічно знижують частоту і напругу при низьких навантаженнях. У AMD технологія називається Cool'n'Quiet і здатна зменшувати частоту до 1 ГГц, у Intel є SpeedStep, але частоту вона зменшує всього до 2,8 ГГц.

2.2.4 Два ядра і Hyper-Threading

Якщо частота – це не «наше все», то як ще можна збільшувати продуктивність? Найкардинальнішим рішенням виявилося збільшення числа ядер. Купивши двоядерний процесор, ми отримуємо два процесори в одному комп'ютері. Intel’овська технологія Hyper-Threading працювала схожим чином.

Два процесори в комп'ютері – ідея не нова, але тільки в 2005 році ми отримали подібні продукти. В принципі, всі переваги і недоліки традиційних двопроцесорних систем перенеслися і на двоядерні.

Почнемо з багатозадачності. Сучасні операційні системи підтримують роботу декількох програм. Як це забезпечується? Адже ЦП може виконувати тільки одну програму цієї миті. Все просто: програми виконуються по черзі. Якщо ви граєте, а у фоні працює антивірус, то гра непомітно, але постійно переривається, щоб процесор обробив і інше завдання. При цьому швидкість падає, відгук теж. Перехід на два процесори вирішує проблему: система здатна виконувати дві програми одночасно, не в режимі імітації багатозадачності, а фізично.

З програмою чітко асоціюється потік коду. Традиційно він один у кожній програмі. Тому хай в системі буде хоч двадцять процесорів, потік все одно зможе використовувати тільки один з них. При такому розкладі приросту швидкості не отримати. Інша справа, якщо програма розбиває себе на декілька потоків. У такому разі кожен потік оброблятиме окремий ЦП.

Виникає резонне питання: які програми сьогодні підтримують багатопоточність? Їх немало, кількість тільки росте: Adobe Photoshop CS 2, ABBYY FineReader 9.0, 3D Studio Max 8, кодер DIVX, кодер Windows Media Encoder 9 і тощо. У іграх теж є приклади: «Периметр», Peter Jackson's King Kong [7].

 

2.2.5 NX/XD-BIT. Набори інструкцій

Випускаючи нові процесори (рис. 2.6), виробники зазвичай прагнуть ввести якомога більше нових функцій. Одні в міру корисні, інші, як повелося, в міру непотрібні...

Почнемо з NX/XD-bit (AMD/Intel). У пам'яті є ділянки з кодом і даними. Деякі шкідливі програми використовували «дірки» в системі, створюючи переповнювання буфера. Зрозуміти ідею просто: чаша розрахована на літр рідини, а вливають туди два літри. Ясна річ, що половина води вийде за вінця, але вся, так або інакше, пройде через чашу. Також і у процесора – після переповнювання буфера процесор покірно обробить все. Апаратна підтримка NX/XD-bit прикриває цей пролом. Але якщо ваш антивірус справляється з роботою, то від цієї функції – ані гаряче, ані холодно.

Далі по списку 64-бітові обчислення. Ви можете поставити Windows XP Professional х64 Edition, але знайти спеціальне ПЗ і потрібні версії драйверів буде складно. Навіть якщо все пройде вдало, особливого зростання продуктивності чекати не доводиться. Єдиний плюс такого переходу – підтримка більшого об'єму оперативної пам'яті. Тут ви не обмежені 2 гігабайтами.

Нарешті, набори інструкцій. Вони покликані збільшити швидкість обчислень, але за умови їх підтримки з боку ПЗ. Ще давно Intel розробила ММХ, далі були SSE, SSE2 і SSE3. AMD адаптувала ММХ, але потім вирішила піти своїм шляхом, запропонувавши 3DNow!

Шлях виявився не дуже вдалим, так що сьогодні майже всі їх процесори підтримують SSE/SSE2 і навіть SSE3. Користь від інструкцій є, але вони не визначають продуктивність ЦП в цілому [7].

Рисунок 2.6 – Зовнішній вигляд процесора

2.2.6 Вибір процесора

По-перше, ми не рекомендуємо вам брати зовсім вже дешеві моделі. Процесори серії Celeron і Sempron націлені на офісні ПК. Вони урізані по частоті шини, по функціях, об'єму кеш-пам'яті – все це сильно б'є по продуктивності, особливо в іграх і «важких» програмах.

А зараз – сакраментальне питання. AMD або Intel? Питання тут не в якості – обидві компанії випускають цілком якісну продукцію. А ось продуктивність... Доводиться визнати, що Intel поступово здає позиції, і лідерство Athlon 64 на даний момент не викликає сумнівів. Особливо – в ігровому плані. До того ж процесори Athlon споживають менше енергії, а технологія Cool'n'Quiet дозволяє ефективніше її економити. Складніший вибір – узяти два ядра або одне? Перші дорожче, але, з іншого боку, зараз вже повним ходом з'являються ігри і програми, оптимізовані під багатоядерні процесори.

Спочатку розглянемо одноядерні лінійки. AMD випускає Athlon 64 для Socket 939 і Socket 754. Другий варіант ми не рекомендуємо: заощадивши копійки, ви отримаєте модель з одноканальним контролером пам'яті і меншою продуктивністю.

Розглянемо процесори Intel. Ця компанія у свою чергу пропонує дві лінійки Pentium 4 - 5хх і 6хх. Основна відмінність між ними – розмір кеша (1 Мбайт проти 2 Мбайт). У плані продуктивності «шоста» серія помітно краще, причому різниці цін між ними практично немає. Отже, якщо ви віддаєте перевагу процесорам Intel, оптимальним вибором стане Pentium 4 630. Старша версія з індексом 670 обійдеться набагато дорожче, а зайві 800 МГц нікого не рятують.

Ситуація з двоядерними моделями не менш цікава. Якщо AMD пропонує досить дорогі, зате продуктивні Athlon 64 Х2, то Intel узяла на озброєння іншу стратегію, випустивши лінійку простеньких двоядерних процесорів Pentium D серій 8хх і 9хх. Остання краще, оскільки у неї вдалося понизити споживання енергії, а різниці в цінах при однаковій частоті немає.

Особливо дорогі процесори – Athlon 64 FX і Pentium Extreme Edition. Їх суть не в тому, щоб бути процесорами, а в тому, щоб коштувати по тисячі доларів. На практиці вони не особливо потужніші за старші версії Athlon 64/64 Х2 і Pentium 4/D. Переплата йде за «ексклюзивність» і трохи більшу частоту [7].

2.3 Флеш-пам’ять

Технологія флеш-пам’яті з'явилася близько 20-ти років тому. Наприкінці 80-х років минулого сторіччя флеш-пам’ять почали використовувати як альтернативу UV-EPROM. З цього часу інтерес до флеш-пам’яті з кожним роком неухильно зростає. Увага, яка приділяється флеш-пам'яті, цілком зрозуміла – адже це сегмент напівпровідникового ринку, який найбільш швидко зростає. Щорічно ринок флеш-пам’яті зростає більш ніж на 15 %, що перевищує сумарне зростання всієї решти напівпровідникової індустрії.

Сьогодні флеш-пам’ять можна знайти в самих різних цифрових пристроях. Її використовують як носій мікропрограм для мікроконтролерів HDD і CD-ROM, для зберігання BIOS в ПК. Флеш-пам’ять використовують в принтерах, КПК, відеоплатах, роутерах, брандмауерах, стільникових телефонах, електронних годинниках, записниках, телевізорах, кондиціонерах, мікрохвильових печах і пральних машинах... список можна продовжувати нескінченно. А останніми роками флеш стає основним типом змінної пам'яті, використовуваної в цифрових мультимедійних пристроях, таких як mp3-плеєри і ігрові приставки. А все це стало можливим завдяки створенню компактних і потужних процесорів. Проте при покупці якого-небудь пристрою, що поміщається в кишені, не варто орієнтуватися лише на процесорну потужність, оскільки в списку пріоритетів вона стоїть далеко не на першому місці.

Почалося це в 1997 році, коли флеш-карти вперше стали використовувати в цифрових фотокамерах.

При виборі портативних пристроїв найважливішим є час автономної роботи при розумних масі і розмірах елемента живлення. Багато залежить від пам'яті, яка визначає об'єм збереженого матеріалу, і тривалість роботи без заряджання акумуляторів. Можливість зберігання інформації в кишенькових пристроях обмежується скромними енергоресурсами. Пам'ять, звичайно використовувана в ОЗП комп'ютерів, вимагає постійної подачі напруги. Дискові накопичувачі можуть зберігати інформацію і без безперервної подачі електрики, зате при записі і зчитуванні даних витрачають її за трьох. Гарним рішенням проблеми виявилася флеш-пам’ять, що не розряджається довільно. Носії на її основі називаються твердотільними, оскільки не мають рухомих частин. На жаль, флеш-пам’ять – коштовне задоволення: середня вартість її мегабайта складає 2 долари, що у вісім разів вище, ніж у SDRAM, не кажучи вже про жорсткі диски. А ось відсутність рухомих частин підвищує надійність флеш-пам’яті: стандартні робочі перевантаження дорівнюють 15 g, а короткочасні можуть досягати 2000 g, тобто теоретично карта повинна чудово працювати при максимально можливих космічних перевантаженнях, і витримати падіння з триметрової висоти. Причому в таких умовах гарантується функціонування карти до 100 років.

Багато виробників обчислювальної техніки бачать пам'ять майбутнього виключно твердотільною. Внаслідок цього відбувається практично одночасна поява на ринку комплектуючих декількох стандартів флеш-пам’яті.

2.3.1 Що таке flash-пам'ять?

Флеш-пам’ять – особливий вид енергонезалежної перезаписуваної напівпровідникової пам'яті.

Енергонезалежна – що не вимагає додаткової енергії для зберігання даних (енергія потрібна тільки для запису).

Перезаписувана – що допускає зміну (перезапис) даних, що зберігаються в ній.

Напівпровідникова (твердотільна) – що не містить механічно рухомих частин (як звичайні жорсткі диски або CD), побудована на основі інтегральних мікросхем (IC—Chip).

На відміну від багатьох інших типів напівпровідникової пам'яті, елемент флеш-пам’яті не містить конденсаторів – типовий елемент флеш-пам’яті складається всього лише з одного транзистора особливої архітектури. Елемент флеш-пам’яті чудово масштабується, що досягається не тільки завдяки успіхам в мініатюризації розмірів транзисторів, але і завдяки конструктивним знахідкам, що дозволяють в одному елементі флеш-пам’яті зберігати декілька біт інформації. Флеш-пам’ять історично походить від ROM (Read Only Memory) пам'яті, і функціонує подібно до RAM (Random Access Memory). Дані флеш зберігає в елементах пам'яті, схожих на елементи в DRAM. На відміну від DRAM, при відключенні живлення дані з флеш-пам’яті не зникають. Заміни пам'яті SRAM і DRAM флеш-пам'яттю не відбувається через дві особливості флеш-пам’яті: флеш працює досить повільно і має обмеження за кількістю циклів перезапису (від 10.000 до 1.000.000 для різних типів). Інформація, записана на флеш-пам’ять, може зберігатися дуже тривалий час (від 20 до 100 років), і здатна витримувати значні механічні навантаження (які у 5-10 разів перевищують гранично допустимі для звичайних жорстких дисків). Основна перевага флеш-пам’яті над жорсткими дисками і носіями CD-ROM полягає в тому, що флеш-пам’ять споживає значно (приблизно у 10-20 і більше разів) менше енергії під час роботи. У пристроях CD-ROM, жорстких дисках, касетах і інших механічних носіях інформації, велика частина енергії йде на приведення в рух механіки цих пристроїв. Крім того, флеш-пам’ять є більш компактною за більшість інших механічних носіїв. Флеш-пам’ять історично з’явилася від напівпровідникового ROM, проте ROM-пам'яттю не є, а всього лише має схожу на ROM організацію. Безліч джерел (як вітчизняних, так і зарубіжних) часто помилково відносять флеш-пам’ять до ROM. Флеш ніяк не може бути ROM хоч би тому, що ROM (Read Only Memory) переводиться як "пам'ять тільки для читання". Ні про яку можливість перезапису в ROM мови бути не може! Невелика, з початку, неточність не звертала на себе уваги, проте з розвитком технологій, коли флеш-пам’ять стала витримувати до 1 мільйона циклів перезапису, і стала використовуватися як накопичувач загального призначення, цей недолік в класифікації почав впадати в очі. Серед напівпровідникової пам'яті тільки два типи відносяться до "чистого" ROM – це Mask-ROM і PROM. На відміну від них, EPROM, EEPROM і Flash відносяться до класу енергонезалежної перезаписуваної пам'яті (англійський еквівалент – nonvolatile read-write memory, або NVRWM).

2.3.2 ROM

ROM (Read Only Memory) – пам'ять тільки для читання. Український еквівалент – ПЗП (Постійно Запам'ятовуючий Пристрій). Якщо бути зовсім точним, даний вид пам'яті називається Mask-ROM (Масочні ПЗП). Пам'ять побудована у вигляді масиву елементів (матриці), що адресуються, кожен елемент якого може кодувати одиницю інформації. Дані на ROM записувалися під час виробництва шляхом нанесення за маскою (звідси і назва) алюмінієвих з’єднувальних доріжок літографічним способом. Наявність або відсутність у відповідному місці такої доріжки кодувала "0" або "1". Mask-ROM відрізняється складністю модифікації вмісту (тільки шляхом виготовлення нових мікросхем), а також тривалістю виробничого циклу (4-8 тижнів). А також у зв'язку з тим, що сучасне програмне забезпечення часто має багато недоробок і часто вимагає оновлення, даний тип пам'яті не набув широкого поширення.

Переваги:

- Низька вартість готової запрограмованої мікросхеми (при великих об'ємах виробництва).

- Висока швидкість доступу до елемента пам'яті.

- Висока надійність готової мікросхеми і стійкість до електромагнітних полів.

Недоліки:

- Неможливість записувати і модифікувати дані після виготовлення.

- Складний виробничий цикл.

PROM – Programmable ROM, або одноразово Програмовані ПЗП. Як елементи пам'яті в даному типі пам'яті використовувалися плавкі перемички. На відміну від Mask-ROM, в PROM з'явилася можливість кодувати ("перепалювати") елементи за наявності спеціального пристрою для запису (програматора). Програмування елемента в PROM здійснюється руйнуванням ("пропаленням") плавкої перемички шляхом подачі струму високої напруги.

Можливість самостійного запису інформації в них зробило їх придатними для штучного і дрібносерійного виробництва. PROM практично повністю вийшов з використання наприкінці 80-х років (рис. 2.7).

Рисунок 2.7 – Programmable ROM

Переваги:

- Висока надійність готової мікросхеми і стійкість до електромагнітних полів.

- Можливість програмувати готову мікросхему, що зручно для штучного і дрібносерійного виробництва.

- Висока швидкість доступу до елемента пам'яті.

Недоліки:

- Неможливість перезапису.

- Великий відсоток браку.

- Необхідність спеціального тривалого термічного тренування, без якого надійність зберігання даних була б невисокою.

2.3.3 NVRWM: EPROM

Різні джерела по-різному розшифровують абревіатуру EPROM – як Erasable Programmable ROM або як Electrically Programmable ROM (програмовані ПЗП, що можна стирати, або електрично програмовані ПЗП). Перед записом EPROM необхідно провести стирання (відповідно з'явилася можливість перезаписувати вміст пам'яті). Стирання елементів EPROM виконується відразу для всієї мікросхеми за допомогою опромінювання чіпа ультрафіолетовими або рентгенівськими променями протягом декількох хвилин. Мікросхеми, стирання яких проводиться шляхом засвічування ультрафіолетом, були розроблені Intel в 1971 році, і носять назву UV-EPROM (приставка UV (Ultraviolet) – ультрафіолет). Вони містять віконця з кварцового скла, які після закінчення процесу стирання заклеюють.

Переваги:

- Можливість перезаписувати вміст мікросхеми.

Недоліки:

- Невелика кількість циклів перезапису.

- Неможливість модифікації частини даних, що зберігаються.

- Висока вірогідність "не дотерти" (що зрештою приведе до збоїв) або перетримати мікросхему під УФ-світлом (т.з. overerase – ефект надмірного видалення, "перепалювання"), що може зменшити термін служби мікросхеми і навіть привести до її повної непридатності.

EEPROM (EEPROM або Electronically EPROM) – ППЗУ, які можна електрично витирати, були розроблені в 1979 році в тому ж Intel. У 1983 році вийшов перший 16Кбітний зразок, виготовлений на основі FLOTOX-транзисторів (Floating Gate Tunnel-OXide – "плаваючий" затвор з тунелюванням в оксиді).

Головною відмінною особливістю EEPROM та Flash від раніше розглянутих нами типів енергонезалежної пам'яті є можливість перепрограмування при підключенні до стандартної системної шини мікропроцесорного пристрою. У EEPROM з'явилася можливість проводити стирання окремого елемента за допомогою електричного струму. Для EEPROM стирання кожного елемента виконується автоматично при записі до нього нової інформації, тобто можна змінити дані в будь-якому елементі, не зачіпаючи інші. Процедура стирання звичайно є істотно довшою процедурою, ніж запис.

Переваги EEPROM в порівнянні з EPROM:

- Збільшений ресурс роботи.

- Простіше у використанні.

Недолік:

- Висока вартість Flash (повна історична назва Flash Erase EEPROM).

Винахід флеш-пам’яті часто несправедливо приписують Intel, називаючи при цьому 1988 рік. Насправді пам'ять вперше була розроблена компанією Toshiba в 1984 році, і вже наступного року було почате виробництво 256Кбіт мікросхем flash-пам'яті в промислових масштабах. У 1988 році Intel розробила власний варіант флеш-пам’яті.

У флеш-пам’яті використовується дещо відмінний від EEPROM тип елемента-транзистора. Технологічно флеш-пам’ять схожа як з EPROM так і з EEPROM. Основна відмінність флеш-пам’яті від EEPROM полягає в тому, що стирання вмісту елементів виконується або для всієї мікросхеми, або для певного блоку (кластера, кадру або сторінки). Звичайний розмір такого блоку складає 256 або 512 байт, проте в деяких видах флеш-пам’яті об'єм блоку може досягати 256КБ. Слід відмітити, що існують мікросхеми, що дозволяють працювати з блоками різних розмірів (для оптимізації швидкодії). Стирати можна як блок, так і вміст всієї мікросхеми відразу. Таким чином для того, щоб змінити один байт, спочатку в буфер зчитується увесь блок, де знаходиться байт, який підлягає зміні, стирається вміст блоку, змінюється значення байта в буфері, після чого проводиться запис зміненого в буфері блоку. Така схема істотно знижує швидкість запису невеликих об'ємів даних в довільні ділянки пам'яті, проте значно збільшує швидкодію при послідовному записі даних великими порціями.

Переваги флеш-пам’яті в порівнянні з EEPROM:

- Вища швидкість запису при послідовному доступі за рахунок того, що стирання інформації у флеш проводиться блоками.

- Собівартість виробництва флеш-пам’яті нижче за рахунок простішої організації.

Недолік: Повільний запис в довільні ділянки пам'яті.

  2.3.4 Організація flash-пам'яті

Елементи флеш-пам’яті бувають як на одному, так і на двох транзисторах.

У найпростішому випадку кожен елемент зберігає один біт інформації і складається з одного польового транзистора із спеціальною електрично- ізольованою ділянкою ("плаваючим" затвором – floating gate), здатною зберігати заряд багато років (рис. 2.8). Наявність або відсутність заряду кодує один біт інформації.

При запису заряд поміщається на плаваючий затвор одним з двох способів (залежить від типу елемента): методом інжекції "гарячих" електронів або методом тунелювання електронів. Стирання вмісту елемента (зняття заряду з "плаваючого" затвора) проводиться методом тунелювання.

Як правило, наявність заряду на транзисторі ідентифікується як логічний "0", а його відсутність – як логічна "1". Сучасна флеш-пам’ять звичайно виготовляється за 0,13- і 0,18-мікронним техпроцесом.

Рисунок 2.8 – Схема флеш-елемента

2.3.5 Загальний принцип роботи елемента флеш-пам’яті

Розглянемо простий елемент флеш-пам’яті на одному n-p-n транзисторі. Елементи подібного типу найчастіше застосовувалися в flash-пам'яті з NOR-архітектурою, а також в мікросхемах EPROM (рис.2.9). Поведінка транзистора залежить від кількості електронів на "плаваючому" затворі. "Плаваючий" затвор відіграє ту ж роль, що і конденсатор в DRAM, тобто зберігає запрограмоване значення. Поміщення заряду на "плаваючий" затвор в такому елементі проводиться методом інжекції "гарячих" електронів (CHE – channel hot electrons), а зняття заряду здійснюється методом квантомеханічного тунелювання Фаулера-Нордхейма (Fowler-Nordheim (FN)).

Під час зчитування, при відсутності заряду на "плаваючому" затворі, під впливом позитивного поля на затворі, що управляє, утворюється n-канал в підкладці між витоком і стоком, і виникає струм.

Рисунок 2.9 – Зчитування інформації flash-пам'яті з NOR-архітектурою

Наявність заряду на "плаваючому" затворі міняє вольт-амперні характеристики транзистора таким чином, що при звичайній для зчитування напрузі канал не з'являється, і струму між витоком і стоком не виникає (рис. 2.10).

Рисунок 2.10 – Ілюстрація неможливості зчитування інформації

При програмуванні (рис. 2.11) на стік і затвор, що керує, подається висока напруга (причому на затвор, що керує, напруга подається приблизно в два рази вище). "Гарячі" електрони з каналу інжектуються на плаваючий затвор і змінюють вольт-амперні характеристики транзистора. Такі електрони називають "гарячими" за те, що мають високу енергію, достатню для подолання потенціального бар'єру, створюваного тонкою плівкою діелектрика.

Рисунок 2.11 – Схема програмування елемента flash-пам'яті

При стиранні висока напруга подається на витік. На затвор, що керує, подається висока напруга з зарядом “-” (рис. 2.12). Електрони тунелюють на витік.

Рисунок 2.12 Схема стирання інформації з елемента flash-пам'яті

Ефект тунелювання – один з ефектів, що використовують хвильові властивості електрона. Сам ефект полягає в подоланні електроном потенціального бар'єру малої "товщини". Для наочності уявимо собі структуру, що складається з двох провідних ділянок, розділених тонким шаром діелектрика (збіднена ділянка). Подолати цей шар звичайним чином електрон не може – не вистачає енергії. Але при створенні певних умов (відповідна напруга і т.п.) електрон проскакує шар діелектрика (тунелює крізь нього), створюючи струм.

Важливо відмітити, що при тунелюванні електрон з’являється "по інший бік", не проходячи крізь діелектрик. Така ось "телепортація".

Відмінність методів тунелювання Фаулера-Нордхейма (FN) і методу інжекції "гарячих" електронів:

- Channel FN tunneling – не вимагає великої напруги. Елементи, що використовують FN, можуть бути менше елементів, що використовують CHE.

- CHE injection (CHEI) – вимагає вищої напруги, в порівнянні з FN. Таким чином, для роботи пам'яті потрібна підтримка подвійного живлення.

Програмування методом CHE здійснюється швидше, ніж методом FN.

Слід відмітити, що, окрім FN і CHE, існують інші методи програмування і стирання елементів, які успішно використовуються на практиці, проте два описаних нами застосовуються найчастіше.

Процедури стирання і запису сильно зношують елемент флеш-пам’яті, тому в новітніх мікросхемах деяких виробників застосовуються спеціальні алгоритми, що оптимізують процес стирання-запису, а також алгоритми, що забезпечують рівномірне використання всіх елементів в процесі функціонування.

Деякі види осередків флеш-пам’яті на основі МОП-транзисторів з "плаваючим" затвором:

- Stacked Gate Cell – елемент з багатошаровим затвором. Метод стирання – Source-Poly FN Tunneling, метод запису – Drain-Side CHE Injection.

- SST Cell, або SuperFlash Split-Gate Cell (Silicon Storage Technology – компанія-розробник технології) – елемент с розщепленим затвором. Метод стирання – Interpoly FN Tunneling, метод запису – Source-Side CHE Injection.

Two Transistor Thin Oxide Cell – двотранзисторний елемент з тонким шаром окислу. Метод стирання – Drain-Poly FN Tunneling, метод запису – Drain FN Tunneling.

Окрім елементів, що найбільш часто зустрічаються, з "плаваючим" затвором, існують також елементи на основі SONOS-транзисторів, які не містять плаваючого затвору. SONOS-транзистор нагадує звичайний МНОП (MNOS) транзистор. У SONOS-елементах функцію "плаваючого" затвору і оточуючого його ізолятора виконує композитний діелектрик ONO. Розшифровується SONOS (Semiconductor Oxide Nitride Oxide Semiconductor) як Напівпровідник-Діелектрик-Нитрид-Діелектрик-Напівпровідник.

Замість нитрида в майбутньому планується використовувати полікристалічний кремній.

2.3.6 Багаторівневі елементи (MLC – Multi Level Cell)

Останнім часом багато компаній почали випуск мікросхем флеш-пам’яті, в яких один елемент зберігає два біти. Технологія зберігання двох і більш біт в одному елементі одержала назву MLC (multilevel cell – багаторівневий елемент). Достовірно відомо про успішні тести прототипів, що зберігають 4 біта в одному елементі. Зараз багато компаній знаходяться у пошуках граничного числа біт, які здатні зберігати багаторівневий елемент.

У технології MLC використовується аналогова природа елемента пам'яті. Як відомо, звичайний однобітний елемент пам'яті може приймати два стани – "0" або "1". У флеш-пам’яті ці два стани розрізняються за величиною заряду, який поміщено на "плаваючий" затвор транзистора. На відміну від "звичайної" флеш-пам’яті, MLC здатна розрізняти більше двох величин зарядів, поміщених на "плаваючий" затвор, і, відповідно, більше число станів. При цьому кожному стану у відповідність ставиться певна комбінація значень біт.

Під час запису на "плаваючий" затвор поміщається кількість заряду, відповідна необхідному стану. Від величини заряду на "плаваючому" затворі залежить порогова напруга транзистора. Порогову напругу транзистора можна заміряти при читанні і визначити за ним записаний стан, а значить і записану послідовність бітів.

Основні переваги MLC мікросхем:

- Низьке співвідношення $/МБ.

- При рівному розмірі мікросхем і однаковому техпроцесі "звичайної" і MLC-пам'яті, остання здатна зберігати більше інформації (розмір елемента той же, а кількість біт, що зберігаються в ньому – більше).

На основі MLC створюються мікросхеми більшого об'єму, ніж на основі однобітних елементів.

Основні недоліки MLC:

- Зниження надійності, у порівнянні з однобітними елементами, і, відповідно, необхідність вбудовувати складніший механізм корекції помилок (чим більше бітів на елемент – тим складніше механізм корекції помилок).

- Швидкодія мікросхем на основі MLC частіше нижча, ніж у мікросхем на основі однобітних елементів.

Хоча розмір MLC-елемента такий же, як і у однобітного, додатково витрачається місце на специфічні схеми читання/запису багаторівневих елементів (рис. 2.13). Технологія багаторівневих елементів від Intel (для NOR-пам'яті) носить назву StrtaFlash, аналогічна від AMD (для NAND) – MirrorBit.

Рисунок 2.13 – Порівняльна схема одно- та багаторівневих елементів