Университет ИТМО

Работа по курсу

«Педагогика и психология высшей школы»

Особенности проведения занятий студентам аспирантами

Гусев Святослав Игоревич

Аспирант 2го года

2015

Введение

В данной работе изложены собственные наблюдения и выводы, основанные на опыте составления, проведения и приёма серии лабораторных работ студентам 6го года по курсу «Фемтосекундная оптика и фемотехнологии».

Рисунок 1: Электронный журнал предмета.

Цель

Целью педагогической практики для аспирантов является выработка преподавательских и лидерских качеств, необходимых в дальнейшем при более высоких научных должностях. Помимо этого, экономится трудовой ресурс более старших научных сотрудников. И, в конце концов, студенты, получающие информацию от разных возрастных и должностных категорий преподавателей, получают более полную возможность взглянуть на предмет обучения с разных сторон, получая аргументацию с тех или иных позиций.

Проведённые работы

В данном цикле преподавательской работы решалось несколько задач: разработка лабораторных работ, их проведение, контроль за выполнением студентами, оценка результатов, мотивация студентов на усвоение материала.

Поскольку данная дисциплина была представлена впервые, для её проведения потребовалась разработка лабораторных работ на базе оборудования «Лаборатории ТГц биомедицины». Данная работа была успешно проведена – были созданы работы «Получение оптических свойств сред в ТГц диапазоне частот методом отражения» и «Получение оптических свойств сред в ТГц диапазоне частот методом пропускания» (см. приложение). Структура и компоновка не отличается от стандартно принятой, что позволяет студенту прочувствовать связь теории с практикой, ознакомиться с устройством лабораторной установки, проделать своими руками работу на ней, а также провести анализ полученных данных. Помимо разработки непосредственно инструкций по выполнению работ, была специально написана программная часть (специальная версия программы «Spectrina»), автоматизирующая процесс обработки полученных данных.

Проведение лабораторной работы заключалось в доведении содержания лабораторной до сознания студентов, а также консультация и контроль за сохранностью оборудования.

Контроль за студентами заключался в сохранении как здоровья студентов, так и целостности оборудования.

Оценка результатов проводилась в режиме очной беседы с получением комментария о проведённой работы студентами, рассмотрения результатов и наведения студентов на умозаключения в виде задания сопутствующих вопросов.

В целом, одной из основных задач, была стимуляция вовлечённости студентов в процесс познания и исследования.

Итоги

На момент написания данного отчёта 28 из 30 студентов раскрыли свой потенциал в аналитическом подходе к решению поставленных задач и объяснению физических принципов проводимых лабораторных работ. Такую высокую долю сдавших и успешно защитивших лабораторные я вижу в применении нескольких эмпирически применённых подходов.

1. Заинтересовать и вовлечь. Малое возрастное отличие от студентов (6й курс) позволило поддерживать позицию «старшего среди равных», что помогло поддерживать коммуникации на «одном языке», основанных на тех же понятиях и образах. Если учесть, что в технических вузах преимущественно обучается молодёжь, использующая жаргон современных «технарей» и «хипстеров», куда проще будет наладить контакт, применяемый в их лексиконе.

2. К чёрту отчёты. Не секрет, что составление отчётов по лабораторным работам съедает не только ресурсы в виде бумаги и тонера, но и увеличивает временные и эмоциональные затраты на подготовку лабораторных. Порой неправильно подготовленный или незавершённый отчёт является залогом прокрастинаций, что задерживает сдачу лабораторной в срок. В то же самое время, показ электронной версии графика позволяет более динамично получать результат лабораторной работы, а также оценивать идентичность каждого из полученных результатов и степень владения средами обработки данных. Порой здесь при сопутствующей консультации по оформлению студент получает дополнительные востребованные знания по визуализации численных данных, в чём он остро нуждается.

3. А как ты думаешь? Я не считаю допустимым механическое заучивание определений. В то же самое время, я поощряю развитие собственных логических построений, развитие смекалки и выработку собственных решений. Поэтому задаваемые вопросы, как правило, состояли из выработки независимой студенческой оценки применяемых практик, свежих идей и предложению более совершенных методик. Помимо этого, проводилось ознакомление с используемыми в настоящий момент технологиями, что позволяло соединять такие области как теория, проведённый эксперимент и применяемые в быту решения.

Выводы

Получение своего «живого» опыта – неоценимое преимущество, предлагаемое аспирантам для повышения собственных педагогических компетенций и лидерских качеств. Составление и проведение лабораторных позволило рассмотреть взаимосвязи в составлении технологических циклов, их информационную поддержку и развитие разносторонних компетенций аудитории.

Также самостоятельное проведение лабораторных позволило имплементировать некоторые новаторские методики, повышающие, с моей точки зрения, эффективность педагогического процесса.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ОПТОИНФОРМАТИКЕ

Лабораторная работа № 1

Получение оптических свойств сред в ТГц диапазоне частот

методами пропускания

Цель работы: изучение методик получения оптических свойств объекта путём пропускания через него ТГц импульса.

Объект исследования: ТГц измерительная установка на пропускание, два образца исследуемого материала разной толщины.

Задачи, решаемые в работе:

1. Ознакомление с методиками измерения оптических свойств методами на пропускание:

   1. Метод сравнения опорного сигнала и объектного сигнала

   2. Метод сравнения двух объектных сигналов от двух образцов

2. Ознакомление с конструкцией ТГц измерительной установки.

3. Изучение алгоритмов расчёта показателя преломления n, показателя поглощения

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

В импульсной терагерцовой схеме волновая форма терагерцового импульса E(t) регистрируется путем получения выборки значений поля терагерцового импульса в различные моменты времени. Ультракороткий лазерный импульс расщепляется на импульс накачки и зондирующий импульс, которые используются, соответственно, для генерации и детектирования терагерцовых импульсов. Зондирующий лазерный импульс взаимодействует с определенным участком терагерцового импульса в детекторе. Терагерцовое поле регистрируется как функция временной задержки зондирующего импульса. Преобразование Фурье от волновой формы терагерцового импульса позволяет получить частотный спектр терагерцового импульса.

, (1)

где - зависимость комплексной амплитуды сигнала от частоты, - амплитудная составляющая, - фазовая составляющая

Терагерцовый спектр (1) принципиально является комплексной величиной. Терагерцовый импульс обычно содержит всего несколько осцилляций поля, поэтому его спектр может простираться более чем на октаву (в спектральном интервале, равном одной октаве, наибольшая частота в два раза превосходит наименьшую). Ширина спектра излучения импульсного терагерцового источника может составлять величину от 0,1 ТГц до 10 ТГц и даже более. Записывая волновую форму терагерцового импульса после его взаимодействия с некоторой мишенью и затем вычисляя спектр по формуле (1), можно получить спектральную характеристику мишени в диапазоне частот, присутствующих в спектре импульса. В связи с тем, что получение спектра происходит путем регистрации волновой формы (осциллограммы) импульса, то данный метод получил название терагерцовой спектроскопии во временной области (в англоязычной литературе – Terahertz Time-Domain Spectroscopy, THz TDS).

Метод, основанный на сравнении опорного и объектного сигналов пропускания.

Рис.1: Метод, использующий опорный и объектный сигналы пропускания

Как видно из иллюстрации (Рис. 1), в данном способе применяются измерения пропущенного сигнала, как через объект, так и через воздушное пространство (оно выступает в роли референтного образца).

На (Рис.2) показаны сигналы, прошедшие через воздушное пространство и через образец. Отчётливо видно, что при прохождении через объект импульс выходит с задержкой и ослабленной интенсивностью.

Рис.2 Пример временных форм объектного и опорного сигналов

В данном случае объектом служит слой полистирола толщиной 790мкм.

Из этих сигналов можно получить коэффициент поглощения , оптическую глубину проникновения , комплексный показатель преломления , а также диэлектрическую проницаемость при помощи следующих формул:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

, (7)

где - коэффициент поглощения [м^-1], - диэлектрическая проницаемость (re – действительная, im - мнимая), - показатель преломления (re – действительная, im - мнимая), - глубина проникновения [м], и - амплитуды опорного и объектного сигналов, и - фазы опорного и объектного сигналов, - толщина объекта, - скорость света в вакууме, - частота [Гц].

Дисперсии амплитуд и фаз, необходимые для расчёта, получаются из сигнала путём преобразования Фурье. В данной лабораторной работе их можно получить, воспользовавшись программой Spectrina.

Результатом будут являться дисперсии показателя преломления (действительная и мнимая части), - коэффициент поглощения, -диэлектрическая проницаемость (действительная и мнимая части), - показатель преломления, - глубина проникновения.

Рис.3: Пример зависимости показателя преломления от частоты

На графике показатель преломления слоя полистирола толщиной 790 мкм.

Диапазон частот, который обеспечивает данный метод, расположен на промежутке 0.1-3.0 ТГц, при использовании более короткого по времени импульса возможно увеличение диапазона до 10.0 ТГц и выше, однако на практике наиболее достоверные результаты расположены на промежутке от 0.3 до 1.0 ТГц.

Также на общую точность измерения зависит точность измерения толщины объекта, тип, ширина и позиционирования оконной функции при выделении сигнала во время взятия преобразования Фурье.

Для тех, кто заинтересовался этим методом: более детально его можно изучить в книге [1].

Метод, использующий пропускание двух образцов разной толщины из одинакового вещества.

Название этого способа отвечает за его суть. Он многим схож с предыдущим, однако имеет и свою специфику.

Рис.4: Принципиальная схема установки, на которой измеряются прошедший сигнал образца «А» Т_А,0 и образца «B» Т_B,0.

Показатель преломления находится следующим способом:

(5),

Данный метод хорош своей арифметической простотой, однако он не так уж прост с точки зрения постановки эксперимента. С одной стороны, нам требуется два плоских образца разной толщины, а с другой – мы должны точно измерять эти толщины.

Помимо этого, точность метода уменьшается при приближении частоты в высокочастотной границе терагерцового диапазона и при небольших значениях импеданса ( , где - магнитная проницаемость, - диэлектрическая проницаемость).

Для тех, кто заинтересовался этим методом: более детально его можно изучить в статье [2]/