Элективный курс практикумного типа по основам общетехнических знаний: освоение старшеклассниками физических принципов функционирования вычислительной техники

Аннотация

В статье рассматривается актуальная проблема формирования у обучающихся системных представлений о физических принципах, лежащих в основе функционирования современных компьютеров. Актуальность исследования обусловлена разрывом между пользовательскими умениями в области вычислительной техники современных школьников и недостаточным пониманием аппаратной базы и физических процессов, обеспечивающих работу вычислительных систем. Основная цель статьи – дать теоретическое обоснование и разработать методику, обеспечивающую у школьников системное знание физических основ работы вычислительной техники. Выполнен детальный разбор этапов преобразования информации в процессах её передачи и обработки. Выделяются ключевые стадии: преобразование явлений окружающего мира в аналоговые электрические сигналы с помощью датчиков, аналого-цифровое преобразование, обработка информации в цифровом виде микропроцессором и обратное преобразование в аналоговую форму для вывода. Особое внимание уделяется иерархическому принципу построения компьютера, демонстрирующему, как сложные функциональные блоки (например, сумматоры) конструируются из элементарных логических элементов, работа которых, в свою очередь, базируется на физических законах (электромагнитная индукция, полупроводниковые эффекты). Практическая значимость работы заключается в разработке и описании лабораторно-демонстрационного практикума. Данный комплекс включает экспериментальные установки для исследования различных каналов связи (проводных, беспроводных: ИК, радио, лазерных) и функциональных узлов ЭВМ. Описаны стенды для изучения принципов модуляции, работы аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и демонстрации передачи данных. Методика организации занятий предусматривает как нисходящий (от системы к элементам), так и восходящий (от элементов к системе) подходы к обучению. Подчёркивается, что предложенная система обучения не просто устраняет пробелы в знаниях, но и формирует инженерное мышление. Понимание физических ограничений и возможностей аппаратной части является фундаментом для осознанного использования технологий, их диагностики и дальнейшего развития в области STEM-дисциплин. Разработанные материалы могут быть интегрированы в образовательные программы для повышения качества подготовки будущих инженеров и исследователей. Практикум, используемый в старших классах, является мощным профориентационным инструментом, задающим ориентир на инженерное образование, получаемое, в том числе, и в АГУ им В. Н. Татищева.

Ключевые слова

• физические принципы преобразования информации
• лабораторно-демонстрационный эксперимент
• логические элементы
• схемотехника
• аналоговый сигнал
• цифровой сигнал
* нажмите на слово для перехода в поиск

Вклад авторов

Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации.

Источники

1. Алыкова О. М. Оптимизация содержания лабораторного практикума по электрорадиотехнике, электронике, основам автоматики и вычислительной техники на педагогических специальностях университетов. Материалы V Международной научной конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития». М., МПГУ. 2006. С. 202–205.
2. Анофрикова С. В., Стефанова Г. П., Смирнов В. В. Введение в практикум по общей и экспериментальной физике. Учебное пособие. Астрахань. Издательский дом «Астраханский университет». 2006. 150 с.
3. Алыкова О. М. Физические основы передачи информации с применением компьютера: монография / О. М. Алыкова // Астрахань: Астраханский ун-т, 2008. 120 с.
4. Блумфилд Л. А. Как всё работает. Законы физики в нашей жизни / Л. А. Блумфилд; пер. с англ. Е. Валкиной и Ю. Плискиной. Москва: АСТ: CORPUS. 2016. 704 с.
5. Гольдштейн А. Е. Физические основы получения информации: учебник для вузов / А. Е. Гольдштейн // М: Издательство Юрайт. 2025. 291 с.
6. Ильф И. А. Петров Е. П. Золотой теленок / И. Ильф, Е. Петров // Москва : Эксмо. 2025. 384 с.
7. Капица П. А. Эксперимент. Теория. Практика. М.: Наука. 1987. С. 228–229.
8. Огородников А. И. Физические основы электронной техники: учебное пособие / А. И. Огородников. Екатеринбург: УрФУ. 2011. 105 с.
9. Пурышева Н. С. Актуальные проблемы школьного физического образования в Российской Федерации / Н. С. Пурышева, Д. А. Исаев // Педагогическое образование в России. 2020. № 6. С. 8–15.
10. Ракин Г. В. Изучение возможности формирования знаний о физических основах работы устройств передачи информации у учащихся средней школы / Г. В. Ракин, В. В. Смирнов // Методический поиск: проблемы и решения. 2019. № 1 (27). С. 60–63.
11. Ракин Г. В. Формирование у школьников системы знаний о физических основах работы современных устройств передачи и обработки информации / Г. В. Ракин, В. В. Смирнов // Современные проблемы науки и образования. 2020. № 2. С. 87.
12. Ракин Г. В. Изучение в средней школе физических основ работы устройств передачи информации / Г. В. Ракин // Физико-математическое и технологическое образование: проблемы и перспективы развития: мат-лы V Междунар. науч.-методич. конф. (г. Москва, 04–07 марта 2019 г.). Москва: Московский пед. гос. ун-т. 2020. С. 405–411.
13. Ракин Г. В. Формирование у учащихся основной и средней школы общего подхода к изучению физических основ процессов передачи и обработки информации с применением технических устройств : диссертация на соискание ученой степени кандидата педагогических наук / Ракин Григорий Валерьевич, 2023. 170 с.
14. Смирнов В. В. Разработка единого подхода к преподаванию общетехнических дисциплин в педагогических вузах / В. В. Смирнов // Преподавание физики в высшей школе. Physics education. 2001. № 20. С. 40–46.
15. Смирнов В. В. Содержание деятельности по экспериментальному нахождению значений физических величин. Материалы V Международной научной конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития». М., МПГУ. 2006. С. 261–270.
16. Смирнов В. В. Установка для экспериментального изучения передачи информации по инфракрасному каналу связи / В. В. Смирнов, О. М. Алыкова // Успехи современного естествознания. 2009. № 11. С. 87–89.
17. Смирнов В. В., Алыкова О. М. Патент на полезную модель № 89734 U1 Российская Федерация, МПК G06F 17/40, G06F 3/05. Устройство для демонстрации процесса обработки аналогового сигнала в цифровой код и демонстрации дискретизации аналогового сигнала : № 2009107248/22 : заявл. 27.02.2009 : опубл. 10.12.2009 / В. В. Смирнов, О. М. Алыкова ; заявитель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный университет» (АГУ).
18. Смирнов В. В. Методическая система формирования обобщенных методов проведения физических экспериментальных исследований у студентов физико-математического направления подготовки : специальность 13.00.02 «Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)» : диссертация на соискание ученой степени доктора педагогических наук / Смирнов Владимир Вячеславович. Волгоград, 2012. 317 с.
19. Смирнов В. В., Погожева А. Б., Алыкова О. М. Установка для изучения лазерного канала связи XV Международная конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ. 2026. С. 548.
20. Физические основы получения информации: учеб. пособие / Р. А. Ахмеджанов, А. И. Чередов. Омск: Изд-во ОмГТУ. 2008. 184 с.