Методика викладання фізичних основ функціонування апаратних складових обчислювальної техніки

Зміни в суспільстві, перехід до нових форм економічного життя висувають на чільне місце проблеми освіти. Нині одним з важливих принципів освіти є комп’ютеризація. Сучасна людина майже в усіх сферах своєї діяльності має справу з комп’ютерною технікою.

На даному етапі науково-технічного прогресу електронно-обчислювальна техніка змінюється дуже швидко. На зміну існуючим моделям ЕОМ приходять нові; апаратна частина комп'ютерів змінюється настільки бурхливо, що можна говорити про комп'ютерний бум.


Дослідження літератури з даного питання показало, що є значна кількість робіт присвячених використанню комп’ютера в навчальному процесі. В спеціалізованих виданнях з інформатики, та комп’ютерної інженерії “Сhip”, “Мой компьютер”, “Домашний ПК”, “Hardware”, тощо, пояснюється будова та принцип роботи комп’ютера на специфічному технічному рівні. Автори  Шакотько В.В. [5], Руденко В.В. [6]  детальніше висвітлюють ці питання, але їх роботи у першу чергу розроблені для вчителів інформатики і тому лише частково охоплюють фізичний зміст функціонування комп’ютера.

Аналіз методичних розробок, які приводяться у періодичних виданнях фахового напряму, дозволяє відмітити, що від написання статті (або розробки) до її публікації проходить тривалий проміжок часу. Якщо основні методичні аспекти (порядок викладу теми, форми і методи навчання) залишаються тими ж, то теоретичний матеріал, наведений у статтях швидко застаріває. З іншого боку інтерес студентської аудиторії все більше зростає до питань  фізичних основ функціонування апаратних складових обчислювальної техніки.

Література з даного питання розроблена не достатньо. У періодичних виданнях, в основному, не робиться наголос на фізичний принцип роботи тих чи інших складових обчислювальної техніки. При цьому, повно не реалізуються у процесі навчання такі основні дидактичні принципи, як науковість, зв’язок теорії з практикою та міжпредметні зв’язки між фізикою та інформатикою.

Отже, нами зроблена спроба встановити чіткий, прозорий зв’язок між фізикою та принципом роботи апаратних складових обчислювальної техніки в розділі фізики «Оптика».

Проаналізувавши навчальну програму з фізики для студентів за спеціальностями «Трудове навчання та інформатика», «Фізика та математика», «Математика та інформатика», «Фізика та інформатика», ми розробили наступні доповнення, що пов’язані з елементами фізичних основ функціонування апаратних складових обчислювальної техніки.

Серед основних питань, за рахунок яких має бути розширений зазначений розділ нами виділені: монітор як джерело світла; спостереження явища інтерференції на оптичних дисках; спостереження дифракції на DVD дисках; явище повного внутрішнього відбиття у волоконній оптиці; принцип роботи рідкокристалічного монітора; модуляція світлового потоку в оптичному волокні; дисперсія в оптичному волокні; принцип роботи оптичної миші (оптичного сенсора), CD приводу, сканера.

Для прикладу розглянемо запропоновану нами методику  ознайомлення студентів з принципом роботи монітора на рідких кристалах. Це доцільно зробити під час розгляду на лекції та практичному занятті питання “Поляризатори та аналізатори. Закон Малюса. Обертання площини поляризації”.

При цьому, на лекції, необхідно звернути увагу студентів на те, що довідники визначають рідкі кристали як особливий стан окремих речовин, у якому вони зберігають одну з основних властивостей рідини — текучість і зберігають певну впорядкованість розміщення молекул та анізотропію окремих фізичних властивостей, що характерно для твердих кристалічних тіл.

Рідкі кристали були відкриті в 1889 році австрійським ботаніком Ф. Рейніцером та німецьким фізиком О. Леманом. Серед анізотропних властивостей окремих речовин — рідких кристалів виділяють оптичну анізотропію. У моніторах використовують рідкі кристали, що змінюють кут поляризації світла під дією електричного поля.

 Далі необхідне більш ґрунтовне ознайомлення студентів з історією винаходу дисплея, адже перший прототип дисплея на рідких кристалах для калькуляторів продемонструвала в 1971 році французька фірма Thomson-CSF. У середині 70-х років XX століття японська компанія «Sharp» однією з перших розробила монохромний телевізор з використанням зазначеної технології.

Це питання виноситься на самостійне опрацювання.

Для подальшого ознайомлення студентів із зазначеною проблемою, доцільно на практичній роботі виокремити для розгляду питання : 1. Принцип роботи рідкокристалічного монітора; 2. Активна і пасивна матриці рідкокристалічного монітора, принцип роботи, основні відмінності. Для підготовки до названої роботи студенту рекомендуємо розроблений нами електронний посібник в одному з параграфів якого подається наступний матеріал, що супроводжується малюнками, схемами, анімаціями.

У змісті розкриваємо, що панель монітора на рідких кристалах (LCD — від Liquid Crystal Display — дисплей на рідких кристалах) має три основні шари — дві прозорі пластини і шар рідких кристалів між ними. І верхня, і нижня пластини мають властивість поляризувати світло, тобто пропускати світлові промені тільки з певни­ми кутами поляризації.

Під час зміни електричного поля оптична орієнтація рідких кристалів змінюється, тобто змінюється кут поляризації. Якщо кут поляризації рідинних кристалів буде співпадати з кутом поляризації верхньої скляної пластини, то через цю систему буде проходити весь світловий потік і створювати на екрані точку максимальної яскравості. У разі розбіжності кутів поляризації (кут між векторами поляризації більше 0°, але менше 90°) — через верхню пластину буде проходити тільки частина світлового потоку, інтенсивність якого обернено пропорційна величині цього кута. Якщо вектори поляризації шару рідинних кристалів і верхньої скляної пластини будуть строго перпендикулярні — світловий потік, згідно закону Малюса, проходити через систему не буде і на екрані утвориться темна точка.

У кольорових моніторах до системи додаються кольорові фільтри і кожен піксель зображення складається з  червоного, зеленого та синього фільтрів (модель RGB).

Якщо детальніше розглянути будову екрана монітора на рідких кристалах, то можна виділити декілька шарів, кожен з яких має своє призначення

 З тильної сторони монітора розміщується система підсвічування. Система підсвічування повинна забезпечувати потужний і рівномірний по всій площині екранної панелі потік світла (втрати під час проходження світла через шари РК-монітора досягають 50% при максимальній яскравості)  У разі нерівномірності світлового потоку на екрані можуть виникнути затемнені ділянки.

Лампи підсвічення випромінюють неполяризоване світло. Перша поляризаційна пластина пропускає світлову хвилю тільки з певним напрямком вектора поляризації. Шар прозорих рідких кристалів, що прилягає до першої пластини, має такий же напрям вектора поляризації. Наступні шари кристалів зміщені відносно першого на певний кут і утворюють щось на зразок спіралі. Відповідно змінюється з кожним шаром і вектор поляризації. Останній шар рідких кристалів має кут вектора поляризації, що перпендикулярний до першого. Кут вектора поляризації другої пластини співпадає з кутом вектора поляризації останнього шару рідких кристалів. Таким чином, під час проходження світла через шари рідких кристалів кут його поляризації повертається на 90° і світло повністю проходить через другу поляризаційну пластину, утворюючи на екрані точку максимальної яскравості. Це відбувається тоді, коли на рідкі кристали не діє електричне поле.

Як підсумок опрацювання студентами даного питання можливе завдання : назвати та пояснити призначення основних елементів панелі рідкокристалічного монітора за малюнком.

 

Принцип роботи ЖК монітора

 

Окремо зупиняємося на питанні класифікації моніторів за системою збудження рідинних кристалів. Практика показала, що для ефективного засвоєння даного матеріалу на практичній роботі доцільно запропонувати студентам провести їх порівняльний аналіз, виділити як позитивні сторони так вади.

Залежно від системи збудження рідинних кристалів LCD - монітори поділяють на монітори з пасивною та активною матрицею. У моніторах із пасивною матрицею генерація електричного поля здійснюється з допомогою сму­жок паралельних напівпрозорих електродів, які на­носяться на верхню і нижню скляні підкладки. На одній підкладці ці смужки мають горизонтальний напрямок, на іншій — вертикальний. Під час пода­чі електричного імпульсу на певний горизонталь­ний і на певний вертикальний електрод, у точці їх перетину змінюється електричне поле, яке, у свою чергу, змінює оптичні властивості найближчих мо­лекул рідкокристалічної речовини. Величина елек­тричного сигналу впливає на величину світлового потоку, що буде пропущений системою.

Монітори з пасивною матрицею мають декілька вад. У разі подачі керуючого сигналу електричне по­ле, що утворюється, може впливати на сусідні еле­менти зображення, «засвічувати» їх. Це приводить до розмиття, зменшення чіткості зображення. Значно погіршує якість цього типу моніторів низька, порівняно з ЕПТ-моніторами, швидкість оновлення зображення. Під час роботи з програ­мами, що потребують швидкої зміни змісту екрану (відеофільми, ігри, швидка прокрутка тексту і т. д.), користувач відчуває дискомфорт, зобра­ження накладається одне на одне, рухомі об'єкти утворюють за собою «шлейф».

Студенти мають прийти до висновку, що вказаних недоліків удається уникнути або значно зменшити їх негативний вплив, використовуючи в моніторах на рідких кристалах технології TFT (англ. Thin Film Transistors — тонкоплівковий транзистор). Кожним елементом зображення керує один активний елемент — транзистор. Тому такі монітори називають моніторами з активною матрицею.

Будова екранних панелей TFT-моніторів схожа на вже розглянуту будову моніторів із пасивною ма­трицею. Основна відмінність у заміні двох скляних пластин зі смужками електродів на одну скляну пластину зі сформованим на ній у шарі аморфного кремнію набором транзисторів. Кожен транзистор «відповідає» за один піксель зображення монітора.

Для підвищення ефективності навчальної діяльності пропонуємо студентам в ході практичної роботи пояснити причину явища коли на поверхні монітора з'являється яскрава точка, що не змінює свого свічення і під час відображення темних ділянок зображення. Та розв’язати проблемне питання як збільшити час утримання заряду транзистором і уникнути нерівномірності зображення.

Для перевірки ефективності і доцільності застосування розробленої нами методики ми провели педагогічний експеримент. Результати якого свідчать про те, що рівень знань студентів з фізики покращився, саме в тих групах де викладалися фізичні основі апаратних складових обчислювальної техніки. Також як показало опитування збільшився інтерес до вивчення фізики.

Звичайно впровадження питань з фізичних основ функціонування апаратних складових обчислювальної техніки потребує додаткових затрат аудиторних годин. Вирішення даної проблеми ми бачимо у більш компактному викладанні матеріалу, тобто, приділяти увагу найбільш вагомим і фундаментальним фізичним поняттям; розробці та поширенні додаткових методичних посібників, електронних підручників, з допомогою яких студент може самостійно більш ґрунтовно опрацювати необхідний матеріал.

Автор: Ігнатенко О.В. 

Останні статті

Нові виховні заходи