книги / Фотоника и оптоинформатика. Введение в специальность

–перечень компетенций, которыми должен обладать выпукник;

–требования к структуре основных образовательных программ бакалавриата;

–перечень гуманитарных, социальных и экономических, математических и естественно-научных, профессиональных дисциплин федерального уровня;

–сроки освоения основной образовательной программы;

–требования к условиям реализации основных образовательных программ бакалавриата; учебно-методическому, мате- риально-техническому и кадровому обеспечению учебного процесса, к организации практик;

–требования к профессиональной подготовке выпускника

иего итоговой государственной аттестации.

ФГОС определяет также область, объекты и виды профессиональной деятельности бакалавра. Сюда относятся: научно-

исследовательская, проектно-конструкторская, производственнотехнологическая, экспертная, организационно-управленческая.

Область профессиональной деятельности бакалавров включает науку и технику, связанную с использованием светового излучения (или потока фотонов) в элементах, устройствах и системах, в которых генерируются, усиливаются, модулируются, распространяются и детектируются оптические сигналы; оптические устройства и технологии передачи, приема, обработки, хранения и отображения информации.

При этом объектами профессиональной деятельности могут быть фундаментальные и прикладные научно-исследовательские разработки в области фотоники и оптоинформатики; элементная база, системы и технологии интегральной, волоконной и градиентной оптики; элементная база лазеров; систем, обеспечивающих оптическую передачу, прием, обработку, запись и хранение, преобразование и отображение информации на основе наноразмерных и фотонно-кристаллических структур; оптические компьютеры, системы искусственного интеллекта, устройства на основе когерентной оптики и голографии.

41

Даже приведенный неполный список того, что определяет ФГОС в подготовке бакалавра, демонстрирует основополагающее значение этого документа. На его базе разрабатываются учебные планы, содержащие помимо дисциплин федерального компонента, региональные дисциплины, дисциплины по выбору студентов.

В итоге учебный план содержит набор дисциплин, распределенных по четырем блокам. Дисциплины учебного плана, за малым исключением, имеют общие фундаментальные основы. Все естественно-научные и технические дисциплины объединены общностью материальных основ и фундаментальных законов природы, которым подчиняются любые материальные процессы. Проиллюстрируем это утверждение на примере курсов МЕН- и ПД-блоков дисциплин, рассматривая только дисциплины федерального компонента.

3.2. Математические и естественно-научные дисциплины

К блоку естественно-научных дисциплин относятся: математика, физика, химия, информатика, экология, квантовая физи-

ка, физика твердого тела. Общая естественно-научная основа этих дисциплин очевидна и непосредственным образом отражена в ФГОСе. Например, если рассматривать обобщенно, то действующий ФГОС требует дать студентам в курсах физики, химии и экологии представления о Вселенной в целом, ее эволюции; фундаментальном единстве естественных наук; дискретности и непрерывности; соотношении порядка и беспорядка в природе; динамических и статистических закономерностях; вероятности как объективной характеристике природных систем; принципах симметрии и законах сохранения; соотношении эмпирического (опытного) и теоретического в познании и т.д. По каждой из перечисленных в ФГОСе дисциплин дается также более конкретный перечень специфических законов природы, с которыми должны быть ознакомлены студенты. У дисциплин различных блоков обнару-

42

живается общность многих законов и моделей, используемых по характерному для каждой дисциплины назначению. Например, в физике и химии рассматриваются модели атомов, молекул и более сложных структур; законы молекулярной физики, термодинамики, активационные процессы, элементы квантовой физики и т.д.

Естественно-научная общность физики, химии и экологии объясняется тем, что все они с различных сторон описывают один и тот же «объект» – природу. Принципиальные различия между перечисленными дисциплинами состоят лишь в том, что каждая из них описывает природу со своих позиций или «свою» составляющую природы.

Для математики и информатики ситуация не столь очевидна. Однако и эти дисциплины по своему происхождению, сути и результатам относятся к естественно-научным. Математика возникла как прикладная наука, непосредственно связанная с окружающей природой и разнообразными видами деятельности человека. Например, в первой известной математической энциклопедии, «изданной» 4000 лет назад в Вавилоне в виде 44 глиняных табличек, содержатся только практические задачи (по земледелию, орошению, торговле и т.п.). В более поздние времена математика превратилась в весьма разветвленную систему крайне абстрактных теорий. Даже сами математики долгое время были убеждены в самодостаточности своей науки и полной независимости ее развития от объективной реальности. Наиболее ярко это убеждение проявилось в абсолютизации аксиоматического подхода при формализованном построении логически замкнутых математических теорий. В этих теориях сначала формулируют ограниченное число основных положений (аксиом), а затем путем строгих математических или логических выводов получают остальное содержание данной теории.

Однако в 30–40- е гг. XX столетия была доказана недостаточность аксиоматического метода (теоремы К. Гёделя). Согласно этим теоремам во всякой формализованной математической системе обнаруживаются утверждения, истинность которых нельзя ни

43

доказать, ни опровергнуть на основе тех аксиом, которые выбраны для логически непротиворечивого построения данной теории. Остается путь использования иных, не связанных с основополагающими аксиомами, истин. Это могут быть и истины, полученные эмпирическим путем.

Математика связана с познанием природы. Многие ее теории оказываются адекватными моделям, используемым при описании природных процессов. Например, движение небесных тел описывается теорией, в которой используется геометрия конических сечений (окружности, эллипса, параболы). Именно эта математическая теория оказалась адекватной тем физическим явлениям, которые описываются небесной механикой. Таких примеров много. Вот почему математику можно отнести к фундаментальным наукам, которые существенно облегчают познание окружающего нас мира. Она оказывается крайне абстрактным, но весьма полезным отражением реальности. Часто математики «рисуют» правильный формальный образ того, что еще никем не наблюдалось. Например, один тип дифференциальных уравнений оказался точным абстрактным портретом электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве, что обнаружилось лишь после открытия и экспериментальных исследований этих волн. Возможность «забегания» математиков вперед в познании реальности связана, вероятно, с тем, что мозг человека есть часть этой реальности и функционирует по ее законам. Поэтому логически безупречные абстрактные построения математиков не могут полностью выходить за рамки реальности.

Аналогичные рассуждения применимы и к информатике. Следует учитывать также, что любые теории, используемые в информатике, в конечном счете оперируют понятием «информация», которое всегда отражает реальность. Сверх того, информатика имеет инструментальную базу, создаваемую и функционирующую на основе фундаментальных законов природы. Например, нанотехнологии получения материалов для хранения

44

и передачи информации в виде потока фотонов включает различные стадии, опирающиеся главным образом на законы физики и химии. Функционирование оптического компьютера определяется законами квантовой физики, электродинамики, статистической физики, физики твердого тела.

Вприроде информационные процессы существовали всегда, а примерно 3,8 млрд лет назад, когда на Земле появилась жизнь, возникли и стали совершенствоваться сложные информационные системы: генетическая, нервная, гормональная, функционирующие на основе фундаментальных законов природы. Таким образом, информатика имеет, несомненно, общую естест- венно-научную основу с остальными дисциплинами рассматриваемого блока. Кроме того, информатика, как и математика, делает процесс познания природы строгим и все более динамичным. Со своей стороны, природа «подсказывает» информатике (и особеннонаеенаноэлектронномуровне) путидальнейшегоразвития.

Воснове фундаментальной подготовки лежат не только общие законы физики, но и ее специальные разделы – физика твердого тела и квантовая физика.

Итак, естественно-научные основы и фундаментальная общность дисциплин естественно-научного блока очевидны.

3.3. Профессиональные дисциплины

Профессиональных дисциплин более шестнадцати. Практически все они полностью базируются на естественно-научных дисциплинах. Рассмотрим подробно только дисциплины федерального компонента учебного плана. Будем обращать внимание лишь на явные связи с фундаментальными дисциплинами.

Дисциплина «Общая электротехника», всецело базируется на разделе физики «Электромагнетизм». В курсе физики изу-

чают основы и физическое содержание электродинамики, ее связь с другими разделами физики и техникой, а в электротехнике электродинамика используется для разработки методов расчета электрических и магнитных полей в различных электротехниче-

45

ских устройствах. При разработке частных методов расчета

вэлектротехнике применяют основные законы макроскопической электродинамики (выраженные уравнениями Максвелла) и их следствия (теорема Гаусса, уравнение Пуассона, закон электромагнитной индукции Фарадея, уравнения Кирхгофа и т.д.). Методы расчета усилителей и генераторов гармонических сигналов

взначительной степени основаны на физической теории колебаний. Использование того или иного раздела фундаментальной науки при построении соответствующей общепрофессиональной дисциплины – весьма распространенный подход в техническом образовании. Такой подход непосредственным образом отражает фундаментальные основы общепрофессиональных дисциплин. Врезультате изучения этих дисциплин обучающийся должен знать методы анализа электрических и магнитных цепей постоянного ипеременноготока; физическиепроцессывэлектрическихмашинах постоянного и переменного тока, их типы и основные характеристики; физические основы электроники; типовые элементы электроники, микроэлектроники, наноэлектроники, основы цифровой электроники и микропроцессорной техники; основные компоненты элементнойбазысовременныхэлектронныхприборов.

Дисциплина «Метрология, стандартизация и сертификация» построена на основе изучения законодательных актов, использования физических принципов измерений геометрических, электрических, оптических, структурных и других характеристик макро-, микро- и нанообъектов. Методы численной обработки результатов исследований основаны на математической теории случайных процессов. Отметим также, что метрология зародилась и первоначально развивалась в недрах физики, а затем распространилась на другие науки и технику.

Дисциплина «Оптическое материаловедение» представляет собой прикладную версию той части физики твердого тела, которая теоретически «обслуживает» нанотехнологию. Связи

«состав– структура– свойства», которые вскрываются в физике твердого тела, позволяют разрабатывать оптимальные техноло-

46

гические процессы, используемые для получения оптических материалов с заданными эксплуатационными характеристиками, изучать особенности их применения в фотонике и оптоинформатике, основы современных технологий синтеза оптических кристаллов, стёкол и керамик, методы исследования физикохимических свойств оптических материалов. Связь рассматриваемой дисциплины с естественными науками заключается в том, что сам технологический процесс всегда представляет собой сочетание химических и (или) физических процессов.

Дисциплина «Безопасность жизнедеятельности» (БЖД) рассматривает различные процессы в системе «человек – среда обитания»: физиологию труда и безопасность жизнедеятельности; негативные факторы техносферы, их воздействие на человека; критерии безопасности технических систем – отказ, вероятность отказа, качественный и количественный анализ опасностей; средства снижения вредного воздействия технических систем.

Законы одинаковы во всех частях Вселенной и на всех этапах ее долгой эволюции. Указанный факт установлен фундаментальными науками и положен в основу одной из концепций современного естествознания – концепции о единстве законов, управляющих всеми процессами в этом мире. Самоорганизация

исаморазвитие любых сложных систем также подчиняется единым законам. Самоорганизация сложных систем обеспечивается проявлением в системе положительных и отрицательных обратных связей. Первые выводят систему из состояния равновесия, а вторые – приближают к нему. Эти же взаимосвязи лежат в основе многих естественных процессов в системе «человек – среда обитания». Следовательно, если не учитывать правовые, норма- тивно-технические и организационные вопросы, то в остальном

идисциплина БЖД основана на фундаментальных науках.

Дисциплина «Инженерная и компьютерная графика» также базируется на дисциплинах математического и есте- ственно-научного блока – математике и информатике. Обу-

чающийся должен знать основы инженерной графики, задачи

47

геометрического моделирования, методы и средства компьютерной графики.

Вдисциплинах «Теория информации и информационных систем», «Архитектура вычислительных систем» изучаются информационные характеристики источников сообщений и каналов передачи информации, основные понятия теории кодирования информации и особенности основных видов кодов, методы преобразования, обработки и анализа сигналов, принципы организации современных архитектур вычислительных систем. Изучаются принципы построения и функционирования процессора, оперативной памяти и внешних устройств, классификация и основные особенности конвейерных и параллельных архитектур.

Объектом изучения дисциплины «Основы фотоники» яв-

ляются законы излучения, закономерности высоких интенсивностей излучения, характеристики современных источников излучения, принципы работы и характеристики современных лазеров и усилителей света, физические эффекты, принципы, элементы и устройства для управления светом в оптических материалах и волноводных структурах, устройство, принцип действия и характеристики современных типов фотоприемных устройств фотоники.

Вдисциплине «Основы оптоинформатики» рассматрива-

ются основные принципы и технологии передачи информации оптическими методами, физические возможности оптических информационных технологий, современные достижения в области оптоинформатики, принципы и технологии оптической записи, хранения и считывания информации, основные принципы построения фотонно-кристаллических структур и устройств на их основе, принципы построения оптических систем искусственного интеллекта.

Дисциплина «Оптическая физика» предполагает изучение не только общих закономерностей записи и воспроизведения волновых полей, но и прикладных аспектов кодирования, сжатия, хранения и отображения информации, необходимой для

48

диагностики вразличных прикладных областях фотоники и оптоинформатики.

В учебный план подготовки бакалавра включены дисцип-

лины «Введение в фотонику и оптоинформатику», «Нелинейная оптика», «Технология искусственного интеллекта», «Материалы и технологии интегральной и волоконной оптики», «Наноматериалы и нанотехнологии», «Волноводная фотоника», «Лазерные, нелнейные и регистрирующие среды».

Эти дисциплины основаны на фундаментальных законах природы. В области любой техники человек является творцом нового. Эта роль выполняется через проектирование и воплощение проектов в реальность. Поэтому многие специальные курсы явно или опосредованно содержат информацию, необходимую для освоения методов проектирования. Для разработчиков нового знание фундаментальных основ функционирования проектируемых объектов и процессов приобретает непосредственную профессиональную значимость. Человек – творец нового – в отличие от мифического Творца не всемогущ. В своей творческой деятельности он должен неукоснительно подчиняться фундаментальным правилам «запрета». Этими правилами являются законы природы. Игнорирование хотя бы одного из этих законов приводит к неосуществимости проекта. Например, не уда-

лось осуществить ни один из многих тысяч проектов вечного двигателя 1-го и 2-го рода. Их авторы действовали вопреки двум правилам «запрета»: «Вечный двигатель первого рода невозможен», «Вечный двигатель второго рода невозможен». Первый запрет связан с первым началом термодинамики, т.е. с законом сохранения энергии, а второй – со вторым началом термодинамики. Следовательно, приступая к проектированию, необходимо выяснить, не противоречит ли задуманное какому-либо из законов природы. В этом может преуспеть только специалист, знающий эти законы.

Кроме того, проектировщик, создавая принципиально новое, создает практически новую «популяцию» искусственной природы.

49

Всякая популяция в естественной и искусственной природе имеет громадное число жизненно важных для нее связей с окружающим. Эти связи должны быть оптимизированы, иначе результат проектирования не приобретет необходимой конкурентоспособности (потехническим, экономическим или другим характеристикам)

ибудет вытеснен другими техническими новинками. Помимо этого, объекты современного проектирования имеют, как правило, достаточно сложную структуру и многочисленные внутренние взаимосвязи. Эти взаимосвязи проектировщик должен в полном объеме понимать и учитывать. Исчерпывающий учет внешних

ивнутренних взаимосвязей проектируемого объекта по силам лишь специалисту, обладающему достаточно развитым системным мышлением. Системное мышление наиболее эффективно формируют фундаментальные науки. Это связано с тем, что именно они имеют дело со сложнейшими системами, включая ноосферу, галактики и всю Вселенную. Поэтому знание фундаментальных дисциплин является особенно важным для создателей принципиально нового в технике.

Применяя, проектируя и изобретая, бакалавр должен проявлять высокий уровень творческого мышления, умения решать конкретные задачи. Поэтому в план подготовки включена дисциплина «Учебно-исследовательская работа студентов» (УИРС).

3.4. Гуманитарные, социальные и экономические дисциплины

Гуманитарные, социальные и экономические дисциплины входят в 1-й блок дисциплин и обычно изучаются на первых двух курсах. Часто в сознании студента эти дисциплины резко отделяются от профессиональных, и даже математических и естественнонаучных дисциплин. В основе этого лежат те же причины, которые привели к размежеванию между «лириками и физиками» и возникновению так называемой проблемы «двух культур».

В античной науке этой проблемы не было. На ранних этапах развития науки исследования различных аспектов проявле-

50