Физика — қолданбалы ғылым екені белгілі. Оның пəні, негізгі мақсаттары мен міндеттері практикамен байланысты. Физиканың ғылым ретінде қазіргі таңда қолданылу саласы шексіз: ғылымда, техникада, өндірісте, білім саласында жəне т.б. Физика адамзат өмірінің алуан түрлі салаларында кеңінен қолданылатындықтан, жоғары оқу орындарында осы ғылымның қолданбалы аспектілерін оқытудың маңызды екенін көрсетеді.
Қазіргі кезде физиканы оқыту барысында студенттердің АКТ пайдалану дағдылары мен біліктіліктерін меңгерулері білім беру жүйесін ақпараттандыру үдерісінің ажырамас бөлігіне айналды.
«Электр жəне магнетизм» пəні «Физика» мамандықтарында оқитын студенттер үшін базалық пəндер қатарына жататындығы белгілі. Бұл пəнде электростатика, электр тогы, магнетизм тақырыптары жəне түрлі физикалық процестердің қолданбалы бағдарлылығын əр түрлі сапалы есептерді шешу əдістері қарастырылады.
«Электр жəне магнетизм» пəнінің оқу элементтері болашақ физика мұғалімдерін даярлауда негізгі ұғымдардың, заңдардың қолданбалы бағдарлылығы тереңдетіліп беріледі. Ал, алынған білімдер əр түрлі қолданбалы есептерді шығаруда қолдануға мүмкіндік береді.
Студенттердің алған ғылыми білімдерінің қолданбалы бағдарлылығын арттыруға қажетті негізгі шарттарды көрсетуге болады:
- пəнді оқытудың ғылыми дəрежесін арттыру, физикалық теорияларды оқып үйренуге көңіл аударуды күшейту, физикалық құбылыстар мен денелердің қасиеттерін түсіну үшін кеңінен пайдалану;
- студенттерді физика жөніндегі ғылыми зерттеулерде қолданылатын əдістермен (теориялық болжам, гипотезасын жасап шығу, бақылау, эксперимент, эксперименттік фактілерді талдау жəне олардан шығатын тұжырымдар, тұжырымдарды практикада тексеріп көру) таныстыру;
- зерттеу элементтерін физиканы оқу үдерісіне, студенттердің оқу қызметінің əр түріне үнемі араластырып отыру (оның ішінде есептер шығаруда), физика курсының жекелеген тақырыптары мен мəселелерін оқып-үйренуге зерттеушілік тұрғыдан қарауды жүзеге асыру.
Оқытудың қолданбалы бағдарлылығын арттырудың маңызды құралы — зерттеу элементіне қатысты есептерді шығару. Есептерді шығарған кезде студенттер есептеулер мен өлшеудің ұтымды əдістерін тауып, техникалық қондырғылардың жұмысы қандай жағдайларда неғұрлым тиімді болатынын анықтайтын есептердің маңызы ерекше зор екендігін айқындайды [1].
Физиканы оқытудың қолданбалы бағдарлылығын арттырудың негізгі бағыттарына мыналар жатады:
- физиканың басқа пəндермен байланысын оның қолданбалылығы арқылы күшейту;
- есептерді шешу əдістерін практикада қолданылатын əдістермен байланыстыру;
- студенттердің физикалық модельдерді құру икемділіктерін қалыптастыру;
- студенттердің процесті бақылау нəтижесінде алған əсерлерін анықтау жəне жаңа материалды түсіндіру кезіндегі жалпы нəтижелерді есепке алу;
- физика сабақтарында жүйелі түрде физиканың қолданбалылығын көрсететін материалдарды пайдалану.
Физика сабақтарында АКТ қолданудың əр түрлі тəсілдерін қарастыруға болады. Олардың бірі — компьютердің көмегімен физикалық есептерді шығару. Ол бір физикалық шаманың басқа шамалардан тəуелділігін көрнекілеуге, физика-техникалық мазмұны бар есептерді терең зерттеуге, сонымен қатар оқытудың қолданбалы бағдарлылығының артуына мүмкіндік береді. Компьютерді пайдалану тиімділігі əсіресе бір формуламен бастапқы параметрлердің əр түрлі мəндері үшін есептеулер жүргізу қажет болған кезде артады (мысалы, график тұрғызу үшін кесте құруда).
Есеп шығару үдерісі кішігірім зерттеу жұмысына ұқсайды. Нақты ғылыми зерттеудегі сияқты нəтижеге жеткізетін əрекет сатылары қандай болу керек екендігі алдын ала белгілі бола бермейді. Оларды анықтайтын əмбебап ереже жоқ. Қажет болатын машық тəжірибе жинақтау барысында, ұзақ еңбектену нəтижесінде қалыптасады.
Əдістемелік əдебиеттерде физикалық есеп деп, негізінен, физикалық құбылыстарды оқып-білу, түсініктерді қалыптастыру, студенттердің физикалық ойлауын дамыту жəне білімдерін тұрмыста қолдану дағдылары мен машықты қалыптастыру мақсатында іріктеліп алынған жаттығуларды айтады.
Екінші жағынан, есеп — нысанның белгілі сипаттары бойынша, оның басқа белгісіз сипаттарын анықтау мақсатындағы тапсырма.
А.В.Усова есептің барлық анықтамаларын талдай отырып, мынадай қорытынды жасайды:
«Физикалық есеп — физиканың заңдары мен əдістеріне негізделіп, физикалық білім алу мен ақыл- ойды жетілдіруге бағытталған, оқушылардан ой жəне практикалық іс-əрекетті талап ететін жағдай (белгілі фактілердің жиынтығы)» [2].
Оқу үдерісінде, əдетте, физикалық есептер онша үлкен қиындықтар тудырмайды, ол жалпы алғанда логикалық тұжырымның көмегі арқылы физиканың заңдары мен əдістері негізінде математикалық есептеулер мен эксперименттің көмегімен шығарылады. Дегенмен, мұндай сабақты əдістемелік тұрғыдан алғанда дұрыс құру жəне өткізу біршама күрделі мəселе болып табылады.
Есептерді шығару көптеген мақсаттарды көздейді: физикалық құбылыстардың мазмұнын түсінуге, ұғымдарды қалыптастыруға студенттердің шығармашылық ойлауын дамыту жəне оларға өз білімдерін іс жүзінде қолдана білуге үйрету, білімдерін, дағдылары мен іскерліктерін қадағалау жəне есепке алу. Осы маңызды мақсаттарға қол жеткізу үшін есептің шартын терең түсіну қажет, оған жетудің тиімді жолдарының бірі — есеп шығаруда компьютерді пайдаланып, құбылысты модельдеу.
Компьютерді пайдаланып, есеп шығару процесін шартты түрде бірнеше кезеңдерге бөлуге болады:
- есептің қойылуы;
- математикалық модель құру;
- алгоритм құру;
- компьютерде бағдарламалау;
- алынған нəтижелерді талдау.
Əр түрлі есептердің қиындықтарына қарай бұл кезеңдер əр түрлі қолданылуы мүмкін. Кейбір жағдайларда жекеленген кезеңдердің орындалуы өте қарапайым болып келсе, олар байқалмай кетуі мүмкін.
Шығарылу жолы қиын жəне күрделі болса, ондай есептердің алгоритмін түзіп, бағдарламасын құрып, ЭЕМ арқылы шешу тиімді. Ол үшін, алдымен, есеп бірнеше бөліктерге бөлініп, олардың қандай тізбекпен шешілетіндігі анықталады. Яғни, бірінші кезең есептің қойылуы. Бұл кезең есептің шарттары мен алынатын нəтижелерін ажыратып көрсетуге арналады. Одан кейінгі, екінші, кезеңде формула түрінде жазылатын оның математикалық моделі жасалады. Есеп шығаруда математикалық модельді құру үшін алдымен:
- математикалық модель негізделетін болжамды бөліп алу;
- алғашқы мəліметтер мен нəтижені анықтап алу;
- алғашқы мəліметтер мен нəтижені байланыстыратын математикалық қатынастарды (формула, теңдеу, теңсіздік жəне т.б.) жазу қажет. Яғни, осы кезеңде оның математикалық моделі зерттеліп, бағдарламаланады. Компьютерде қажетті есептеуді жүргізіп, жауабын беру үшін оған қажетті нұсқаулар мен əрекеттер тізбегін беру қажет. Мұндай нұсқау есепті шешу алгоритмі деп аталады. Алгоритм құру – компьютермен есеп шығарудың үшінші кезеңі болып табылады. Онда компьютер алгоритмді адамның қатысынсыз, автоматты түрде орындайды. Бұл процесс арқылы математикалық модельдің жəрдемімен есептің жауабы табылатын тəсілдер тағайындалады. Ол үшін алгоритм компьютерге түсінікті арнайы белгілі ереже бойынша машина тіліне аударылады. Бағдарламалау тілінде жазылған алгоритм тілде, яғни қандай да бір бағдарламалау тілінде жазылуы тиіс. Яғни, онда есептің шығарылу алгоритмі бағдарлама деп аталады. Төртінші кезең — бағдарламалау процесі. Бұл кезде блок-схема құрылады жəне бағдарлама компьютер тілінде жазылатын болады. Бағдарлама жасау процесі арнаулы бланкаларға жазылған команда (нұсқау, бұйрық) арқылы орындалады. Бесінші кезең — компьютер тапсырма алғаннан кейін есепті автоматты түрде өзі шешеді. Есептеуді компьютерде жүргізе отырып, алынған нəтижені талдау керек. Мұндай жағдайда математикалық модельді нақтылау қажеттігі пайда болуы мүмкін. Модельді нақтылап болғаннан кейін, алгоритмді қайта құрып, ЭЕМ-мен есептеуді жүргізіп, нəтижені талдайды. Бұл процесс алынған нəтиженің талдауы зерттеліп отырған объектіге толық сəйкес келгенше жалғасуы мүмкін.
Физикалық есептер зерттеу сипаттары мен əдістеріне байланысты физиканы оқыту əдістемесінде сандық жəне сапалық есептер болып бөлінеді [3]. Олардың əрқайсысын компьютерді қолдану арқылы өткізілген есеп шығару сабақтарынан мысал келтіре отырып, қарастырайық.
Есеп шығару барысында студенттер шығармашылық іс-əрекеттің мынадай түрлерін жасады: шығарылу жолы қиын жəне күрделі есептердің алгоритмін түзді; бағдарламасын құрып, компьютер арқылы шешті. Алгоритм компьютерге түсінікті арнайы тіл — Macromedia FLASH анимациялық бағдарламаcында жасалды.
Сандық есептер. Есептердің бұл түрі математикалық есептеуді қажет етеді. Дұрыс іріктеп алынған жағдайда мұндай есептер студенттердің бойында ұтымды білімнің қалыптасуына ықпалын тигізеді. Шығарылу тəсіліне қарай сандық есептер: ауызша, эксперименттік, есептеу жəне графиктік болып бөлінеді. Сандық есептерді шығару компьютерлік бағдарламаның көптеген тақырыптарын жете түсініп, практикалық тұрғыдан бекіту үшін қажет.
Осы орайда 5В011000 - «Физика мұғалімі», 5В060400 - «Физик-зерттеуші» мамандықтары үшін бекітілген мемлекеттік жалпыға міндетті білім беру стандартында ұсынылған «Электр жəне магнетизм» пəнінің мазмұны қарастырылды.
«Электр жəне магнетизм» пəніне жоспарланған кредит саны — 3, яғни 135 сағ, оның ішінде лекцияға 15 сағат, практикалық сабаққа 15 сағ, лабораториялық сабаққа 15 сағ, оқытушы басшылығымен өтетін өзіндік жұмысқа (ОБСӨЖ) 45 сағ, студенттің өзіндік жұмысына (СӨЖ) 45 сағ бөлінген. Осыған сəйкес пəннің силлабусы, оқу-əдістемелік кешені, СӨЖ тақырыптарының тізімі дайындалды. Осы сағаттардың ара қатынасын ескере отырып, «Электр жəне магнетизм» бөлімі құрайтын тақырыптарды толық шолу мақсатында практикалық сабақта шығарылатын есептер анықталды. Мысал ретінде зарядтардың өзара əсерлесуі, Кулон заңы, электр өрісі, өріс кернеулігі тақырыптарындағы физикалық процестерді электрондық оқулық көмегімен шығарылатын есептерді қарастырайық. Тақырыптардың теориясын түсіндіруге қажетті анықтамаларға тоқталсақ.
Электродинамика — бұл электрлік зарядталған денелердің немесе бөлшектердің арасында өзара əсер туғызатын материяның ерекше бір түрінің — электромагниттік өрістің сырын ашатын заңдылықтар мен қасиеттер туралы ғылым. Электростатика — тыныштықтағы электрлік зарядталған денелерді қарастыруға арналған электродинамика бөлімі.
Нүктелік заряд деп осы дененің электр зарядтарын тасымалдайтын басқа денелерге дейінгі қашықтығымен салыстырғанда мөлшерін ескермеуге болатын зарядталған денені айтады.
Зарядтардың түрлерін ажырату үшін Франклин 1747 ж. электр зарядтарының екі түрлі болатындығы туралы ой айтады.
Тұйық жүйеде барлық бөлшектер зарядтарының алгебралық қосындысы өзгеріссіз қалады.
2-сурет. Электр өрісі деп — қарастырылып отырған өріске орналастырылған сыншы зарядқа əсер ететін F күштің сол сыншы заряд шамасына қатынасымен өлшенетін шаманы айтады:
Жалпы физика курсынан «Электр жəне магнетизм» пəніне арналған «Электр жəне магнетизм» атты жасалған электрондық оқулықтың көмегімен есептер шығаруға болады (3-сур.).
Мысалы, Кулон күші, электр өрісінің кернеулігі тақырыптарына аталған электрондық оқулықты қолданып есептер шығаруға болады. Алдымен, есептерді шығару барысында əсерлесуші екі зарядтардың сан мəнін береміз, онан соң екі зарядтың ара қашықтығын есептеуге оның мəндерін енгіземіз. Екі зарядтың арақашықтығының мəндері анықталған соң, кестедегі зарядталған денелерді тышқанның көмегімен жылжытып, орнына қоямыз. Осы кезде мониторда Кулон заңының формуласы көрініп, есептелініп, оның жауабы алынады жəне кестенің ішіне алынған жауап жазылады (4-сур.).
Осы электронды оқулықты қолдана отырып, «электр өрісінің кернеулігі» ұғымын түсіндіру мақсатында демонстрациялық тəжірибе жасауға жəне осы тақырыптарға арналған төмендегідей шығарылатын есептерді көрсетуге болады.
Есеп №1. 1 мкКл жəне 10 нКл екі заряд 9 мН күшпен біріне-бірі қандай қашықтықтан əсер етеді.
Есеп №2. 90 нКл жəне 10 нКл зарядтар бір-біріне 4 см қашықтықта орналасқан. Үшінші заряд тепе-теңдікте болу үшін оны қай жерге оналастыру керек.
Есеп №3. Өрістің қандай бір нүктесінде 2 нКл зарядқа 0,4 мкН күші əсер етеді. Өрістің осы нүктесіндегі кернеулікті табыңдар.
Алға қойылған міндеттердің жауабын іздестіруді студенттер басқарушы ықпал ету əсерінен электрондық оқулықта өтіп жатқан өзгерістерді көре отырып, есептеу барысында іске асырады. Бұл кездегі оқытушының іс-əрекеті студенттерге қажетті дараланған, жеке көмектер көрсетуге келіп саяды. Бір студенттер үшін бұл кеңес электрондық оқулықтың басқарушы параметрлері мəнінің диапазондарының өзгерісіне қатысты болса, басқалары үшін есептеу нəтижелерін ой елегінен өткізіп, қабылдауға қолайлы формада беру туралы кеңес болуы мүмкін. Студенттер компьютердегі жұмыстарын аяқтағаннан кейін есептеу барысында өздері алған нəтижелерді талқылау өткізіледі.
Қорыта айтқанда, физикалық есептерді шығару процесінде АКТ пайдалану физиканы оқытудың қолданбалы бағдарлылығын арттыруға ықпалын тигізеді. Электрондық оқулықты қолданатын есептер шығару əдеттегі физика есептерін жаңа мазмұнмен толықтыруға мүмкіндік береді, оларды анағұрлым қолайлы, қызықты етеді.
«Электр жəне магнетизм» пəнінен жасалған электрондық оқулықты қолданып, есептер шығару мынадай ғылыми жəне əдістемелік талаптарды қанағаттандырады:
- есеп шығаруда оқу материалы мазмұнының ғылымның даму деңгейіне сəйкестігі;
- оқушылардың есеп шығаруда білім, білік, дағдысына сатылап көтерілуінің əр түрлі деңгейлі болуы;
- жүйелілік жəне сабақтастық, бірізділік, біртіндеп күрделендіру ұстанымдарының сақталуы;
- өмірмен байланысын, оқылатын материалдың практикалық мəнін, болмыстың негізгі құбылыстарын ұғынуға құштарлық туғызатын шығармашылдық ойлау дағдысын қалыптастыру мұқтаждығы;
- есептер шығаруда саралап жəне дербес оқытуға жағдай жасалуы;
- оқушылардың ғылыми ойлауын қалыптастыруға қажетті: икемділік, мақсаттылық, ұтымдылық, сыншылдық, бейімделгіштік сияқты сапалық қасиеттерге ұмтылысы;
- пайдаланушыларды рұқсат етілмеген əрекеттерден сенімді түрде қорғалуы.
Əдебиеттер тізімі
- Беркімбаев К.М., Сарыбаева Ə.Х., Үсембаева И.Б. Физиканы қолданбалы бағытта оқытуда сапалық есептерді пайдалану əдіс-тəсілдері. — Қазақстан педагогикалық ғылымдар академиясы хабаршысы. — — № 4 (54). — 100–106-б.
- Усова А.В., Тулькибаева Н.Н. Практикум по решению физических задач: Учеб. пособие для вузов. Для студентов физ.-мат. фак. — 2-е изд. —М.: Просвещение, 2001. — 206 с.; ил. — С. 203,
- Тишкова С.А., Стефанова Г.П. Практикум решения физических задач: Учеб.-метод. пособие. — Астрахань: Астра- ханский гос. ун-т; Изд. дом «Астраханский университет», 2011. — 60 с.