Физика | Механика бөлімінің педагогика-психологиялық негіздері

Кіріспе
Қазақстан Республикасы білім беру стандартының, базистік оқу жоспарының қабылдануы пәнді оқыту мазмұнына, құрылымына, әдістемесіне елеулі өзгерістердің енгізілуін талап етеді. Қазіргі кезде физиканы оқытуда оқушылардың болашақта қандай мамандықты таңдап алуына тәуелсіз, олардың пән бойынша міндетті дайындық деңгейін қамтамасыз ету физиканы оқытудың өзекті міндеттерінің бірінен саналады. Ал физикалық білім берудің ерекшелігіне әрбір оқушының, оның ішінде пәнге ерекше ықылас пен қабілеттілік байқатқан оқушылардың қажеттілігін қанағаттандыруға мүмкіндік туғызатын оқытудың деңгейлік және бағдарлы саралауға бағытталуын жатқызуға болады.
Физиканың жаратылыстану ғылымдары жүйесіндегі жетекші рөлі, жалпы адамзаттық мәдениеттің маңызды құраушысы ретіндегі ауқымды гуманитарлық потенциалының болуы, сондай-ақ оның оқушыларды тәрбиелеу мен дамытудағы мүмкіндіктері физиканы мектепте жалпы білім беретін міндетті пән ретінде оқытылуы тиіс екендігін көрсетеді.
Оқушыларды қазіргі заманғы ақпараттар ағымының жеделдеп артуымен техника дамуы жағдайындағы өмірге дайындауда және олардың дүниетанымын қалыптастыруда мектепте физиканы жалпы білім беретін пән ретінде зерделеудің үлкен мәні бар. Қоғам өмірінің барлық саласына дерлік компьютерлер енуде, денсаулық сақтау, тамақ өнеркәсібі, құрастыру, күрделі ғылыми, өндіріс, әскери құрал-жабдықтарды жасау мен өңдеу сияқты адам қызметінің көптеген салаларына үнемі өзгеру үстіндегі жаңа технологиялар қарқынды енгізілуде, көптеген мамандықтар лазерлермен, роботтармен байланысты. Сондықтан физика сияқты іргелі ғылымның негіздерімен қаруланудың оқушылар үшін шешуші мәні бар.
Бүгінгі таңда еліміздегі және әлем кеңістігіндегі физикалық білім берудің басым бағыттары ретінде:
• оқушыларды іргелі физикалық теориялардың негіздерімен таныстыру, игерілген білімдерін бақыланатын құбылыстар мен процестерді түсіндіруге қолдана алу біліктілігін қалыптастыру;
• оқушылардың ғылыми ойлауын және дүниетанымын, әлемнің ғылыми бейнесін қалыптастыру;
• оқушыларды болашақ кәсіпті таңдап алуға дайындау, олардың шығармашылық қабілеттіліктерін дамыту, білім алуға ынталандыру, қазіргі заманғы өркениеттегі физиканың рөлін ашу;
• оқушылардың ақпаратты сын көзімен ой елегінен өткізе алу, түсіндіре алу, түрлендіре алу, игеру, оның ғылыми сапасын бағалай алу сияқты қабілеттіліктерін дамыту болып табылады.
Физиканың білім берудің бұл мақсаттарына жетудегі мүмкіндіктері жеткілікті, ол оның қоршаған ортаны, қоғам өмірінің әлеуметтік-экономикалық және мәдени өмірін танып-білудегі мәнімен анықталады.
Қазақстан Республикасы 2015ж. дейінгі білім берудің дамуы тұжырымдамасына, білім беру стандартына сәйкес барлық оқушылар үшін негізгі мектеп міндетті болып табылатындықтан, физика курсының логикалық межеде аяқтағандық сипаты болады, яғни оған физиканың «Механика» бөлімінен бастап, атомдық және атом ядросы физикасына дейінгі бөлімдер, сондай-ақ астрономияның негіздері де кіреді. Сондықтан негізгі мектепте қарастырылатын физикалық теориялар мен ұғымдардың аясы да кеңейе түседі.
Физика – жеке тұлғаның ақыл-ой қабілетінің көзін ашу және оның үздіксіз дамуы мен жетілуін қамтамасыз ететін пәннің бірі.
Бірақ, қазір техниканың өрлеу кезеңінде физика пәнінің мұғалімдері оқушылардың пәнге деген қызығушылығының төмендегенін айқындайды. Бұған қазіргі материалы өте қиын және кемшілігі мол оқулықтар кінәлі. Ал физиканың өзі жоғары сыныптарға өту барысында түсініксіз, қызықты емес пәнге айналды. Осы қызық және қажетті, бірақ қиын пәнді балалар жақсы көріп, қажетті екенін түсінуіне қандай жағдай жасау керек? Білім беру ісін ізгілендіру туралы жиі айтылуда. Бұл көкейкесті мәселе. Бұл сұрақтың шешімін табу мақсатында мен дипломдық жұмысымда қызығушылықты арттыру әдістемелерін ұсынып отырмын.
Механика ғылымының дүниеге келуі.
Механика мәселелерінің, механика-ғылымының мәселелеріне қарағанда аясы әрі тар, әрі кең. Тар болатын себебі, мектепте тек қана механика ғылымынан әдейілеп сұрыпталып алынған аз ғана материал оқытылады. Кең болатын себебі, осы материалды оқыту барысында көптеген педагогикалық мәселелер шешімін табады. Атап айтқанда: оқушылардың ой-өрісін дамыту, дүниетанымын қалыптастыру, оқушыларды механика әдістерімен және оның негізгі түсініктерімен, шамаларымен, заңдарымен және тағы басқаларымен таныстыру.
Механиканың негізгі мәселесі – тек қана «дененің орнын кез-келген уақыт мезетінде анықтауға келіп тірелмейді. Бұл механиканың қолданбалы мәселелерінің бір дербес қана жағдайы». «И.Ньютонның қайтыс болғанына 200 жыл» деген еңбегінде А.Эйнштейн былай деп жазды: « Егер материялық нүктеге әсер ететін күш белгілі болса, онда... оның жылдамдығын және кез келген уақыт кезеңіндегі орнын табу физикалық емес, таза математикалық мәселе болып саналады». Механика табиғатта және техникада болып жатқан механикалық құбылыстарды, оның ішінде ең алдымен , механикалық өзара әсерді және денелердің қозғалысын зерттейді.
Механика ғылымы – макроскопиялық денелердің қозғалысы мен өзара әсерлесуін зерттейтін ғылым. Механика гректің mechanike деген сөзінен шыққан. Бұл машиналар жайындағы, оларды құрастыру өнері жайындағы ғылым дегенді білдіреді.
Қазігі кезде қарапайым механизмдер деп аталып жүрген алғашқы қарапайым машиналар – рычаг, сына, дөңгелек, көлбеу жазықтық және тағы басқалар өте ерте заманда пайда болған. Адамның алғашқы қаруы таяқтың өзі – рычаг. Тас балта – рычаг пен сынаның үйлесімінен тұрады. Дөңгелек қола дәуірінде пайда болған, ал одан сәл кейінірек, көлбеу жазықтық пайдаланыла бастады.
Тіпті б.э.д. Ү ғасырдың өзінде-ақ афин әскерлері (Пелопоннес соғысы) қорғанды қиратқыш машиналар – таранды, лақтыру құралдары – баллист пен катапульттарды қолданған. Бөген, пирамида, кеме және басқа құрылыстар салу, бір жағынан, механикалық құбылыстар туралы білім қорын жинақтауға себін тигізсе, екінші жағынан жаңа білімді қажет етті. Міне, осы жаңа практикалық қажеттілікке жауап ертінде жаңа білім – механика дүниеге келді.
Қарапайым машиналардың құрылысы мен қасиеттерін баяндайтын механика туралы жазылған алғашқы шығармалар – трактаттар Ежелгі Грекия ғалымдарына тиесілі. Олардың қатарында Аристотельдің (б.э.д. ІҮ ғасырда) «Физика» деп аталатын еңбегі жатады, мұнда алғаш рет ғылымға «механика» термині енгізілді. Аристотель бұл еңбегінде механикалық құбылыстар жөніндегі өзіне дейінгі ғалымдардың еңбектерін бір жүйеге келтірді.
Б.э.д. ІІІ ғасырда ежелгі грек ғалымы Архимед механикалық құбылыстарды талдау және сипаттау үшін алғаш рет математиканы пайдаланды. Архимед рычагтың тепе-теңдігі мен денелердің жүзу заңдарын тұжырымдады. Осы кезден бастап механика ғылым ретінде дами бастады.
Механиканың дамуындағы жаңа бір кезең Г.Галилейдің инерция заңын тұжырымдап, дененің құлап түсуі және маятник тербелісінің заңдарын тағайындаған еңбегімен тікелей байланысты.
Галилей және онымен замандас ғалымдардың еңбектерінде, сондай-ақ өз зерттеулерінің нәтижелеріне сүйене отырып, ағылшын ғалымы И.Ньютон денелердің механикалық қозғалысы мен өзара әсерлесуі жайында классикалық механика деп аталатын біртұтас ілімді құрды.
Механика туралы ілім ең алдымен бізді қоршаған дүниені танып білу үшін қажет, олай дейтініміз, кез келген құбылыс қозғалыспен тікелей байланысты. Шын мәнінде механика білімінсіз табиғатта болып жатқан құбылыстарды ұғыну тіпті де мүмкін емес.
Көптеген техникалық обьектілердің ( мейлі шаңсорғыш болсын, немесе ғарышкеме болсын және т.с.с.) құрылысын және жұмыс принциптерін түсіну үшін, оларды ойлап табу үшін, дұрыс және тиімді пайдалану үшін механика білімі қажет.
Сонымен қатар, механика білімінің қажеттілігі сонда, ол ғылым ретінде физиканың басқа салаларынан және басқа ғылымдардан бұрын пайда болды, оның құбылыстарды оқып-үйрену әдістері, негізгі ұғымдары физиканың басқа салаларында және физикаға жақын ғылымдарда (астрономия, электро – және радио – техника, космонавтикада және басқаларда) пайдаланылады. Механика – физиканың және көптеген басқа ғылымдардың іргетасы десек, артық айтқандық емес. Осы айтылғандардан механика білімінің кез келген мамандық иесіне қажет екенін көреміз. [1]
Физиканы оқыту механикадан басталады.
Мектеп физика курсы 4 бөлімнен тұратыны белгілі: механика, молекулалық физика және термодинамика негіздері, электродинамика және кванттық физика. Демек, оқушылар физикалық білім алуды механикадан бастайды. Оқу пәніне басында қызықса, онда оқушы физиканың барлық бөліміне қызығатын болады. Сондықтан да мен оқушыларды физикаға қызықтыру үшін, оларды алдымен механикаға қызықтыру керек деп есептеймін.
Адамның табиғи ақыл-ой қабілеті оның дамуының қуатты қозғаушы күші болып табылады. Білім берудің негізгі мақсаты – жеке тұлғаның ақыл-ой қабілетінің көзін ашу, және оның үздіксіз дамуы мен жетілуін қамтамасыз ету. Физиканы оқытудың бүкіл оқу әдістемелік жүйесі осы негізгі мақсатты жүзеге асыруға қызмет етуі керек. Менің дипломдық жұмысымның мақсаты: Механика бөліміне қызығушылықты арттыру әдістерін ұсыну. Бұл мақсатқа жету үшін мен алдыма мынадай міндеттерді қойып отырмын:
1) Мектеп курсындағы механика бөлімін оқыту деңгейін зерделеу.
2) Оқушылардың қызығушылығын арттыру үшін қажетті ғылыми әдістемелік әдебиеттерге шолу жасау.
3) Оқушылардың механикаға қызығушылығын арттыру тәсілдерін ұсыну.
ҚР жалпыға орта білім берудің мемлекеттік стандарты.
Механика. Материялық нүктенің түзу бойымен қозғалысы; координата, жылдамдық, үдеу. Бірқалыпты және бірқалыпты үдемелі қозғалыс; координата мен жылдамдықтың уақытқа тәуелділігі. Бірқалыпты және қисық сызықты қозғалыс.
Механикалық тербелістер: гармониялық тербелістер; амплитуда, жиілік және период. Еркін және еріксіз тербелістер. Резонанс. Серпімді толқындар, олардың таралу жылдамдығы. Дыбыстың қаттылығы. Тонның жоғарылығы. Денелердің өзара әсерлесуі. Масса. Күш. Ньютон заңдары. Дене импульсі, импульстің сақталу заңы. Реактивті қозғалыс. Жұмыс және қуат. Потенциалдық және кинетикалық энергия. Механикалық энергияның сақталу заңы. Жай механизмдердің пайдалы әсер коэффициенті.
Бүкіләлемдік тартылыс заңы. Ауырлық күші. Еркін түсу. Салмақ. Салмақсыздық. Қатты денелердің серпімді және пластикалық деформациялары. Серпімділік күші. Гук заңы. Үйкеліс. Үйкеліс күші. Заттың тығыздығы. Сұйықтар мен газдардың қысымы. Паскаль заңы. Архимед күші. Денелердің жүзуі. Сұйықтар мен газдардың қозғалысы. Бернулли теңдеуі. [2]
I-тарау. Механика бөлімінің педагогика-психологиялық негіздері.
1.1 Механика-физиканың іргетасы.
1.1.1 Механика-физиканың бір бөлімі.
Адам әр кезеңде де өзін қоршаған ортамен күрделі өзара әсерге түседі және түсе де бермек. Осындай өзара әсерлесудің бір белгісі - ол өзін қоршаған ортаны зерттеу болып саналады.
Табиғатты зерттейтін бірнеше ғылымдар бар, оларды жалпы айтқанда жаратылыстану деп атайды. Жаратылыстану ғылымдарының ішінде ерекше орын алатыны – физика. Ал физиканың ішінде-механика ерекше орын алады. Механиканың мұндай жағдайға ие болуының бірнеше себебі бар:
біріншіден, адам ерте заманда өзін қоршаған ортаны тани бастағанда механикалық құбылыстарды зерттеу аса қажет болды. Механиканы білу үшін, үйлер салу үшін, қарулар жасау үшін және т.б. қажет болды. Сондықтан алғашында физика негізінен механикадан ғана тұрды;
екіншіден, физиканың жаңадан ашылған барлық бөлімдері механикаға сүйеніп, оның әдістері мен ұғымдарын пайдалана отырып, дүниеге келген. Қазіргі физиканың іргетасы ретінде механиканы пайдаланып отыр деуге әбден болады.
1.1.2 Механика әдістері.
Физикалық құбылысты зерттеу бақылаудан басталады, яғни осы құбылысты табиғи жағдайда зерттеуден басталады. Айталық, бізге денелердің еркін түсу заңдары белгісіз екен делік. Егер осы заңдарды анықтағымыз келсе, онда ең алдымен, денелердің еркін түсуін бақылауға тиістіміз.
Алайда, құбылысты құр ғана бақылау, ол туралы ешқандай білім бермейді. Галилейге дейінгі өмір сүрген миллиондаған адамдар денелердің еркін түсуін бақылаған болар, алайда олардың біреуі де ол құбылысты зерттеген жоқ. Кездейсоқ және шашыраңқы бақылауларды бір жүйеге келтіріп, ойланып және барлық денелер бостықта бірдей құлауы тиіс деген болжамды айту үшін Галилей сияқты ұлы ақыл иесі керек болды. Ол тек қана болжам айтып қойған жоқ, сонымен қатар оын тексерудің жолын айқындап берді.
Демек, физикалық құбылысты зерттеудің екінші кезеңі оны сапалық талдау болып саналады. Бұл талдау барысында құбылыстың мәні туралы болжам (гипотеза) айтылады және айтылған болжамды эксперимент жүзінде тексерудің жоспары құрылады.
Физикалық эксперимент-құбылысты зерттеудің екінші кезеңі. Зерттеу әдісі ретінде физикалық эксперимент бақылаумен байланысты болғанымен, одан мәнді айырмашылығы бар. Бақылау тек қана құбылыстың бетінде жатқандарды тіркейді. (Мысалы, Галилейге дейінгі адамдар жеңіл денелер ауыр денелерге қарағанда жайырақ түсетінін бақылады. Бірақ, олардың біреуі де неге осылайша болады дегенді анықтауға тырыспады). Эксперимент барысында құбылыс қайталанып қана қоймай, сонымен қатар оның қандай шарттарға және параметрлерге байланысты екендігі зерттеледі, қажетті өлшемдер жүргізіледі.
Сонымен, экспериментті өткізген уақытта құбылыстың мәнін анықтау үшін оның жүру барысында белсенді түрде араласып отырамыз. Экспериментті өткізу кезінде құбылыс анық та, айқын білінетіндей жағдай жасалуы керек. Мысалы, денелердің еркін түсуін зерттегенде Галилей еркін түсіп келе жатқан денелер ретінде өлшемі бірдей шарлар алған.
Эксперимент барысында ғылымға қажетті жаңа фактілер ащылады, алайда олар шындықты дәл білдіре қоя алмауы мүмкін. Құбылыстың мәнін тереңінен түсіну үшін алынған эксперименттік фактілерді теориялық ой елегінен өткізу қажет. Осы кезде қажетті математикалық және ұғымдық аппарат пайда болады. Бұл құбылысты зерттеудің ең қиын сатысы болып есептеледі, өйткені бұнсыз дәл білім жинақтауға болмайды және физикалық теория тұжырымдалмайды. Атақты физик Макс Борн былай деп жазған: «Физиканың алдында мынадай мәселе тұр: құрал-жабдықтарды пайдалана отырып, біздің сезім мүшелеріміз арқылы бақыланып отырған нақты құбылыстарды дәл өлшейтін және оңай тұжырымдалатын заңдарға қалай айналдыруға болады?» Қозғалыстың жылдамдығы туралы ұғым Аристотельдің өзіне белгілі болған, ал «үдеу» терминін тек 1841 жылы Понселе енгізді.
Физикалық құбылыстарды зерттеудің бұл кезеңінде физиктер математиканы пайдаланған және математикалық операциялар арқылы жаңа енгізілген шаманы бұрыннан белгілі шамалар арқылы өрнектеген. Бұл арқылы шамаларды өлшеуге қажетті алғышарттар жасалынды.
Эксперимент нәтижелерін теориялық талдау зерттеушіге эксперименттік заң тағайындауға мүмкіндік береді және осы заңды өзі тұрған физикалық теорияға енгізеді.
Зерттеген құбылыстарды түсіндіретін физикалық теория: 1) физикалық теорияны түсіндіретін және оның негізін құратын эксперименттік фактілерден; 2) теорияның негізгі заңдарын өз тілінде тұжырымдайтын математикалық аппараттан; 3) алынған формулалардың физикалық мағынасын ашып беретін ұғымдық аппараттан тұрады.
Айтылғандардан көріп отырғанымыздай, ғылыми зерттеу барысында, физиктер бірімен бірі тығыз байланысқан екі әдісті-эксперименттік және теориялық –пайдаланады. Теория мен эксперименттің бірлігін қатып қалған тұрғыдан қарастыруға болмайды. Зерттеудің бір кезеңінде эксперимент теорияны басып озатын болса, енді бір кезеңінде, керісінше, экспериментті теория басып озады немесе эксперимент пен теория дамуында уақытша параллелизм болуы да мүмкін. Теория мен эксперименттің бірлігі деп адамдар өзін қоршаған ортаны танып-білуде бірі-бірін толықтырып отыратын, бірімен -бірі тығыз байланысқан екі әдісті айтамыз.
Білімді қандай әдіспен (эксперименттік немесе теориялық) алса да, ол бірдей болады. Ғылым үшін де, адамзат үшін де ғылыми фактілер мен осы фактілерді түсіндіретін білімнің бағалылығы бірдей.
1.1.3 Механика және техника.
Физика ғылым ретінде қоғамдық өндірістің қажеттілігінен туды. Қажеттілік пайда болған сайын, физиканың әрбір сәйкес саласы пайда болып отырды. Мысалы, өзінің ерте кездегі дамуында адам баласы негізінен мал және жер шаруашылығымен айналысты, сондықтан мал бағатын және жер өңдейтін халықтар үшін жыл мезгілінің ауысуы туралы заңдылықтарды білу өте қажет болды. Бұл кейінірек астрономия болып бөлініп кеткен физиканың бір бөлімінің пайда болуына әсер етті. Алайда, астрономия тек қана математика көмегімен дами алған болар еді. Осыдан барып математика біліміне қажеттілік туды да, математиканың дамуына жағдай жасалынды. Ендеше, механиканың пайда болуы, оның дамуы, өндірістің қажеттілігінен туған нәрсе екен.
Механика пайда болған заманнан бастап, ол техникалық проблемелерды шешумен айналысады.
Бүгінгі механика-космонавтиканың, авиацияның, су үстіндегі және су астындағы транспорттың, машина жасаудың, құрылыстың, қорғаныс және медицина техникасының ғылыми негізі. («Жасанды жүрек», «жасанды бүйрек», «жүректің жасанды құлақшалары» т.б.-ды еске алайық). Қазіргі кезде механика білімін қажет етпейтін бірде-бір өндіріс жоқ.
1.1.4 Механика және табиғатты тану.
Табиғат құбылысының механикалық жағын зерттемесек, онда оны жан-жақты танып-білдік деп айтуға болмайды. Бұның ешқандай да таңданарлығы жоқ: бізді қоршаған ортаға көптеген құбылыстар механикалық қозғалыспен байланысты болады. Күннің, Жердің және басқа планеталардың қозғалысы, су мен ауаның қозғалысы, денелердің құлауы, адамдардың, жануарлардың, балықтардың, құстар мен жәндіктердің орын ауыстыруы, жануарлар денесіндегі қан, өсімдіктегі тұздар ерітіндісінің қозғалысы, адамдар мен жануарлардың жүрек, бауыр және басқа мүшелерінің қызметі, клеткалардың бөлінуі –сияқты құбылыстарды механика білімінсіз түсіндіруге болмайды. Механика табиғатты танудың негізі десек, артық айтқандық болмайды. Механика білімінсіз бізді қоршаған ортаны зерттеуге болмайды.
1.1.5 Классикалық механиканың қолданылу салалары.
Ньютонның заңдары (принцинтері) 1687 жылы шыққан Ньютонның «Натурал философияның математикалық бастамалары» деген кітабында тұжырымдалғанды. Ньютон механикадағы өзіне дейінгі табыстарды жалпылай отырып, механика- ғылымның тамаша сарайын тұрғызды.
Механиканың принциптері (заңдары) логикалық тұрғыдан да, эксперименттік тұрғыдан да қорытылмайтынын тағы да еске сала кетейік. Бұл заңдардың дұрыстығын адамзат баласы жинақтаған фактілер жүйесі өте үлкен дәлдікпен дәлелдеп береді. Ньютон механикасын көбінесе классикалық механика деп атайды. Сол арқылы оның негізіне, оны тудырушыға деген құрметін білдіреді.....