ЭЛЕМЕНТЫ ИННОВАЦИЙ В ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ В ШКОЛЕ И ВУЗЕ

Реализация инновационных подходов на конкретном предметном уровне нам представляется как вариативность и содержания, и методических приемов при обучении в частности, физике [4,5]. И как нам видится, сегодня одним из эффективных подходов по развитию и формированию познавательного интереса к фундаментальной науке физике является системная актуализация практической значимости изучаемых физических законов и явлений, для осознания учащимися их несомненной важности не только для всей цивилизации, но и для каждой личности в сфере их будущей профессиональной деятельности. И действительно, как показывает многолетний опыт обучения учащихся физике, познавательный интерес к физическим законам и явлениям существенно повышается при обосновании их важности в практической деятельности. В особенности, если делается акцент на связи этих законов со стратегическими задачами развития нашей страны. Это способствует также более глубокому и серьезному пониманию факта возрастающей востребованности специалистов с фундаментальным, естественнонаучным образованием в настоящем и в будущем, что ведет к формированию жизненных и профессиональных стратегий учащихся.

1. Изучение закономерностей движения жидкости и газов, в теме: «Механика жидкостей и газов» – актуализируется раскрытием значимости этой темы, обоснованием её связи со стратегическим направлением развития нашей страны – нефтегазовой отраслью. Необходимость знания закономерностей движения жидкости и газа по трубам при их перекачке из нашей страны и через нашу страну мотивирует познавательный интерес к изучаемой теме, пониманию таких физических характеристик как вязкость, сила сопротивления, аэродинамический коэффициент, числа Re, критические значения: _крит., Re_крит. и др.

А как известно, знания и понимание – основа для развития умений использовать их при решении конкретных практических задач, например, оценить одну из слагаемых уравнения Бернулли – динамическое давление, соответствующее определенной критической скорости _кр, при этом необходимо, прежде, определить возможные значения _кр , самому студенту выбрав исходные данные, близкие к реальным для нашей страны. Формирование умений и навыков к самостоятельной, творческой деятельности одна из важнейших составляющих в системе обучения физике в школе и вузе.

2. Еще одна тема «Электрический ток в жидкостях» (в частности, электролиз, ), известная студентам из школьного курса физики всегда увязывается нами с бурно развивающейся металлургической промышленностью в нашей стране (Усть-Каменогорск, Жезказган, Темиртау), имеющей адекватно огромные ресурсные потенциалы. Информация о громадных «электролитических ваннах», в которых благодаря электролизу получаются чистые металлы, и которые имел возможность видеть твой преподаватель, с большим интересом и любопытством воспринимаются студентами, поскольку и здесь акцент делается на то, что это очень практически важная составляющая развития нашей страны в настоящем и в будущем. Разумеется, мы подчеркиваем и то, что данная тема имеет множество других существенно важных направлений применения: энергетика, экология, искусство, архитектура и т.д.

3. Понятие о вакууме и эффузионные процессы в сильно разряженных газах привлекают внимание студентов, когда обосновываешь их значимость и применение, например, для обогащения урана, по запасам которого мы занимаем четвертое место в мире и его реализация тоже важнейшая стратегическая составляющая экономики нашей страны – это во-первых.

Во-вторых, как еще одна мотивация интереса к изучаемой теме, нам представляется обоснованный акцент по применению вакуумных установок при решении чисто прагматических задач, например, в технологических процессах пищевой отрасли для упаковки продуктов, и как известно, сегодня вакуумные упаковки продуктов находят все более широкое распространение.

В-третьих, что представляет исключительную важность – это использование вакуумных технологий в медицине для создания необходимых термо-барометрических условий в лечебных барокамерах и др.

Далее следует отметить, что у многих студентов оказалось весьма примитивное представление о вакууме, что следовало из их ответов на лаконичный вопрос преподавателя: Что такой вакуум?

Научное определение понятия вакуум требовало знакомство с такими характеристиками движения газовых молекул, как эффективный диаметр , эффективное сечение , длина свободного пробега и других общих характеристик термодинамической системы, от которых зависит величина длины свободного пробега . Таким образом, выстраивается цепочка мотивов, стимулов для изучения предлагаемой темы, в которой важной физической величиной оказывается длина свободного пробега газовых молекул.

Следующий вопрос: Какой закон, известный из школьного курса физики, может быть использован для измерений давления сильно разреженных газов? - предполагает активизацию мыслительной деятельности учащихся, стимулирование поисковой познавательной деятельности.

Не менее важны для развития творческого потенциала учащихся задания проблемного, и разумеется, поискового характера: определить уровень давления разреженного газа в мм.рт.ст. для различных значений (исходные данные выбрать самому), какова при этом концентрация молекул газа?

4. Явления переноса в газах: диффузия, вязкость, теплопроводность – это неотъемлемая среда нашего обитания, это процессы, сопровождающие жизнедеятельность нашего организма, это важные аспекты научных исследований не только естествознания, но и социальных наук, поскольку от этих явлений зависят возможности создания комфортности в социальной сфере – такая актуализация предстоящих к изучению физических явлений нам тоже представляется как мотив, стимул к осознанному изучению законов и уравнений, трактующих эти явления, напомним их.

- Уравнение диффузии (или закон Фика):

.

- Уравнение вязкости, определяющее силу внутреннего трения в жидкостях и газах (закон Ньютона):

- Уравнение теплопроводности для газов (закон Фурье):

Как видно из уравнений все три коэффициента переноса () зависят от средней длины свободного пробега молекул , поэтому для научных изысков важна возможность рассчитать по известным и кроме того, зная плотность газа вычислить диаметры молекул.

Как пример, раскрывающий внутри-предметные связи здесь можно предложить конкретную практическую задачу: оценить для молекул азота атмосферного воздуха при нормальных условиях и определить диаметр молекул азота.

Подобная мотивация познавательного интереса к рассматриваемым темам через ясное, понятное каждому студенту обоснование, раскрывающее её значимость лично для каждого из студентов независимо от области его будущей профессиональной деятельности дают эффективные результаты.

5. В подобном ключе изучаются и множество других тем, например, «Закон сохранения импульса – основа реактивного движения, уравнения Мещерского И.В., Циолковского Э.К.» с напоминанием, что мы – «космическая держава» – с Байконура почти ежемесячно взлетают ракеты.

Освоение космоса и подготовка специалистов для успешной работы на космодроме Байконур – одно из стратегических направлений развития нашей страны. Поэтому каждый образованный человек (а не только профессионал в этой области) должен знать принципы реактивного движения, законы, управляющие этим движением, оценку космических скоростей для разных планет и др.

Все указанные инновационные приемы дают положительный эффект, что подтверждается в процессе текущего и рубежного контроля знаний и умений студентов, когда почти каждый из первокурсников с легкостью записывая закономерности, находящиеся вне школьный программы по физике: ; ;

Уравнения Мещерского и Циолковского:

ясно и четко поясняет их смысл (содержание), назначение, демонстрируя понимание значимости этих и других законов физики для различных сфер научно-технической, производственной и другой деятельности любого современного общества и, естественно, для каждого из нас.

6. В обобщающей теме "Фундаментальные физические теории" мотивация познавательной деятельности – это нововведение в содержание практических занятий, задания по расчету мировых "предельных" констант М.Планка – m_p, , T_p и др., подчеркивающих значимость для научных исследований фундаментальных постоянных природы , с, [6].

Представляем фрагменты содержания практического занятия: "Фундаментальные физические теории и расчет Планковских констант"

По современным естественнонаучным воззрениям все объекты природы и сама природа в целом (т.е. Вселенная) подчиняются единым принципам эволюции. Это отражается в так называемых мировых (универсальных) константах, входящих в математические формулы законов природы. Комбинирование универсальных констант, т.е. объединение их в более сложные математические соотношения - один из путей углубленного познания природы. Такое комбинирование устанавливает взаимоотношения между различными фундаментальными законами. Например, между гравитацией и электромагнетизмом, относительностью и внутриядерными процессами и т.д.

Один из наиболее эффективных и перспективных подходов в «конструировании констант» получил название планковского по имени ученого М. Планка, впервые применившего его в 1900 г. в теоретических расчетах квантов (т.е. минимальных порций) энергии элементарных частиц. Планковские константы, изучаемые в данной работе, как предполагают ученые, определяют границы применимости физической теории к явлениям объективного мира. Опытная проверка такого предположения является делом будущего.

Ход выполнения работы

1. Повторить фундаментальные физические законы: , , .

2. Вывести размерности постоянных: Планка, гравитационной и скорости света в вакууме в системе измерений СИ и записать их значения в этой системе с точностью до трех значащих цифр.

Ответ: = ; =; .

h = Дж∙ с; ; .

Отметим, что современное опытное значение скорости света:

с = 2,997025·10⁸ м\с

3. Выведите соотношение между тремя вышеуказанными константами и планковской массой и рассчитайте значение последней.

Решение: ;

; ; .

Примечание. Индексом «р» здесь и далее отмечены планковские величины.

По современным научным представлениям - максимально возможная масса элементарной частицы.

4. 
   Найти значение планковской длины с примнеением «второго закона Ньютона»: .
   

По современным научным представлениям определяет квант пространства. Экспериментальная физика пока в состоянии уверенно исследовать материальные процессы в пределах расстояний не менее, чем

10^-15-10^-18м.

4. 
   Определить значение планковской плотности (вещества).
   

Для сравнения: плотность Земли (в среднем).

Плотность ядерного вещества:

Максимальная из известных плотностей - для нейтронной звезды – составляет

Аналогичным образом определяются и планковское время , и температура К, и сила , и энергия Дж.

В заключении отметим, что полученные выше формулы и соответствующие числовые значения планковских констант, несмотря на «школьный» способ их выведения и явно недостаточную строгость подхода, практически не отличаются от полученных в теоретической физике с использованием там самых современных научных концепций. Различие состоит в том, что в «серьезных » формулах вместо h используется - так называемая приведенная постоянная Планка, или постоянная Дирака:

Замена h на объясняется только соображениями рационализации, но не научной строгости. Числовые же отличия в соответствующих планковских константах составляют менее порядка величины (объясните – почему?), да и не для всех из них.

И здесь же, согласимся с Луи де Бройлем: "Таинственная постоянная - великое открытие Макса Планка", понимая, что именно с гипотез М.Планка началось зарождение новой современной физики – физики микромира, квантовой (волновой) механики, раскрывавшей, в свое время, перед учеными невообразимую, фантастическую картину мироздания.

1. 
   Государственная программа развития образования в РК на 2005-2010гг.//Образование в Республике Казахстан №1, Астана, 2008 –С.206-208
   
2. 
   Концепция развития образования Республики Казахстан до 2015 года // Педагогический вестник, 2003, №12.
   
3. 
   Лигай М.А, Морзабаева Р.Б., Магжанова К.О. Инновационная политика РК в области образования как программа инновационной деятельности педагогов физиков. // Материалы международной конференции. Кокшетауский гос.университет, 2006. -С.245-249.
   
4. 
   Лигай М.А, Ермекова Ж.К., Балашова Н.В. Новые педагогические технологии как средство реализации инновационных подходов в образовании //Вестник ЕАГИ №1, 2006. –С.196-199.
   
5. 
   Лигай М.А, Ермекова Ж.К. Инновационные подходы к обучению и некоторые формы контроля знаний //Материалы 6-ой научно-методической конференции. Астана, ЕНУ -2005. -С.180-182.
   
6. 
   Липовко П.О. Практикум по естествознанию. Ростов, н/Д-"Феникс" -2001. -С.184-189.
   

Оқыту технологиясы – бір жағынан оқу ақпаратын өңдеуге, бейнелеуге және өлшеуге арналған әдістер мен құралдардың жиынтығы, екінші жағынан оқытушының оқыту процесіне қажетті техникалық немесе ақпараттық құралдарды пайдаланып студентке әсер ету әдістері туралы ілім.

Оқыту технологиясын жасау үлгісін мына 1-суретте келтірдік:

Оқыту технологиясының анықтамасына тереңірек үңілетін болсақ:

– білімнің, ғылыми жетістіктердің, техниканың белгілі бір аймағында туындаған мәселелерді шешу бағытында ұйымдастырылған, жоспарлы күйде тұрақты жүзеге асырылатын білімді, біліктілікті және дағдыларды меңгеру;

– оқыту, өздігінен білім алу және өзін өзі бақылау процестерін қажет етіп, соларды жүзеге асыратын шарттарды қалыптастыруды қамтамасыз ететін әдістер, тәсілдер, құралдар жиынтығы.

Оқыту технологиясының басты мақсаты – техникалық ресурстарды, адам ресурстарын және олардың өзара әрекеттесуін ескеріп, білім берудің үдерісін оңтайландыру.

Жалпы «оқыту технологиясы» мен «педагогикалық технологияны» тығыз баланысты алып қарастыру керек (2-сурет). Бірақ бұл екі технология тепе-тең емес. Оқыту технологиясы көпшілікті оқыту мен кәсіби дайындау жүйесін құрастыршы, ал педагогикалық технологияны білім беру кеңістігінің қағидаларын және оңтайландыру тәсілдерін анықтаушы ұғым ретінде қабылдауымызға болады.

1-сурет. Оқыту технологиясының жаңаша жасау үлгісі

Оқыту технологиясы – жүйелік категория, ол ғылыми білімді дидактикалық пайдалануға, оқу процесін ғылыми жолмен ұйымдастыруға және талдауға бағытталған. Мұнда оқытушылардың ізденістері және студенттердің жеке тұлға ретінде дамуында жоғары нәтижелерге жетуге бағытталуы да ескеріліеді.

Кейбір педагок ғалымдар [1] оқыту технологиясын әр түрлі сапалы дидактикалық, жалпы педагогикалық, психологиялық т.б. процедуралардың біртұтас жиынтығы ретінде алып қарастырады. Бұл жиынтық сәйкес мақсаттар мен оқыту мазмұнына байланысты студенттердің іс-әрекет түрлерінің қажетті өзгерістерін іске асыруы қажет. Осы анықтама бойынша оқыту технологиясы біртұтас дидактикалық жүйені құрайтын амалдар мен процедуралардың тізбегі болып табылады. Бұл тізбекті педагогикалық практикада жүзеге асыру нәтижесінде оқыту мен тәрбиелеудің нақтылы мақсаттарына жетеміз.

Осы тенденциялардың негізінде қазіргі заманғы жоғары оқу орындарындағы оқыту технологияларына қойылатын талаптарды тұжырымдайық:

1) оқытудың негізгі түрі ретінде фронтальды оқытудың негізінде әрбір студенттің тиімді жеке бағдарлама бойынша оқуын қамтамасыз ету;

2) педагогикалық ортадағы оқыту процесін тиімділігін арттыруға мүмкіншілік жасау;

3) оқытудың қызықтыру, іс-әрекетті меңгеру мақсатын меншіктеу, іс-әрекетті бағдарламалау, іс-әрекетті меңгеру деңгейін бақылау, белсенділік. өзіндік танымдық әреке принциптерін жүзеге асыуды қамтамасыз ету;

4) дәстүрлі педагогикалық принциптер мен заңдылықтардан бас тартпау, олардан үйрену, жетілдіру, жаңаша көз қараста пайдалану.

Оқыту технологиясы әдістеме ғылымымен тығыз байланысты. Оқыту технологиясы мен әдістеменің мақсаты бір, екеуі де оқытудың тиімді жолдарын қарастырады. Оқыту технологиясы үздік ғылыми әдістемелерге сүйенеді.

Оқыту технологиясы мен педагогикалық технологияның ара қатынасын былайша тұжырымдауға болады:

– педагогикалық технология мен оқыту технологиясы жалпы жәнеарнаулы ара қатынаста болады;

– педагогикалық технологиясы басқарылушы, ал оқыту технологиясы басқарушы жүйе болады;

• 
  екеуі де білім кеңістігін қайта жаңғыртатын жалпы стратегияда көрініс табады.
  

2-сурет
Қазіргі заманауи оқыту технологияснда ақпараттық оқыту технологиясы маңызды орын иеленеді (3-сурет). Ол білім, ғылым туралы , оның оқыту технологиясына қатысты ақпараттың кез келген көлемін орналастырудың, сақтаудың, өңдеудің және кез келген қашықтықтарға тасымалдаудың шексіз мүмкіндіктерін береді.

3-сурет. Ақпараттық оқыту технологиясы

– оқытудың компьютерлік технологиясы;

– оқытудың интерактивті режимі;

– мультимедиялық технология;

• 
  оқытудың жаңа ақпараттық технологиясы;
  
• 
  қашықтан оқыту технологиясы;