Электродинамика объектілерін зерттеу барысында зияткерлік мектептер мен лицейлердің оқушыларының білім жүйесін қалыптастыру процесін жетілдіру мәселесі ашық болып табылады. Бір зерттеуде осы мәселенің барлық аспектілері мен жақтарын бірдей толық қарастыру мүмкін емес екені түсінікті. Алайда, зияткерлік мектептер мен лицейлер оқушыларының білім жүйелілігіне оқыту процесінің кейбір өзара байланысты жақтарын жетілдіру жағдайында қол жеткізуге болады деп есептейміз. Осыған сәйкес осы жұмыста талдау және зерттеу объектісі тұрақты электр тогын оқыту мақсаты, оқу материалын беру әдістері мен құралдарын қамтитын пәннің мазмұны мен оқыту процесі болды. Оқытудың осы тараптарына ерекше көңіл бөлінді.
Түйін сөздер: тұрақты электр тогы, айнымалы электр тогы, электрондар, өткізгіштік, металдардағы бос электрондар, электродинамика, электростатика, термодинамика, кернеу, кедергі.
В ходе изучения объектов электродинамики вопрос совершенствования процесса формирования системы знаний учащихся Интеллектуальных школ и лицеев является открытым. В одном исследовании понятно, что все аспекты и стороны этой проблемы не могут рассматриваться одинаково в полной мере. Однако считаем, что системность знаний учащихся Интеллектуальных школ и лицеев достигается в условиях совершенствования некоторых взаимосвязанных сторон процесса обучения. В соответствии с этим объектом анализа и исследования в данной работе были цели обучения постоянному электрическому току, содержание дисциплины и учебный процесс, включающие методы и средства передачи учебного материала. Особое внимание было уделено этим сторонам обучения.
Ключевые слова: постоянный электрический ток, переменный электрический ток, электроны, проводимость, свободные электроны в металлах, электродинамика, электростатика, термодинамика, напряжение, сопротивление.
Қазақстанда заманауи әлеуметтік-экономикалық қатынастарды дамыту мақсатында, ең басты мәселелердің бірі — білім берудің және оның сапасын жақсарту талабы. Ол жалпы білім беретін мекеме оқушыларының өз әл-ауқаты үшін де, қоғамның әл-ауқаты үшін де жеке жауапкершілік алуға әзірлігі мен қабілетін көздейді.
Бұл мақсатқа жетуде оқушыларға технологиялық білім беру маңызды рөл атқаруы тиіс. Қазақстандық мектептерде ұзақ жылдар бойы оқушылардың физика курсының басты тақырыптарының дайындығы оң және теріс жақтары болды. Кейбір мәліметтер бойынша тақырыпқа баулу қызығушылығы төмен болды, себебі оқушылардың қажеттіліктері мен бейімділігімен байланысты емес [2]. Оқушылар өз еңбегінің әлеуметтік және жеке маңыздылығын көрмеді. Физика курсының тақырыптарын оқытуды ұйымдастырудың кейбір дәстүрлі әдістері оқушыларды зерттеу қызметіне теріс әсерін тигізуі мүмкін, олар үшін неғұрлым тартымды. Алайда, зияткерлік мектептер мен лицейлер оқушыларының білім жүйелілігіне оқыту процесінің кейбір өзара байланысты жақтарын жетілдіру жағдайында қол жеткізуге болады деп есептейміз.
Сондықтан осы ғылыми жұмыста талдау және зерттеу объектісі “тұрақты электр тогын оқыту” мақсаты, оқу материалын беру әдістері мен құралдарын қамтитын пәннің мазмұнын мен оқыту процесін жетілдіру әдістерін ұсынуға тырыспақ.
«Тұрақты электр тогы» тақырыбы зияткерлік мектеп немесе лицей физика курсындағы «Электродинамика» бөлімінің бір бөлігі болып табылады. Бұл бөлім әдетте «Термодинамика» бөлімінен кейін оқытылады және осы тақырып Х сыныпты физика курсын аяқтайды немесе XI сыныпты физика курсын бастайды.
Тұрақты токтың заңдылықтары бастапқыда VIII сыныпта «ток күші, кернеу, кедергі", «жұмыс және ток қуаты»тақырыптарында оқытылады. Бұл материалды зерттеуге X немесе XI класстағы тұрақты ток заңдарын зерттеуге қарағанда біршама уақыт бөлінеді. Сол кезде оқушылардың политехникалық білімі электрлендіру және электр энергетикасының физикалық негіздерінің білімдерімен толықтырылады, оқушылар кейбір электр құралдарымен жұмыс істей білу дағдысы мен біліміне ие болады. Тұрақты токтың заңдарын оқып-үйрену оқушылардың еңбек тәрбиесі үшін де маңызды, себебі кез келген өнеркәсіптік өндірісте, ауыл шаруашылығында, тұрмыста балалар электр энергиясын пайдалану арқылы кездеседі. Сонымен қатар, интернационализм мен патриотизмді тәрбиелеу үшін оқылатын материалдың маңызы туралы айту маңызды, өйткені бұл тақырыпта ғылымның интернационалдық сипатын көрсететін және электродинамиканың дамуына орыс ғалымдарының елеулі үлесін көрсететін және осы бөлімнің жетістіктерін пайдаланатын көптеген жарқын мысалдар бар.
Әр түрлі ортадағы электрөткізгіштік процестерін зерттеу оқушыларды электрониканың физикалық негіздерімен таныстырады-ғылыми-техникалық прогрестің ең тиімді және перспективалық бағыттарының бірі. Вакуумдық диодтың, электронды-сәулелі түтіктің, жартылай өткізгіш диодтың, транзистордың және т. б. құрылысы мен әрекеті қарастырылады. Бұл осы тақырыптың үлкен политехникалық мәнін анықтайды. Әр түрлі орталарда электр тогын зерттеу тек политехникалық мағынаға ғана емес, сонымен қатар үлкен тәрбиелік және дүниетанымдық мәнге ие: мұнда суеверия мен қорқыныш (найзағай, күн сәулесі) көзі болған құбылыстар зерттеледі, оқушылар заттың төртінші жағдайы — плазмамен танысады.
Сонымен қатар, әр түрлі орталарда токты оқу кезінде оқушылар XI класты физика курсында оқитын, вакуумдық фотоэлемент, рентген түтігі, элементарлық бөлшектердің газ разрядтаушы есептеуіші, радиоқабылдағыш, Өшпейтін тербелістер генераторы, радиолокациялық қондырғы және т. б. сияқты аспаптар мен қондырғылардың құрылғысын және әрекеттерін түсіну үшін негіз қаланады.
Соңында, «тұрақты электр тогы» тақырыбын оқу логикалық, теориялық ойлауды одан әрі дамытуға ықпал етеді (тақырыптың нақты жүйесі, аналогияға сүйену, талдау, синтез және т. б. арқасында), ғылыми-шығармашылық ойлауды (Әртүрлі электр аспаптармен танысудың, зертханалық жұмыстар мен эксперименттерді орындаудың арқасында).
Осы тақырып құрылымының әр түрлі нұсқалары бар: кейбір авторлар оны өзара байланысты 2 тарауға бөледі: «тұрақты ток Заңдары «және»түрлі ортадағы электр тогы». Кітаптың бірнеше авторлары тақырып ішінде алдыңғы бөлуден ерекшеленетін бірнеше бөлімді ұсынады: олар «металдардағы тұрақты ток» және «жартылай өткізгіштердегі, вакуумдағы, газдардағы, электролиттердегі электр тогы»тарауларын көрсетеді. Авторлары бұл тақырыпты біртұтас ретінде зерттеуді ұсынатын оқулықтар бар — бірақ әр түрлі орталардың өткізгіштігін зерттеуге өте аз көңіл бөлінеді.
Мәні бойынша, VIII сыныпта токты сипаттайтын барлық ұғымдар және электр тізбектерінің параметрлері қарастырылады. Физика курсының бірінші сатысында қарастырылған материалмен салыстырғанда X (XI) сыныпта тек бірнеше жаңа сұрақтар оқытылады, бірақ олар электр тогының заңдылықтарын түсіну үшін маңызды мәнге ие. Оларға жатады:
- тұрақты токтың болуы үшін қажетті шарттар;
- толық тізбек үшін Ом заңы.
X (XI) сыныптың бағдарламасына тізбек учаскесінің ұзындығын ОМ Заңын және өткізгіштердің тізбекті және параллельді қосылыстарының заңдарын бір мезгілде қайталауға мүмкіндік беретін мәселелер енгізілген.
Әр түрлі орталардағы электр тогы заттың микроқұрылымы мен классикалық электрондық теорияның элементтері туралы түсінік негізінде оқытылады. Әртүрлі орталардың өткізгіштік механизмін, заряд тасығыштардың табиғатын, олардың осы орталардағы қозғалыс сипатын зерттеу молекулалық физиканы оқу кезінде оқушылар алған заттың құрылысы туралы түсінігін тереңдетуге мүмкіндік береді.
«Тұрақты электр тогы” тақырыбының мазмұны:
- Электр тогы. Ток күші. Өткізгіштегі электрондардың реттелген қозғалысының жылдамдығы.
- Затта токтың пайда болуы мен болуы үшін қажетті шарттар
- Вольт-амперлік сипаттамасы. Тізбек бөлігі үшін Ом заңы. Кедергісі.
- Электр тізбегі: өткізгіштердің тізбекті және параллельді қосылыстарының заңдары. Электр тізбегінің механикалық ұқсастығы. Амперметрге Шунт. Вольтметрге қосымша қарсылық. Потенциометр.
- Ток жұмысы. Ом Және Джоуль-Ленц Заңдарының Дифференциалдық Түрі. Ток қуаты.
- Бөгде күштер, олардың табиғаты. Электрқозғаушы күші.
- Толық тізбек үшін Ом заңы. Қысқа тұйықталу. Киргхоф Ережелері. Уинстон Көпірі.
- Металдардың электрондық өткізгіштігі. Металдардағы еркін электрондардың болуының дәлелдемелері. Металдағы электрондардың қозғалысы. Металдардың Вольт-амперлік сипаттамасы. Ом заңын электрондық теориядан шығару.
- Өткізгіш кедергісінің температураға тәуелділігі. Металдар өткізгіштігінің классикалық теориясының кемшіліктері. Аса өткізгіштігі. Жоғары температуралы жоғары өткізгіштердің техникалық қолданылуы.
- Жартылай өткізгіштердегі электр тогы. Өткізгіштер мен жартылай өткізгіштер. Жартылай өткізгіштердің құрылысы. Электрондық және тесік өткізгіштігі. Жартылай өткізгіштер кедергісінің сыртқы жағдайларға тәуелділігі.
- Қоспалар болған кезде жартылай өткізгіштердің өткізгіштігі. Қоспалы және меншікті жартылай өткізгіштер.
- P — және n-типті жартылай өткізгіштердің түйісуі арқылы электр тогы. Жартылай өткізгіш диод. Транзистор. Транзисторлардың күшейткіш әсері. Транзисторларды қолдану. Микроэлектроника.
- Вакуумдегі электр тогы. Термоэлектронды эмиссия. Бір жақты өткізгіштігі. Диод. Триод. Электронды будалардың қасиеттері және оларды қолдану. Электронды-сәулелі түтік. Электронды ашу. Миллиондаған Тәжірибе.
- Сұйықтықтағы электр тогы. Электролиттік диссоциация. Иондық өткізгіштігі. Электролиз. Электролизді қолдану.
- Электролиз үшін Фарадей заңы. Электрон зарядын анықтау. Электрон туралы түсініктердің дамуындағы Фарадей Заңының маңызы.
- Газдардағы электр тогы. Газдағы электр разряды. Ионизация газов. Рекомбинация. Дәрменсіз және дербес разрядтар.
- Плазма және оның қасиеттері. Ғарыштық кеңістіктегі Плазма.
VIII сыныпта оқушылар электр тогының негізгі сипаттамаларын және электр тізбектерінің параметрлерін қарастырғандықтан, Х сыныпта барлық осы шамаларды қайталайды. Сонымен қатар, электр қозғаушы күштің маңызды ұғымы және толық тізбек үшін Ом заңы енгізіледі. Электростатикалық өріс қасиеттерінің негізінде, оқушылар таныс болғандықтан, электр өрісінің бұл түрі өткізгіште ток ұстай алмайтынын көрсетеді, себебі энергия толмастан статикалық өріс зарядты үнемі қозғай алмайды, бұл ретте жұмыс жасай алмайды. Бірақ, сондай-ақ тізбектің кез келген учаскесіндегі әлеуеттердің айырмасы өзгеріссіз қалатыны белгілі. Оқушыларға ток ағу кезінде өткізгіштегі энергияның түрлену процестерін қарапайым баяндау мүмкін емес, бірақ ток ағу кезінде өткізгіштің ішінде және сыртында өріс болу фактісін эксперименталды түрде көрсету қажет! «Электр қозғаушы күш» ұғымын енгізу және толық тізбек үшін Ом заңын одан әрі шығару бұрын зерттелген материалға негізделгендіктен, оқушылардың VIII сыныптың қандай да бір сұрақтарын қаншалықты жақсы меңгергендігіне байланысты, X сыныпта олардың шолу қайталануына көп немесе аз уақыт бөлу керек.
Кернеу ұғымы базалық мектептің физика курсында өте қиын, бірақ жоғары сыныптарда ол әдетте қиындық тудырмайды. Оқушылардың назарын терминологияға аудару қажет: потенциалдардың айырмашылығы бар, кернеудің төмендеуі, тізбек учаскесіндегі потенциалдардың айырмашылығы кернеудің төмендеуіне тең. Тұрақты электр өрісін зерттеу қорытындысында өткізгіштерде негізгі айырмашылықтарды және оның электростатикалық өріспен ұқсастығын қысқаша қайталау қажет.
Қарастырылып отырған тақырыпты оқып-үйренудің міндеттері туралы айта келе, Ом заңын Түсінбей толық тізбек үшін және «электр қозғаушы күш» ұғымына электромагниттік индукция Заңын және электродинамиканың басқа да бірқатар мәселелерін меңгеру мүмкін еместігін ескеру қажет.
Әр түрлі орталарда өткізгіштік механизмін зерттеу ерекше қиындықтарға ие. Оқушыларға заряд тасымалдаушыларды да, олардың қозғалыс сипатын да көрсету мүмкін емес. Егер оқу фильмдерін, интерактивті модельдерді барынша қолданса, онда әртүрлі орталарда зарядтарды тасымалдаушылардың қозғалыс сипаты шартты түрде көрсетілсе, және сонымен қатар осы заңдылықтарға негізделген аспаптар мен құрылғыларды қолданудың көптеген мысалдары көрсетілсе, бұл қиындықтарды ішінара еңсеруге болады. Тақырыпты зерттеу демонстрациялық және зертханалық экспериментке кеңінен сүйенуі керек.
Әр түрлі орталарда токты зерттеу негізіне осы орталарда ток күшінің кернеуге және өткізгіштік механизміне тәуелділігін салыстыруға негізделген бірыңғай әдістемелік тұжырымдама алынған. Металдардағы, газдардағы, жартылай өткізгіштердегі және басқа орталардағы электр тогы зарядтардың тасымалдауышымен де, олардың қозғалыс сипатымен де ерекшеленеді. Сонымен қатар, барлық ортадағы электр тогы жалпы сипатқа ие: ол зарядталған бөлшектердің реттелген ағынын білдіреді. Осыған байланысты әр жаңа ортада токты зерттеу кезінде оны басқа ортадағы токпен салыстыру қажет. Бұл әр ортадағы токты зерттеудің бірыңғай жоспарын анықтайды: заряд тасығыштардың табиғатын; олардың қозғалыс сипатын; ток күшінің кернеуге тәуелділігін; осы ортадағы токтың заңдылықтарына негізделген аспаптардың, құрылғылардың әрекет ету принципін; технологиялық процестерді.
Негізгі заңдылықтарды қарастыру металдардағы токтан басталады. Бұл бірқатар себептерге байланысты: біріншіден, бұл VIII сыныпты физика курсымен сабақтастық байланысты жүзеге асыруға мүмкіндік береді; екіншіден, металдарға арналған вольт-амперлік сипаттама неғұрлым қарапайым. Бірақ тақырыпты баяндаудың одан әрі реті әдістемелік ойлармен анықталады.
Металлдар мен электролиттердегі электр тогы неғұрлым егжей-тегжейлі зерттеледі, мұнда сандық тәуелділік беріледі, есептерді шешеді. Қалған барлық материалды сапалы деңгейде зерттейді.
Электролит ерітінділерінде электр тогын зерттеу кезінде Фарадей Заңына басты назар аударылады-бұл ретте Химия курсымен тығыз байланыс туралы ұмытуға болмайды.
Жартылай өткізгіштерде токтың өту ерекшеліктерін зерттеу кезінде жартылай өткізгіштерді қолдану саласындағы қазіргі ғылымның жетістіктеріне назар аудару қажет. Зерттеуді олардың сипатты қасиеттерін көрсету арқылы бастаған жөн, ал содан кейін химияға енгізілген ковалентті және бу-электрондық байланыс ұғымының негізінде токтың жүру механизмін анықтау және жартылай өткізгіш материалдардың қасиеттерін түсіндіру керек.
Бұрын айтылғандай, оқулықтардың әр түрлі авторлары «тұрақты электр тогы»тақырыбын зерттеудің әртүрлі жүйелілігі мен құрылымын ұсынады.
Тақырып материалын бөлуге 3 негізгі тәсілді бөліп көрсетуге болады:
Менің ойымша, кейбір оқулықтар жиынтығында іске асырылатын 1 және 3-қадамдар ең орынды болып табылады. Бұл 2-ші нұсқада әр түрлі орталарда токтың ағу заңдылықтары толық ашылмауына байланысты. Мұндай тәсілде оқушылар тақырып материалының аяқталмауына және оның кейбір бөлігін басқа бөлімдерге жатқызуына байланысты тұрақты электр тогы туралы түсініктің тұтас бейнесін қалыптастыру мүмкін емес.
Айырмашылығы 1 және 3-тәсіл тұрады біріктіру немесе бөлімшесінде материалдың электр тогы туралы металдардағы басқа орталар. Бір жағынан, бұл материалды бөлу ақталған, өйткені ол барлық қалғандарына қарағанда кең қолданылады, және электрондық теорияны бастапқы қарастыру, содан кейін металдардағы токтың ағуының негізгі заңдары әбден қисынды. Бірақ екінші жағынан, бұл жағдайда металдар заттардың жеке тобына шығарылады және әртүрлі орталарда токтың ағу суретін қабылдау тұтастығы бұзылады, олардың сипаттамалары мен заңдылықтарын салыстыру мүмкіндігі қиындайды, бірақ бұл тақырып материалын толық меңгеру үшін маңызды.
3 тәсілді қолдану техникалық бейіндегі сыныптарда, 2-гуманитарлық сыныптарда, 1 — биологиялық-химиялық бейіндегі сыныптарда неғұрлым орынды.
«Тұрақты электр тогы» тақырыбын оқу, басқа тақырыптар сияқты өз ерекшеліктері бар. Осылайша, менің ойымша, негізгі проблема оқушыларға тоқ ағуының ішкі механизмдерін көрсету мүмкін еместігі болып табылады, себебі электр тогының «сыртқы көріністері" оқушыларға жақсы таныс және олар күн сайын олармен кездеседі. Әр түрлі орталарда (металл, сұйықтық, газ, вакуум немесе жартылай өткізгіш болсын) электр тогының жүру заңдылықтарын зерттеу кезінде оқушыларға көп айтылатын заряд тасығыштардың өзін де, олардың қозғалыс сипатын де көрсету мүмкін емес. Егер оқу фильмдерін, әр түрлі интерактивті модельдерді барынша қолданса, онда әр түрлі орталарда зарядтардың қозғалыс сипаты шартты түрде көрсетілсе, бұл қиындықтарды ішінара еңсеруге болады. Сонымен қатар, қазіргі уақытта осындай электрондық білім беру ресурстары көп. Сонымен қатар, оқушылар әртүрлі орталарда токтың жүру заңдылықтарын пайдаланатын түрлі құралдардың құрылғысымен танысып, оларды тікелей қолдануға қарап, мектепте осындай жабдықтардың жоқтығына байланысты жасау мүмкін емес. Мұндай бейнероликтер табиғи түсірілімдер түрінде де, компьютерде де үлгіленген. Сонымен қатар осы тақырып бойынша көптеген интерактивті тәжірибелер мен зертханалық жұмыстар әзірленді, олар табиғи физикалық экспериментпен ауыстырылуы мүмкін емес, сонымен қатар осы зерттеулерді оның қауіптілігіне, мектеп физика кабинетімен үйлеспеуіне байланысты жүргізуге мүмкіндік беретін тиісті жабдықтардың жоқтығына байланысты.
Жоғарыда аталғандардың барлығы оқытуда көрнекіліктің жалпы әлемдік қағидатын іске асыруға қатысы бар, ал Интерактивті тақта — осы қағидатты іске асыруға арналған бірегей құрал болғандықтан, аталған тақырыпты зерделеу кезінде интерактивті технологияларды қолдану қажет деп санаймын. Интерактивті тақтадағы суреттер мен бейнежазба арқылы токтың пайда болу және ағу механизмдерінің, аспаптардың принципті схемаларын көрсету, кадрды тоқтату және белгі, түзетулер енгізу мүмкіндігін ескере отырып, оқушыларға тақырып материалын тереңірек түсінуге мүмкіндік береді.
Сондай-ақ, интерактивті тақта осы тақырып бойынша өте көп және іс жүзінде, олар математикалық заңдар өрнектерімен қатар білімнің негізгі элементтерінің бірі болып табылатын суреттерді, электр сұлбаларын, вольтамперлік сипаттамаларды және т. б. қарапайым және жылдам құру арқылы сабақ уақытын үнемдеу тұрғысынан осында көмектеседі. Мұның бәрі жаңа материалды оқу кезінде де, білімді бекіту және бақылау кезеңдерінде де қажет болады.
Осы тақырыпты оқу кезінде ұқсастыққа сүйеніп, токтың әртүрлі ортадағы өту заңдылықтарында жалпы белгілерді табу қажет, ал Интерактивті тақтаны пайдалану эксперименттердің нәтижелерін ұжымдық талқылауға, әртүрлі құбылыстар мен процестердің жалпы белгілері бойынша топтастыруға, жалпылама кестелерді, блок-схемаларды және т. б. құрастыруға тамаша мүмкіндік береді.
Әрине, «тұрақты электр тогы» тақырыбы барлық пәндерге тән материалдарды интерактивті тақтамен зерделеудің артықшылықтарын пайдалану тұрғысынан алып тасталмайды.
Әдебиет:
- Жүсіпқалиева Ғ.Қ. Джумашева А. А. Құбаева Б. С.. 2018. Мектепте физика курсын оқытудың теориясы мен әдістемесі. Қазақстан Республикасының Білім және ғылым министрлігі М.Өтемісов атындағы Батыс Қазақстан мемлекеттік университеті. (Қолданылған күні 21.04.2020)
- Оқу бағдарламасы. 2017. Назарбаев Зияткерлік мектептері ДББҰ — NIS-Рrogram. ДББҰ Басқармасының 2017 жылғы 16 тамыздағы (№ 41 хаттама) шешімі. (Қолданылған күні 21.04.2020)
- К.Мәсімов. Назарбаев Зияткерлік мектептері» акционерлік қоғамының 2011–2020 жылдарға арналған даму стратегиясы. N 1510 қаулысы. (Қолданылған күні 21.04.2020)
