МЕКТЕПТЕГІ АТОМДЫҚ ЖӘНЕ КВАНТТЫҚ ФИЗИКА ЕСЕПТЕРІН ТИІМДІ ОҚЫТУ ЖОЛДАРЫ

Аңдатпа. Бұл мақалада мектеп оқушыларын «Мектептегі атомдық және кванттық физика есептерін тиімді оқыту жолдары» қарастырылады. Кванттық процестердің табиғаты классикалық заңдылықтармен толық түсіндірілмейтіндіктен, оқушылардың абстрактылы ойлауын, логикалық моделдеуін және сыни талдау дағдыларын дамыту қажеттілігі арта түседі. Зерттеу барысында халықаралық тәжірибелерге сүйене отырып, Spin First тұжырымдамасының мүмкіндіктері, кванттық оқытудың мотивацияға әсері, есеп шығаруда туындайтын когнитивтік қиындықтар және физика курсын инклюзивті оқытуға бейімдеу мәселелері талданады. Мақалада кванттық ұғымдарды меңгерту үшін визуалды модельдеу, цифрлық симуляциялар, зертханалық тапсырмаларды интеграциялау және проблемалық оқыту технологияларының тиімділігі дәлелденеді. Нәтижелер оқушылардың кванттық түсініктерді игеру сапасы қолданылған әдістемелік қағидаттарға тікелей байланысты екенін көрсетіп, педагогтерге практикалық ұсынымдар ұсынады.

Кілт сөздер: кванттық физика, атом моделі, есеп шығару әдістемесі, Spin First, мотивация, визуалды модельдеу, инклюзивті оқыту, когнитивтік қиындықтар.

Кіріспе

Қазіргі кезеңдегі ғылыми-техникалық прогресс білім беру жүйесіне жаңа міндеттер жүктейді. Соның ішінде кванттық технологиялар, нанофизика, лазерлік жүйелер, ядролық энергетика және кванттық компьютерлердің дамуы мектеп физикасының мазмұнын тереңдетуді талап етеді. Кванттық физика – болашақ ғылыми кадрларды даярлауда ғана емес, оқушылардың теориялық ойлауын дамытуда да іргелі рөл атқаратын сала. Осыған орай “Атомдық және кванттық физика” бөлімі бойынша есеп шығаруға үйрету әдістемесін жетілдіру педагогикалық тұрғыдан өзекті міндет болып табылады. Мақаланың өзектілігі кванттық физиканың ерекше сипатында. Микродүниедегі құбылыстар классикалық интуицияға сыймайтындықтан, оқушылар жиі қиналады. Абстракциялау деңгейінің жеткіліксіздігі, математикалық моделдеудің қиындығы, кванттық ұғымдардың физикалық мағынасының күрделілігі мұғалімнен арнайы әдістемелік тәсілдерді талап етеді. Сондықтан тиімді оқыту құрылымын жасау – зерттеудің негізгі мәселесі.

Мақаланың мақсаты – мектеп оқушыларын кванттық және атомдық физика есептерін шығаруға тиімді үйретудің әдістемелік моделін ұсыну. Міндеттері:

• оқушылардың есеп шығару дағдыларын дамытуға ықпал ететін халықаралық тәжірибелерді талдау;
• кванттық тақырыптарды оқытуда туындайтын когнитивтік қиындықтарды анықтау;
• мотивациялық және дамытушы факторларды айқындау;
• есеп шығарудың жаңа әдістемелік компоненттерін негіздеу.

Зерттеудің жаңалығы – кванттық физиканы мектеп деңгейінде меңгертудің инновациялық жолдарын халықаралық зерттеулермен салыстыру арқылы құрылымдау, сондай-ақ оқушының есептеу дағдысына әсер ететін педагогикалық тетіктерді жүйелі сипаттау.

Әдебиеттерге шолу

Альберт К., Ферстер М. және Поспих Г. Spin First тұжырымдамасына негізделген кванттық физика бағдарламасын әзірлей отырып, кванттық құбылыстарды түсіндірудің визуалды-модельдік тәсілдері оқушылардың күрделі ұғымдарды қабылдауын айтарлықтай жеңілдететінін айтады. Олар «кванттық тақырыптарды классикалық логикалық тізбектен бөлек оқыту оқушының ойлау жүйесін икемді етеді» деді деп жазады [1,4].

Spin First тәсілінің басты артықшылығы – физикалық мағынаны формуладан бұрын түсіндіру. Авторлар кванттық есеп шығаруға үйретуде симметрия, спин, суперпозиция секілді ұғымдарды алдын ала түсіндіру оқушының есептеу барысындағы қателерін азайтатынын дәлелдейді.

Азиза С.Н. және әріптестері кванттық оқытудың мотивацияға және есеп шығару дағдысына әсерін зерттей келе, «оқушының ішкі қызығушылығын арттырған жағдайда есептің күрделілігі қабылданатын жүктемеге айналады» деді деп көрсетеді [2,6].

Олардың зерттеуінде Quantum Teaching әдісі қолданылған: топтық жұмыс, динамикалық диалог, визуалды эксперимент видеолары, ойын элементтері. Нәтижесінде оқушылардың есеп шығаруға деген сенімділігі артқаны анықталған.

Э. Боначчи кванттық физиканы оқытудың алты негізгі проблемасын айқындайды. Оның пікірінше, «кванттық механика – математикалық формализм мен физикалық мағынаның сәйкестенуін талап ететін ерекше орта» деді деп жазады [3,12].

Боначчи көрсеткен қиындықтар: математикалық тілдің күрделілігі, модельдердің көзге көрінбеуі, интуитивті түсініктің болмауы, абстрактілі символдардың көптігі және оқушының қабылдау шегінің тез толуы.

Мусенгимана Т. және авторлар жүргізген зерттеу есеп шығару дағдысының қалыптасуы тек әдістемеге ғана емес, оқушының когнитивтік стратегияларына да тәуелді екенін көрсетеді. Олар «есеп шығару – білімнің қолданылуы ғана емес, ойлау әрекетінің құрылымы» деді деп жазады [4,7].

Ал Коллетти Л. және оның әріптестері инклюзивті тәсілдің тиімділігін дәлелдей отырып, «кванттық физиканы оқытуда әртүрлі деңгейдегі оқушылар үшін қолжетімді орта құру — табыстың басты шарты» деді деп көрсетеді [5,3].

Олар визуалды құралдар, анимациялар, қарапайым тілмен берілген түсіндірулер, жеңіл есептерден күрделісіне өтудің сатылы жүйесі арқылы оқушылардың танымдық белсенділігі арта түсетінін дәлелдеген.

Талқылау

Мектеп оқушыларын “Атомдық және кванттық физика” бөлімінің есептерін шығаруға үйрету – тек физикалық білімді тереңдету емес, сондай-ақ ғылыми ойлау мәдениетін қалыптастыру ісі. Кванттық процестердің табиғаты оқушының логикалық, интуитивтік және абстрактылы ойлау дағдыларын қатар іске қосады. Сондықтан бұл бөлімнің есептерін меңгерту дәстүрлі әдістерге ғана сүйенбей, оқушының таным ерекшелігіне бағытталған жаңа педагогикалық тәсілдерді талап етеді.

Ең алдымен, кванттық физика есептері классикалық механика немесе электродинамика есептерінен түбегейлі ерекшеленеді. Оқушы атом моделін, энергия деңгейлерін, квантталу шарттарын, өрістің дискретті табиғатын абстракциялау арқылы түсінуі керек. Осыған байланысты есеп шығару барысында формуланы жаттау жеткіліксіз: міндет – оның физикалық мағынасын түсіну. Есеп шығарудың ойлау құрылымы да өзгеше. Классикалық есептерде шешім көбіне белгілі алгоритм арқылы табылса, кванттық есептерде шешім логикалық моделдеу мен физикалық интерпретацияға сүйенеді.

Талқылау барысында зерттеулер көрсеткен тағы бір маңызды мәселе — оқушының ішкі мотивациясы. Кванттық әлемді тануға деген қызығушылық болса, оқушы күрделі есептерді ықыласпен орындайды. Бұл тұрғыдан Quantum Teaching әдісінің нәтижелері бағалы. Оқушы есеп шығару қажеттілігін түсінгенде, ол теорияны да жылдам меңгереді. Яғни, мотивация – есеп шығарудың кіріспе бөлігі.

Екінші маңызды фактор — көрнекілік пен визуалды модельдеу. Кванттық физика табиғи түрде көзге көрінбейтін процестерді сипаттайды: электронның орбитальдары, толқындық функциялар, спин түсінігі, кванттық өтулер. Осы құбылыстардың графикалық, анимациялық моделдері оқушының елестету дағдысын қалыптастырады. Визуалды түсіндіру есептің физикалық мазмұнын жақсы ашуға көмектеседі.

Үшінші аспект — есептердің сатылы жүйесі. Басында қарапайым, бір ғана формуланы қолданатын есептер беріледі. Кейіннен күрделілік артып, бірнеше заңдылықты қатар қолдану, кванттық қорытынды жасау, логикалық түсіндіру элементтері қосылады. Мұндай жүйе жүктемені біртіндеп арттыру арқылы оқушыны қиындықтан қорықпауға үйретеді.

Төртінші аспект — инклюзивті оқыту. Қабілеті әртүрлі оқушыларға кванттық физиканы үйретуде деңгейлік тапсырмалар мен адаптивті түсіндіру тәсілдерін қолдану тиімді. Бір оқушы математикалық формуланы тез қабылдаса, екіншісі бейнелі түсіндіруді жақсы түсінуі мүмкін. Сол себепті кванттық есептерді оқытуда мұғалім стратегиясын оқушы ерекшелігіне қарай бейімдеу қажет.

Бесінші аспект — қателермен жұмыс. Кванттық есептің шешімінде жиі кездесетін қателер: кванттық сандарды қате түсіну, энергия деңгейлерін шатастыру, формуланы механикалық қолдану, физикалық мағынаға назар аудармау. Бұл қателер арнайы талдауды қажет етеді. Мұғалім қате шешімді талқылау арқылы оқушының ойлауын түзетеді. Жалпы, талқылау көрсеткендей, кванттық есеп шығару – жай есептеу әрекеті емес, оқушының ғылыми дүниетанымын дамыту құралы.

Мысал есептер

Мысал есеп 1. Фотоэффекттің шартын анықтау (сапалық есеп)

Есеп: Жарық жиілігі артқанда фотоэлектрондардың саны өзгермей, ал энергиясы артатыны неліктен?

Түсіндіру: Жарық интенсивтілігі – электрон санына, ал жарық жиілігі – электрон энергиясына әсер етеді.

Әдістемелік мәні:

Бұл есеп кванттық көзқарасты қалыптастырады, классикалық физикамен салыстыруға мүмкіндік береді.

Мысал есеп 2. Энергия деңгейлері (логикалық есеп)

Есеп: Электрон атомда энергиясы аз күйге өткенде не болады?

Жауабы: Атом жарық шығарады (квант).

Әдістемелік мәні: Бұл есеп спектрлердің шығу табиғатын түсіндіруге көмектеседі.

Нәтижелер

Зерттеу нәтижелері мектеп оқушыларын кванттық физика есептерін шығаруға үйретудің тиімділігі қолданылатын әдістеме құрылымына тікелей тәуелді екенін көрсетті. Халықаралық тәжірибелерге сүйене отырып жасалған талдау төмендегі қорытындыларды айқындады.

Біріншіден, Spin First әдісін қолдану оқушылардың кванттық ұғымдарды түсіну деңгейін арттырады. Физикалық мағынаны формуладан бұрын беру оқушының ұғымдық базасын күшейтеді. Нәтижесінде есеп шығару барысында қателер саны айтарлықтай азаяды. Альберт, Ферстер және Поспих жүргізген тәжірибелер бұл тәсілдің тиімділігін дәлелдеп отыр [1,8].

Екіншіден, мотивация деңгейін көтеретін Quantum Teaching әдісі есеп шығаруға деген қызығушылықты күшейтеді. Азиза және авторлар көрсеткендей, оқушының ішкі қызығушылығын ояту есепті түсіну жылдамдығын арттырады және оқыту сапасын жоғарылатады [2,6].

Үшіншіден, Боначчидің зерттеуі көрсеткендей, кванттық физиканы оқытудағы ең үлкен қиындық – абстракция. Бұл қиындықты визуалды модельдеу, симуляция, графикалық көрсетілімдер, интерактивті платформалар арқылы жеңуге болады. Нәтижелер көрсеткендей, көрнекілік элементтері бар ортада оқушылар кванттық формулаларды тез түсінеді [3,15].

Төртіншіден, Мусенгимана және әріптестері анықтағандай, есеп шығару дағдысы когнитивтік стратегияларға тәуелді. Яғни, оқушы тек ережелерді қолданбай, мәселені логикалық талдау арқылы шешуі керек. Бұл тәсіл есеп шешу сапасын арттырады [4,10].

Бесіншіден, Коллетти мен ұжымының зерттеуі инклюзивті оқытудың жоғары тиімділігін көрсетті. Әртүрлі деңгейдегі оқушыларға бір тақырыпты меңгерту үшін бейімделген тапсырмалар, икемді түсіндіру және сатылы оқыту қажет. Бұл тәсіл оқушылардың үлгерім деңгейін теңестіруге мүмкіндік береді [5,5]. Жалпы зерттеу кванттық есептерді оқытудың тиімді моделі — мотивация, көрнекілік, бейімделген тапсырмалар, когнитивтік стратегиялар және қателермен жұмыс жүйесінің үйлесімі екенін көрсетті.

Қорытынды

Зерттеу нәтижелерін жинақтай отырып, “Атомдық және кванттық физика” бөлімінің есептерін оқушыларға үйретудің заманауи әдістемесі көпқырлы педагогикалық жүйе болуға тиіс деген қорытындыға келеміз. Кванттық физика — тек формула емес, ол ғылымның философиялық және логикалық тереңдігі бар ерекше саласы. Оқушы микродүниені түсіну арқылы таным көкжиегін кеңейтеді, абстрактылы ойлауын дамытады және ғылыми зерттеуге дайындық қалыптастырады.

Мақалада талданған зерттеулердің нәтижелері кванттық есеп шығаруға үйрету әдістемесінің келесі қасиеттерін маңызды етеді:

• оқушыларды мотивациялау;
• күрделі ұғымдарды визуализациялау;
• сатылы және құрылымдалған есеп жүйесі;
• инклюзивті тәсіл;
• қателерді талдау арқылы рефлексия.

Мектепте кванттық физиканы тиімді оқыту — Қазақстанның болашақ ғылыми әлеуетін арттыруға бағытталған стратегиялық міндет. Жаңа әдістемелер мұғалімдерге қиын тақырыпты оңай әрі қолжетімді етіп түсіндіруге мүмкіндік береді. Кванттық есептерді шығара алған жас — тек физиканы емес, ғылыми ойлау мәдениетін меңгерген азамат.