«Физикадан инженерияға: Оқушылардың шығармашылық және техникалық ойлау қабілетін жетілдіру»

әдістемелік құрал

(әдістемелік құрал физика пәні мұғалімдеріне арналған)

Құрастырушы:

«А.Сатаров атындағы орта мектеп-мектепке дейінгі шағын орталығымен» КММ физика пәні мұғалімі: Садыкова Насихат

«Д.Қонаев атындағы орта мектебі» КММ физика пәні мұғалімі: Амирхан Куралай

2025 ж

Құрастырушы:

Бұл әдістемелік құрал оқушылардың шығармашылық және техникалық ойлау қабілетін жетілдіруге бағытталған. Физикалық заңдарды инженерлік тұрғыдан қарастыру арқылы оқушылардың зерттеу дағдыларын дамыту, техника мен технологияға қызығушылығын арттыру мақсат етіледі.

Құралда шығармашылық және техникалық ойлаудың теориялық негіздері, физика мен инженерияның байланысы, практикалық және жобалық жұмыстардың маңызы қарастырылады. Сонымен қатар, физика және робототехниканы кіріктіре оқыту әдістері ұсынылып, STEM-білім беру аясында инженерлік есептерді шешу тәсілдері берілген.

Әдістемелік құрал физика пәні мұғалімдеріне, оқушылардың ғылыми-зерттеу және жобалық қызметін ұйымдастырушыларға, сондай-ақ шығармашылық және техникалық ойлау дағдыларын дамытуға қызығушылық танытқан мамандарға арналған.

Мазмұны

1. Кіріспе 2. Физика және инженерия 2.1. Физикалық заңдарды техникада қолдану 2.2. Инженерлік ойлау негіздері 2.3. Жаратылыстану ғылымдары мен технологияның байланысы 3. Практикалық жұмыс әдістері 3.1. Зертханалық және жобалық жұмыстар 3.2. Техникалық модельдеу және прототиптеу 3.3. Инженерлік есептерді шығару әдістері 4. Физика, робототехника және STEM 4.1. Робототехникадағы физикалық принциптер 4.2. Инженерлік есептер мен тапсырмалар 4.3. Интерактивті платформалар мен цифрлық құралдарды пайдалану 5. Қорытынды 6. Қосымша материалдар мен ресурстар Пайдаланылған әдебиеттер

4 5 5 6 6 9 10 11 13 15 15 16 19 21 22 24

Кіріспе

Бүгінгі таңда білім беру жүйесі тек теориялық білім берумен шектелмей, оқушылардың шығармашылық және техникалық ойлауын дамытуға баса назар аударуды қажет етеді. Ғылым мен техниканың қарқынды дамуы болашақ мамандардың инженерлік дағдыларын ерте жастан қалыптастыруды талап етеді. Сондықтан физика пәнін оқытуда инженерлік тәсілдерді қолдану маңызды.

Физика – табиғаттың негізгі заңдылықтарын түсіндіретін ғылым ғана емес, сонымен қатар инженерияның, техниканың және жаңа технологиялардың негізі болып табылады. Бірақ мектеп оқушылары көбінесе физиканы теориялық пән ретінде қабылдап, оның өмірдегі, өндірістегі және техникадағы маңызын жете түсінбейді. Бұл олардың зерттеу дағдыларының дамуына, техникалық және инженерлік салаларға деген қызығушылығының қалыптасуына кедергі келтіреді.

Бұл әдістемелік құрал физика мен инженерияны кіріктіре оқытудың маңыздылығын көрсетіп, оқушылардың шығармашылық және техникалық ойлау қабілеттерін дамытуға бағытталған. Құралда физикалық заңдарды инженерлік тұрғыдан қарастыру әдістері, зерттеу және практикалық жұмыстар, сондай-ақ STEM-білім беру аясында оқытудың заманауи тәсілдері қарастырылады.

Физика сабақтарында инженерлік бағыттағы тапсырмаларды қолдану оқушылардың теориялық білімін практикада пайдалану қабілетін дамытады. Сондай-ақ, оларды шығармашылық ізденіске баулиды, логикалық ойлауын шыңдайды және ғылым мен техниканың байланысын терең түсінуге көмектеседі.

Әдістемелік құрал физика пәні мұғалімдеріне, оқушылардың ғылыми-зерттеу және жобалық қызметін ұйымдастырушыларға, сондай-ақ шығармашылық және техникалық ойлау дағдыларын дамытуға қызығушылық танытқан мамандарға арналған.

Мақсаты:

Оқушылардың физика мен инженерияға деген қызығушылығын арттыру, шығармашылық және техникалық ойлау қабілеттерін дамытуға көмектесу.

Міндеттері:

• Физикалық заңдарды инженерлік тұрғыда талдаудың тиімді жолдарын ұсыну;

• Оқушылардың техникалық есептерді шешу және инженерлік жобалар құру дағдыларын қалыптастыру;

• Зерттеу және практикалық жұмыстар арқылы шығармашылық ойлауды дамыту;

• STEM-білім беру элементтерін енгізу арқылы физиканы өмірмен байланыстыру.

Өзекті мәселе:

Қазіргі таңда көптеген оқушылар физика пәнін теориялық тұрғыда ғана қабылдап, оның техника мен инженериядағы қолданысын толық түсінбейді. Бұл олардың зерттеу дағдыларының дамуына және техникалық мамандықтарға қызығушылықтың артуына кедергі келтіреді. Сондықтан, физика сабақтарында инженерлік көзқарасты қалыптастырудың жаңа тәсілдерін енгізу маңызды.

Күтілетін нәтиже:

• Оқушылардың шығармашылық және техникалық ойлау деңгейі артады;

• Физикалық құбылыстарды инженерлік тұрғыда талдау қабілеті дамиды;

• Жобалық және зерттеу жұмыстарын орындау дағдылары жетіледі;

• Инженерлік есептерді шешу және техникалық модельдеу қабілеті қалыптасады;

• STEM-білім беру аясында оқушылардың ғылым мен техникаға қызығушылығы артады.

Бұл әдістемелік құрал мұғалімдерге физика пәнін қызықты әрі қолданбалы түрде оқытуға көмектеседі және оқушылардың болашақта инженерлік мамандықтарға бейімделуіне ықпал етеді.

2. Физика және инженерия

2.1. Физикалық заңдарды техникада қолдану

Физиканың негізгі заңдары техника мен инженерияның барлық салаларында қолданылады. Кез келген механизмнің, құрылғының немесе технологияның негізінде белгілі бір физикалық құбылыстар мен принциптер жатыр. Бұл бөлімде физикалық заңдардың техникада қолданылу мысалдары қарастырылады.

1. Механика заңдары және техника

Механика заңдары техникада ең кең қолданылатын физикалық негіздердің бірі.

• Ньютон заңдары – автомобильдердің қозғалысы, ғимараттардың беріктігі, ұшақтардың ұшу принциптері осы заңдарға негізделген.

• Архимед заңы – кемелер мен сүңгуір қайықтардың жүзу қабілеті осы заң арқылы түсіндіріледі.

• Импульстің сақталу заңы – реактивті қозғалыс, соқтығыс кезіндегі күштерді есептеу, спорттық қозғалыстарды талдау.

2. Электр және магнетизм заңдары

Электр және магнетизм заңдары қазіргі заманғы техника мен электрониканың негізін құрайды.

• Ом заңы – тұрмыстық және өнеркәсіптік электр құрылғыларының жұмысы осы заңға сүйенеді.

• Электромагниттік индукция – генераторлар, трансформаторлар, электр қозғалтқыштар осы құбылыс негізінде жасалған.

• Кулон заңы – электростатикалық күштерді есептеуде қолданылады (конденсаторлар, электр өрістері).

3. Термодинамика заңдары және энергетика

Термодинамика заңдары жылу энергиясын механикалық немесе электр энергиясына түрлендіру процестерінде қолданылады.

• Бірінші заң (энергияның сақталу заңы) – жылу машиналары, бу турбиналары, іштен жанатын қозғалтқыштар.

• Екінші заң (энтропия және Карно циклі) – тоңазытқыштар, кондиционерлер, жылу алмасу жүйелері.

4. Оптика және заманауи технологиялар

Оптика заңдары жарықтың таралуы мен оның әртүрлі материалдармен өзара әрекеттесуін түсіндіреді.

• Жарықтың шағылу және сыну заңдары – линзалар, көзілдіріктер, телескоптар, микроскоптар.

• Лазерлік технологиялар – медицинада, байланыс жүйелерінде, өндірістік кесу құралдарында қолданылады.

5. Кванттық физика және электроника

Кванттық заңдар микроәлемдегі құбылыстарды түсіндіреді және заманауи электроника мен нанотехнологияның дамуына ықпал етеді.

• Жартылай өткізгіштер теориясы – транзисторлар, интегралды схемалар, компьютерлік процессорлар.

• Фотондардың қасиеттері – жарықдиодтар (LED), күн панельдері, фотоэлементтер.

Физикалық заңдарды техникада қолдану оқушылардың теориялық білімдерін шынайы өмірмен байланыстыруына мүмкіндік береді. Мұндай тәсіл олардың шығармашылық және техникалық ойлау қабілетін дамытып, болашақ инженерлік жобаларға қызығушылығын арттырады.

2.2. Инженерлік ойлау негіздері

Инженерлік ойлау – ғылыми білімдер мен техникалық шешімдерді шығармашылық тұрғыдан қолдану қабілеті. Бұл ойлау түрі адамға техникалық мәселелерді тиімді шешуге, жаңа идеялар ұсынуға және инновациялық жобалар жасауға мүмкіндік береді.

Инженерлік ойлаудың негізгі ерекшеліктері

1. Аналитикалық ойлау

• Кез келген инженерлік тапсырмада мәселені талдау және оның негізгі себептерін анықтау маңызды.

• Мысалы, көпірдің құрылысын жобалау кезінде жүктемені, материалдардың беріктігін және сыртқы факторларды есептеу қажет.

2. Шығармашылық және креативтілік

• Инженерлік ойлау жаңа, стандартты емес шешімдер табуды қажет етеді.

• Бұл қасиет робототехника, механика, электроника сияқты салаларда ерекше маңызды.

3. Жүйелік тәсіл

• Инженерлік есептерді кешенді түрде қарастыру қажет.

• Бір ғана мәселені емес, онымен байланысты басқа факторларды да ескеру маңызды (мысалы, автокөлік дизайнында аэродинамика, қауіпсіздік, отын шығыны есептеледі).

4. Практикалық қолдану

• Инженерлік ойлау теорияны шынайы өмірде қолданумен тікелей байланысты.

• Қарапайым мысал: электр энергиясын үнемдеу үшін күн батареяларын пайдалану немесе энергия тиімді ғимараттар салу.

5. Қабылданған шешімнің тиімділігі

• Инженер белгілі бір шешімнің экономикалық, техникалық және экологиялық тұрғыдан қаншалықты тиімді екенін бағалай білуі керек.

• Мысалы, құрылыс кезінде арзан, бірақ сапалы материалдарды пайдалану арқылы шығынды азайту.

Инженерлік ойлауды дамытудың жолдары

• Жобалық және практикалық жұмыстар орындау

• Мектеп оқушыларына нақты инженерлік тапсырмалар беру (мысалы, көпірдің макетін жасау, роботты бағдарламалау, энергия үнемдейтін құрылғылар құрастыру).

• Инженерлік есептерді шешу

• Физикалық заңдарға негізделген техникалық есептер арқылы оқушылардың логикалық және сыни ойлауын дамыту.

• STEM-білім беру жүйесін қолдану

• Инженерлік ойлау дамуы үшін жаратылыстану ғылымдары (Science), технология (Technology), инженерия (Engineering) және математика (Mathematics) пәндерін біріктіре оқыту қажет.

Инженерлік ойлау – тек инженерлерге ғана емес, кез келген адамға қажет маңызды дағды. Ол шығармашылықты, сыни ойлауды және практикалық шешім қабылдауды дамытуға көмектеседі. Физика сабақтарында инженерлік ойлауды қалыптастыру арқылы оқушылардың техника мен технологияға қызығушылығын арттырып, болашақ мамандық таңдауына оң әсер етуге болады.

2.3. Жаратылыстану ғылымдары мен технологияның байланысы

Жаратылыстану ғылымдары (физика, химия, биология, астрономия) табиғат құбылыстарын зерттесе, технология осы ғылыми білімдерді практикалық қолдануға мүмкіндік береді. Ғылыми жаңалықтар техникалық дамудың негізін құрап, жаңа құрылғылар мен инновациялық шешімдердің пайда болуына ықпал етеді.

Жаратылыстану ғылымдары мен технологияның байланысының негізгі бағыттары

1. Физика және техника

Физика – барлық техникалық және инженерлік салалардың негізі.

• Механика заңдары – көліктер, құрылыс, робототехника.

• Электр және магнетизм – электр құрылғылары, байланыс жүйелері, компьютерлік технологиялар.

• Оптика – телескоптар, лазерлер, оптикалық талшықтар.

• Кванттық физика – жартылай өткізгіштер, компьютерлік процессорлар, нанотехнология.

2. Химия және материалтану

Химия жаңа материалдар мен технологияларды жасауда маңызды рөл атқарады.

• Полимерлер мен композиттер – авиацияда, автомобиль өндірісінде, құрылыс саласында қолданылады.

• Батареялар мен аккумуляторлар – электр көліктері мен мобильді құрылғылар үшін маңызды.

• Биохимиялық технологиялар – дәрі-дәрмек өндірісі, экологиялық таза отын көздері.

3. Биология және биотехнология

Биология мен технологияның бірігуі жаңа медициналық және экологиялық шешімдерге әкелді.

• Гендік инженерия – ауыл шаруашылығында өнімділікті арттыруға көмектеседі.

• Биомедициналық технологиялар – жасанды ағзалар, биосенсорлар.

• Экологиялық технологиялар – қалдықтарды қайта өңдеу, биоотын өндірісі.

4. Астрономия және ғарыштық технологиялар

Астрономиялық зерттеулер ғарыштық технологиялардың дамуына ықпал етеді.

• Зымыран технологиялары – спутниктер, Халықаралық ғарыш станциясы, Марсқа ұшу жобалары.

• Жаңа отын түрлері – плазмалық қозғалтқыштар, иондық қозғалтқыштар.

• Телескоптар мен спутниктер – Жердің климатын бақылау, байланыс жүйелері.

Жаратылыстану ғылымдары мен технологияның дамуының өзара байланысы

• Ғылыми жаңалықтар технологияны жетілдіруге көмектеседі.

• Техникалық жетістіктер ғылымдағы жаңа зерттеулерді дамытуға мүмкіндік береді.

• Ғылым мен техниканың интеграциясы адамзаттың өмір сүру сапасын жақсартады.

Жаратылыстану ғылымдары мен технология өзара тығыз байланысты. Оқушылардың ғылыми білімдерін тәжірибемен ұштастыруы олардың техникалық шығармашылық қабілеттерін дамытады. Физика сабақтарында технологиялық жобаларды қолдану болашақ инженерлер мен ғалымдардың қалыптасуына ықпал етеді.

3. Практикалық жұмыс әдістері

Теориялық білімді практикада қолдану оқушылардың пәнге деген қызығушылығын арттырып, шығармашылық және техникалық ойлау қабілетін дамытады. Физика пәнінде практикалық жұмыс әдістерін қолдану оқушыларға физикалық заңдарды өз бетінше зерттеуге, жаңа технологияларды игеруге және инженерлік дағдыларды дамытуға мүмкіндік береді.

3.1. Зертханалық және жобалық жұмыстар

Практикалық жұмыстың екі негізгі түрі бар:

• Зертханалық жұмыстар – физикалық құбылыстарды бақылау және эксперимент жасау арқылы заңдылықтарды анықтау.

• Жобалық жұмыстар – оқушылардың ғылыми-зерттеу және инженерлік дағдыларын дамытуға бағытталған шығармашылық тапсырмалар.

1. Зертханалық жұмыстар

Зертханалық жұмыстардың мақсаты:

• Физикалық заңдарды тәжірибе арқылы түсіндіру.

• Теориялық білімді нақты мысалдармен бекіту.

• Оқушылардың өлшеу, бақылау, талдау дағдыларын дамыту.

Зертханалық жұмыстардың түрлері:

1. Демонстрациялық эксперименттер – мұғалім жүргізеді, оқушылар бақылайды (мысалы, магнит өрісінің әсерін көрсету).

2. Фронтальды зертханалық жұмыстар – барлық оқушылар бірдей тәжірибені бір мезетте орындайды (мысалы, Ом заңын зерттеу).

3. Топтық зертханалық жұмыстар – оқушылар шағын топтарға бөлініп, әр топ жеке тәжірибе орындайды.

4. Жеке зертханалық жұмыстар – оқушылар өз бетінше тәжірибе жасайды (мысалы, үй жағдайында жарықтың шағылуын зерттеу).

Мысалдар:

• “Механикалық энергияның сақталу заңын зерттеу” – әртүрлі биіктіктен шар тастап, оның потенциалдық және кинетикалық энергиясын есептеу.

• “Электр тізбегіндегі кедергіні анықтау” – әртүрлі резисторларды пайдаланып, Ом заңын тәжірибе жүзінде тексеру.

• “Жарықтың сыну коэффициентін анықтау” – шыны немесе су арқылы өтетін жарық сәулесінің бұрыштарын өлшеу.

2. Жобалық жұмыстар

Жобалық жұмыс – оқушылардың өз бетімен немесе топпен орындауға арналған зерттеу және инженерлік тапсырма.

Жобалық жұмыстың артықшылықтары:

• Оқушылардың шығармашылық және инженерлік ойлау қабілетін дамытады.

• Ғылым мен техниканың өмірдегі маңызын түсінуге көмектеседі.

• Оқушылардың зерттеу, талдау және проблеманы шешу дағдыларын қалыптастырады.

Жобалық жұмыс түрлері:

1. Ғылыми-зерттеу жобалары – белгілі бір физикалық құбылысты терең зерттеу (мысалы, “Күн батареяларының тиімділігін арттыру әдістері”).

2. Инженерлік жобалар – белгілі бір техникалық мәселені шешуге бағытталған (мысалы, “Үй жағдайында электр энергиясын үнемдеуге арналған құрылғы жасау”).

3. Экологиялық жобалар – қоршаған ортаны қорғауға бағытталған (мысалы, “Пластик қалдықтарын қайта өңдеу әдістері”).

4. Робототехникалық жобалар – Arduino, LEGO Mindstorms сияқты платформаларды пайдаланып робот немесе автоматтандырылған жүйе жасау.

Жобалық жұмыс мысалдары:

• “Қолдан жасалған жел генераторы” – шағын жел турбинасын құрастырып, оның тиімділігін өлшеу.

• “Ақылды жылыжай жүйесі” – өсімдіктердің ылғалдылығын бақылап отыратын автоматтандырылған жүйе жасау.

• “Су тазарту құрылғысын жасау” – табиғи материалдарды қолданып су сүзгісін әзірлеу.

Зертханалық және жобалық жұмыстар оқушылардың физикалық заңдарды терең түсінуіне көмектеседі, шығармашылық қабілетін дамытады және болашақта инженерлік дағдыларды меңгеруге ықпал етеді. Интерактивті және тәжірибеге негізделген оқыту әдістері оқушылардың физикаға деген қызығушылығын арттырып, олардың болашақ мамандық таңдауда саналы шешім қабылдауына көмектеседі.

3.2. Техникалық модельдеу және прототиптеу

Техникалық модельдеу және прототиптеу – инженерлік ойлау мен шығармашылық қабілетті дамытудың маңызды әдістерінің бірі. Бұл әдістер оқушыларға теориялық білімді тәжірибеде қолдануға, жаңа технологияларды меңгеруге және инновациялық шешімдерді жасауға мүмкіндік береді.

1. Техникалық модельдеу дегеніміз не?

Модельдеу – нақты объектілер мен жүйелердің ықшамдалған көшірмесін жасау арқылы олардың жұмыс істеу принципін зерттеу әдісі.

Модельдеу түрлері:

• Физикалық модельдеу – нақты материалдардан жасалған модельдер (мысалы, көпірдің шағын көшірмесін құрастыру).

• Компьютерлік модельдеу – виртуалды ортада жасалған модельдер (мысалы, аэродинамикалық зерттеулер үшін 3D модельдер).

• Математикалық модельдеу – формулалар мен теңдеулер арқылы жүйенің жұмысын болжау.

Физикадағы техникалық модельдеу мысалдары:

• Механикалық құрылғылардың жұмысын зерттеу (мысалы, маятниктің қозғалысын модельдеу).

• Электр тізбектерін жобалау (электрондық сызбалар жасау және сынақтан өткізу).

• Жылу алмасу процестерін зерттеу (изоляция материалдарының тиімділігін модельдеу).

2. Прототиптеу дегеніміз не?

Прототиптеу – белгілі бір идеяны немесе концепцияны тәжірибе жүзінде тексеру үшін оның алғашқы жұмыс үлгісін жасау процесі.

Прототиптеудің маңызы:

• Инженерлік идеяларды нақты өнімге айналдыруға көмектеседі.

• Құрылғылардың жұмыс істеу принципін тестілеуге мүмкіндік береді.

• Кемшіліктерді анықтап, жетілдіруге жағдай жасайды.

Прототиптеу құралдары мен әдістері:

• Қолдан жасалған макеттер – қағаз, картон, пластик, ағаштан жасалған үлгілер.

• 3D баспа технологиясы – күрделі бөлшектер мен құрылғылардың нақты көшірмелерін жасау.

• Электрондық схемалар құрастыру – Arduino, Raspberry Pi сияқты платформалар арқылы прототиптер жасау.

• Компьютерлік симуляция – AutoCAD, SolidWorks, Tinkercad сияқты бағдарламаларда виртуалды прототиптер құру.

3. Техникалық модельдеу мен прототиптеуді қолдану салалары

Сала	Модельдеу мысалы	Прототиптеу мысалы
Механика	Көпір конструкциясының беріктігін модельдеу	Көпірдің шағын прототипін жасау
Электроника	Электр тізбектерін компьютерде жобалау	Arduino арқылы автоматтандырылған жүйе жасау
Робототехника	Роботтың қозғалысын компьютерлік модельдеу	3D баспа арқылы робот бөлшектерін жасау
Құрылыс	Ғимараттың сейсмотұрақтылығын модельдеу	Энергия тиімді үйдің макетін жасау
Көлік инженериясы	Аэродинамиканы зерттеу	Электромобильдің жұмыс үлгісін жасау

4. Практикалық тапсырмалар мен жобалар

Оқушылардың техникалық модельдеу және прототиптеу дағдыларын дамыту үшін келесі тапсырмаларды орындауға болады:

• “Қарапайым көпір макетін жасау” – әртүрлі материалдар (қағаз, ағаш, пластик) қолданып, жүктемеге төзімділігін тексеру.

• “Энергия үнемдейтін ғимарат моделі” – жылу оқшаулағыш материалдарды зерттеп, тиімді макет құрастыру.

• “Автономды жарықтандыру жүйесін жасау” – күн батареяларын пайдаланып, автоматты жарықтандыру жүйесін жасау.

• “Жел генераторының прототипін әзірлеу” – желден электр энергиясын өндіретін шағын құрылғыны құрастыру.

• “Робот қолының моделін жасау” – робототехника негіздерін зерттеу арқылы қарапайым роботтық қол жасау.

Техникалық модельдеу және прототиптеу оқушылардың инженерлік және шығармашылық қабілеттерін дамытады. Бұл әдістер оларды жаңа технологиялармен таныстырып, ғылыми зерттеулер жүргізуге және инновациялық идеяларды жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Практикалық жобалар арқылы оқушылар теорияны нақты өмірмен байланыстырып, болашақ мамандықтарын саналы түрде таңдауға жол ашады.

3.3. Инженерлік есептерді шығару әдістері

Инженерлік есептер – физикалық заңдар мен математикалық әдістерді қолдана отырып, нақты техникалық мәселелерді шешуге арналған есептер. Бұл есептерді шешу барысында оқушылар логикалық ойлау, талдау, модельдеу және инженерлік шешімдерді негіздеу дағдыларын дамытады.

1. Инженерлік есептердің түрлері

1. Механика және құрылыс инженериясы есептері

• Көпірдің немесе ғимараттың жүктемеге төзімділігін есептеу.

• Қозғалыс теңдеулері арқылы механизмдердің жұмысын модельдеу.

• Күштердің тепе-теңдігін анықтау.

2. Электротехника және энергетика есептері

• Электр тізбектеріндегі кернеу, ток және кедергіні есептеу (Ом заңы).

• Күн панельдерінің тиімділігін есептеу.

• Электр қозғалтқыштарының қуатын анықтау.

3. Гидродинамика және аэродинамика есептері

• Сұйықтықтардың құбыр бойымен қозғалысын есептеу.

• Ұшақ қанатының аэродинамикалық көтергіш күшін анықтау.

• Жел генераторының қуатын есептеу.

4. Жылу және термодинамика есептері

• Жылу өткізгіштік коэффициентін есептеу.

• Іштен жану қозғалтқышының жылу тиімділігін анықтау.

• Жылу оқшаулау материалдарының тиімділігін бағалау.

5. Робототехника және автоматика есептері

• Роботтың қозғалыс траекториясын есептеу.

• Қозғалтқыш моментін анықтау.

• Сенсорлар арқылы автоматты басқару алгоритмдерін жасау.

2. Инженерлік есептерді шешу әдістері

1. Аналитикалық әдіс

• Формулалар мен математикалық теңдеулерді пайдаланып шешу.

• Мысалы, F = ma формуласымен дененің үдеуі мен оған әсер ететін күшті анықтау.

2. Графикалық әдіс

• Диаграммалар, сызбалар, графиктер көмегімен шешу.

• Мысалы, электр тізбегінің вольт-амперлік сипаттамасын салу.

3. Модельдеу әдісі

• Компьютерлік бағдарламаларда (AutoCAD, MATLAB, SolidWorks) модель жасау.

• Мысалы, аэродинамикалық модельдеу арқылы автокөлік корпусын жетілдіру.

4. Эксперименттік әдіс

• Тәжірибелік зерттеулер жүргізу арқылы есеп нәтижелерін тексеру.

• Мысалы, оқушы маятниктің тербеліс уақытын өлшеп, тербеліс периодының формуламен сәйкес келетінін тексереді.

5. Сандық әдістер

• Күрделі теңдеулерді шешу үшін компьютерлік алгоритмдерді пайдалану.

• Python, MATLAB, Excel бағдарламаларында есептеулер жүргізу.

3. Практикалық тапсырмалар мен инженерлік есептер

Оқушыларға инженерлік ойлау дағдыларын дамыту үшін келесі тапсырмаларды орындауға болады:

• “Көпірдің жүк көтеру қабілетін есептеу” – көпір макетінің қандай салмаққа төзетінін анықтау.

• “Күн панелінің тиімділігін есептеу” – жарықтандыру жағдайына байланысты электр энергиясын өндіруді есептеу.

• “Қарапайым электр тізбегін есептеу” – резисторлар мен шамдар қосылған тізбектің жалпы кедергісін анықтау.

• “Су сорғысының өнімділігін есептеу” – белгілі бір биіктікке су көтеру үшін қажетті қуатты анықтау.

• “Жел генераторының қуатын анықтау” – желдің жылдамдығына байланысты алынатын энергияны есептеу.

Инженерлік есептерді шешу әдістері – оқушылардың техникалық білімін тереңдетіп, логикалық және сыни ойлауын дамытуға көмектеседі. Бұл дағдылар оларды болашақта инженерия, ғылым және технология салаларында табысты маман болуға дайындайды. Теориялық білім мен практиканы ұштастыру арқылы оқушылар нақты өмірдегі техникалық мәселелерді шешуге бейімделеді.

4. Физика, робототехника және STEM

Робототехника – механика, электроника, информатика және физиканың түрлі салаларын біріктіретін ғылыми-техникалық бағыт. Робототехниканы меңгеру оқушылардың шығармашылық және инженерлік ойлау қабілетін дамытып, физикалық заңдарды практикада қолдануға мүмкіндік береді.

4.1. Робототехникадағы физикалық принциптер

Робототехникада физика заңдары маңызды рөл атқарады. Роботтардың қозғалысы, тепе-теңдігі, энергия тұтынуы және сенсорлық жүйелерінің жұмысы физикалық принциптерге негізделген.

Робототехникадағы негізгі физикалық заңдар:

1. Механика заңдары

• Ньютон заңдары – роботтардың қозғалысын сипаттау үшін қолданылады.

• Мысалы, роботтың массасы неғұрлым үлкен болса, оны қозғалысқа келтіру үшін соғұрлым көп күш қажет (F = ma).

• Күш моменті және тепе-теңдік – робот қолының қозғалысы мен тұрақтылығын есептеуде маңызды.

• Үйкеліс күші – роботтың қозғалу механизмдерінде ескеріледі (доңғалақтардың сырғанауы, механизмдердің тозуы).

2. Электр және магнитизм заңдары

• Ом заңы (V = IR) – роботтың электр тізбегіндегі кернеу, ток және кедергіні есептеу үшін қолданылады.

• Электр қозғалтқыштарының жұмыс принципі – тұрақты және айнымалы ток моторларының жұмыс істеуі электромагниттік күштерге негізделген.

• Сенсорлар мен датчиктердің жұмысы – магнит өрісі, жарық, ультрадыбыс сияқты физикалық құбылыстарды қолданады.

3. Энергия және қуат

• Механикалық және электрлік энергияның түрленуі – электр энергиясы қозғалтқыш арқылы механикалық энергияға айналады.

• Жылу энергиясы – роботтардың электрондық жүйелерінде энергия шығынын және қызуын есептеу қажет.

4. Оптика және сенсорлық технологиялар

• Жарық сенсорлары – инфрақызыл немесе ультрадыбыстық сенсорлар объектілерді анықтау үшін қолданылады.

• Камералар және компьютерлік көру – роботтардың кеңістікте бағыт алуына көмектеседі.

Практикалық тапсырмалар мен жобалар

Оқушылардың робототехникадағы физикалық заңдарды жақсы түсінуі үшін келесі тапсырмаларды орындауға болады:

• “Қарапайым робот-машина жасау” – Ньютон заңдарын зерттеп, роботтың қозғалысын талдау.

• “Электр қозғалтқышының тиімділігін зерттеу” – Ом заңы негізінде ток, кернеу және қуатты есептеу.

• “Лазерлік сенсорларды пайдаланып объектіні анықтау” – жарықтың таралу заңдарын зерттеу.

• “Arduino негізінде сервоқозғалтқышты басқару” – робот қолының бұрылу бұрыштарын есептеу.

• “Жер бедерін анықтайтын автономды робот” – ультрадыбыстық сенсорларды пайдалану.

Робототехникадағы физикалық принциптерді меңгеру оқушыларға ғылыми-техникалық білімді практикада қолдануға мүмкіндік береді. Бұл бағыт STEM-білім берудің ажырамас бөлігі болып табылады және оқушыларды болашақ инженерлік және технологиялық мамандықтарға дайындайды.

4.2. Инженерлік есептер мен тапсырмалар

Робототехникадағы инженерлік есептер мен тапсырмалар оқушылардың логикалық ойлауын, техникалық дағдыларын және шығармашылық қабілеттерін дамытады. Бұл есептерді шешу арқылы олар роботтардың жұмыс принциптерін, сенсорлар мен қозғалтқыштардың рөлін, сондай-ақ бағдарламалау негіздерін тереңірек меңгереді.

1. Робототехникадағы инженерлік есептердің түрлері

1. Қозғалыс және механика есептері

• Роботтың қозғалу жылдамдығын есептеу.

• Робот доңғалақтарының айналу жиілігін анықтау.

• Робот қолының күш моментін есептеу.

2. Электротехника есептері

• Электр тізбегіндегі кернеу мен токты есептеу (Ом заңы).

• Роботтың қуатын анықтау (P = IV).

• Батареяның жұмыс уақытын есептеу.

3. Бағдарлау және сенсорлар есептері

• Ультрадыбыстық сенсордың объектіге дейінгі қашықтығын анықтау.

• Камера арқылы объектіні тану алгоритмін жасау.

• Жарық сенсорын қолданып, роботтың жарыққа бағытталуын есептеу.

4. Бағдарламалау және логикалық тапсырмалар

• Роботтың белгілі бір траектория бойынша қозғалу алгоритмін жазу.

• Arduino немесе Raspberry Pi платформасында автоматтандырылған жүйелерді құру.

• Сервоқозғалтқыштың бұрышын есептеп, оны код арқылы басқару.

2. Практикалық инженерлік тапсырмалар

1. Роботтың қозғалыс траекториясын есептеу

Мақсат: Роботтың 1 метр қашықтықты қанша уақытта жүріп өтетінін анықтау.

Берілгені:

• Роботтың жылдамдығы: 0.5 м/с

• Қашықтық: 1 м

Шешуі:

Нәтиже: Робот бұл қашықтықты 2 секундта өтеді.

2. Робот қолының күш моментін есептеу

Мақсат: Робот қолының белгілі бір нүктеде қандай күшпен жұмыс істейтінін анықтау.

Берілгені:

• Қолдың ұзындығы: 0.3 м

• Қолдың ұшына түсетін күш: 5 Н

Шешуі:

Нәтиже: Робот қолының айналу моменті – 1.5 Нм.

3. Электр қуатын есептеу

Мақсат: Роботтың тұтынатын электр қуатын анықтау.

Берілгені:

• Батарея кернеуі: 12 В

• Мотор арқылы өтетін ток: 2 А

Шешуі:

Нәтиже: Робот қозғалтқышының тұтынатын қуаты – 24 Вт.

4. Объектке дейінгі қашықтықты анықтау (ультрадыбыстық сенсор арқылы)

Мақсат: Сенсор роботтың алдындағы кедергіге дейінгі қашықтықты анықтау.

Берілгені:

• Дыбыстың ауадағы таралу жылдамдығы: 343 м/с

• Сенсор жіберген сигналдың барып-қайту уақыты: 0.02 с

Шешуі:

Нәтиже: Робот сенсоры кедергіні 3.43 метр қашықтықтан анықтайды.

3. Робототехника бойынша күрделі жобалық тапсырмалар

1. “Кедергілерден айналып өтетін автономды робот”

• Инфрақызыл немесе ультрадыбыстық сенсорлар арқылы кедергілерді анықтау.

• Қашықтықты есептеп, роботтың траекториясын өзгерту.

• Arduino көмегімен роботты бағдарламалау.

2. “Сызық бойымен қозғалатын робот”

• Жарық сенсорларын пайдаланып, қара сызықты анықтау.

• Логикалық алгоритм арқылы роботтың қозғалысын басқару.

3. “Гравитацияны есептейтін робот-манипулятор”

• Ньютон заңдарын қолданып, робот қолының салмақты көтеру қабілетін анықтау.

• Күш моментін есептеу арқылы қозғалысты бағдарламалау.

4. “Интеллектуалды робот көлік”

• GPS модулін пайдаланып, маршрут бойынша қозғалу.

• Камера арқылы объектілерді тану және олардан айналып өту.

Робототехникадағы инженерлік есептер мен тапсырмалар оқушылардың аналитикалық ойлау қабілетін дамытып, физика, математика, электроника және бағдарламалау салаларын кешенді түрде меңгеруге көмектеседі. Бұл есептер мен жобалар STEM-білім берудің негізгі қағидаларын жүзеге асыруға мүмкіндік береді.

4.3. Интерактивті платформалар мен цифрлық құралдарды пайдалану

Қазіргі білім беру жүйесінде интерактивті платформалар мен цифрлық құралдар оқушылардың робототехника және инженерия саласындағы білімін тереңдетуге мүмкіндік береді. Бұл құралдар оқыту процесін жандандырып, оқушыларға теорияны тәжірибе арқылы игеруге көмектеседі.

1. Интерактивті платформалар және олардың мүмкіндіктері

Интерактивті платформалар – оқушыларға физика, инженерия және робототехника бойынша тәжірибе жасауға мүмкіндік беретін бағдарламалық және веб-негізделген құралдар.

1.1. Онлайн-симуляторлар

Бұл платформалар нақты тәжірибелерді имитациялауға мүмкіндік береді:

• PhET Interactive Simulations (https://phet.colorado.edu/) – физика заңдарын зерттеуге арналған интерактивті симуляторлар.

• Tinkercad (https://www.tinkercad.com/) – электр тізбектерін жобалау мен 3D модельдеу платформасы.

• Algodoo (https://www.algodoo.com/) – физикалық процестерді визуализациялайтын бағдарлама.

1.2. Программалау платформалары

Оқушыларға роботтарды бағдарламалауды үйретуге арналған платформалар:

• Scratch (https://scratch.mit.edu/) – графикалық кодтау арқылы қарапайым роботтық тапсырмаларды орындауға мүмкіндік береді.

• Arduino IDE (https://www.arduino.cc/) – микроконтроллерлерге арналған бағдарламалау ортасы.

• Raspberry Pi (https://www.raspberrypi.org/) – аппараттық және бағдарламалық жобаларды құруға арналған шағын компьютер.

1.3. STEM және робототехника платформалары

• LEGO Mindstorms EV3 / SPIKE Prime – роботтарды құрастыру және бағдарламалау.

• VEX Robotics – инженерлік жобалар жасауға арналған робототехникалық платформа.

• RoboMind (https://robomind.net/) – роботтардың жасанды интеллектін бағдарламалауға арналған платформа.

2. Цифрлық құралдар және олардың артықшылықтары

Цифрлық құралдар оқыту процесін жеңілдетіп, оқушыларға күрделі инженерлік есептерді түсінуге көмектеседі.

2.1. 3D модельдеу және жобалау құралдары

• AutoCAD – инженерлік сызбаларды жасауға арналған кәсіби құрал.

• SolidWorks – механикалық бөлшектер мен құрылғыларды модельдеу.

• Fusion 360 – 3D модельдеу және инженерлік жобалауға арналған бағдарлама.

2.2. Роботтарды бағдарламалау құралдары

• Blockly for Arduino – блоктық кодтау арқылы микроконтроллерлерді бағдарламалау.

• MIT App Inventor – мобильді қосымшалар жасау платформасы, Arduino және робототехникалық құрылғылармен жұмыс істеуге мүмкіндік береді.

2.3. Виртуалды зертханалар

• Labster – физика, биология және инженерия бойынша тәжірибелер жасауға мүмкіндік береді.

• OpenRoberta (https://www.open-roberta.org/) – робототехника бойынша код жазып, оны виртуалды ортада тексеруге мүмкіндік береді.

3. Практикалық қолдану мысалдары

1. Arduino мен Tinkercad-ты пайдаланып қарапайым электр тізбегін құру

• Оқушылар Tinkercad-тағы виртуалды ортада жарық диодын қосатын схема жасайды.

• Arduino IDE арқылы бағдарламасын жазады.

• Шынайы өмірде схеманы жинап, нәтижесін тексереді.

2. LEGO Mindstorms арқылы робот жасау

• Оқушылар роботты жинап, оған белгілі бір тапсырмаларды орындауды бағдарламалайды (мысалы, сызық бойымен жүру).

• Scratch немесе Python арқылы бағдарламалау алгоритмін құрады.

3. PhET симуляторын пайдаланып қозғалыс заңдарын зерттеу

• Оқушылар әртүрлі күштердің әсерін зерттеп, жылдамдық пен үдеудің өзгерісін бақылайды.

• Графиктер мен диаграммаларды талдау арқылы қорытынды жасайды.

4. 3D модельдеу құралдарымен инженерлік жобалар жасау

• AutoCAD немесе Fusion 360 арқылы роботтың бөлшектерін жобалау.

• Жасалған 3D модельді 3D принтерде басып шығару.

Интерактивті платформалар мен цифрлық құралдарды пайдалану оқушылардың инженерлік ойлау қабілетін дамытып, оларды XXI ғасырдың технологиялық салаларына дайындайды. Теорияны практикамен ұштастыру арқылы оқушылар физикалық заңдарды нақты өмірде қалай қолдануға болатынын түсінеді.

Қорытынды

Бұл әдістемелік құрал физика мен инженерияның өзара байланысын терең түсініп, оқушылардың шығармашылық және техникалық ойлау қабілетін дамытуға бағытталған. Интерактивті тәсілдер, практикалық жұмыстар мен цифрлық құралдарды пайдалану арқылы оқушылар ғылыми заңдарды тек теория жүзінде ғана емес, тәжірибе арқылы да меңгереді.

Құралдың негізгі жетістіктері:

• Физика мен инженерия арасындағы байланыс – оқушыларға физикалық заңдарды техникада қалай қолдануға болатынын түсіндіруге көмектеседі.

• Практикалық бағыт – зертханалық жұмыстар, инженерлік есептер мен модельдеуді қолдану арқылы оқыту тиімділігін арттырады.

• STEM-білім беру – робототехника, бағдарламалау және техникалық шығармашылық арқылы оқушылардың ғылымға деген қызығушылығын оятады.

• Интерактивті құралдар мен цифрлық технологиялар – оқушылардың өз бетімен жұмыс жасау дағдыларын дамытып, заманауи инженерлік шешімдерді зерттеуге мүмкіндік береді.

Бұл әдістемелік құралды қолдану арқылы оқушылардың инженерлік ойлау қабілеті дамып, олардың болашақ мамандық таңдауына оң әсер етеді. Сонымен қатар, бұл құрал физиканы оқытудағы инновациялық тәсілдерді енгізуге көмектесіп, ғылым мен техниканы ұштастыруға мүмкіндік береді.

Болашаққа бағыт

Бұл әдістемелік құралды ары қарай дамыту үшін:

• Робототехникалық жобаларды көбейту,

• Жасанды интеллект және автоматтандыру элементтерін енгізу,

• Қосымша цифрлық симуляторлар мен онлайн-ресурстарды пайдалану ұсынылады.

Физиканы инженериямен байланыстыра отырып оқыту – оқушылардың логикалық, шығармашылық және аналитикалық қабілеттерін дамытудың тиімді жолы.

Қосымша материалдар мен ресурстар

Бұл бөлімде оқушылар мен мұғалімдерге физика, инженерия, робототехника және STEM салалары бойынша қосымша ақпарат алуға көмектесетін ресурстар ұсынылады.

1. Оқулықтар мен әдістемелік құралдар

1. Физика және инженерия

• Савченко В.Ф. “Инженерная физика” – техникалық мамандықтарға арналған физика негіздері.

• Сергеев И.Н. “Прикладная физика в технике” – инженерияда қолданылатын физикалық заңдар.

2. Робототехника және STEM

• McComb G. “Robot Builder’s Bonanza” – робот жасауға арналған практикалық нұсқаулық.

• Asimov I. “Robots and Empire” – робототехниканың дамуы мен болашағы туралы ғылыми-көпшілік еңбек.

• STEM оқытуға арналған ұлттық оқу бағдарламалары мен әдістемелік нұсқаулықтар.

2. Онлайн-ресурстар және цифрлық платформалар

2.1. Физикалық симуляторлар және инженерлік құралдар

• PhET Interactive Simulations – физика мен инженерия бойынша интерактивті симуляторлар (https://phet.colorado.edu/).

• Algodoo – механика заңдарын зерттеуге арналған интерактивті құрал (https://www.algodoo.com/).

• Tinkercad – 3D модельдеу және электр схемаларын жобалау (https://www.tinkercad.com/).

2.2. Робототехника және бағдарламалау

• Arduino Project Hub – Arduino жобалары мен нұсқаулықтары (https://create.arduino.cc/projecthub).

• LEGO Education – LEGO Mindstorms және SPIKE Prime бойынша оқыту материалдары (https://education.lego.com/).

• Raspberry Pi Foundation – Raspberry Pi және микроконтроллерлермен жұмыс жасау жөніндегі оқулықтар (https://www.raspberrypi.org/).

2.3. Онлайн-курстар мен оқыту платформалары

• Coursera – физика, инженерия және робототехника курстары (https://www.coursera.org/).

• edX – Массачусетс технологиялық институты мен Гарвард университетінің инженерлік курстары (https://www.edx.org/).

• Khan Academy – физика және математика бойынша тегін білім беру платформасы (https://www.khanacademy.org/).

3. Бағдарламалық жасақтамалар мен қосымшалар

• AutoCAD, SolidWorks, Fusion 360 – инженерлік жобалау және 3D модельдеу.

• Matlab, Wolfram Mathematica – күрделі физикалық есептеулер және модельдеу.

• Arduino IDE, Scratch, Blockly – бағдарламалау және микроконтроллерлермен жұмыс.

4. Ғылыми-зерттеу және олимпиадалық байқаулар

• FIRST Robotics Competition – оқушыларға арналған халықаралық робототехника байқауы (https://www.firstinspires.org/).

• Intel ISEF – инженерлік және жаратылыстану ғылымдары бойынша халықаралық ғылыми жоба байқауы (https://www.societyforscience.org/isef/).

• World Robot Olympiad (WRO) – робототехника бойынша әлемдік жарыс (https://www.wro-association.org/).

5. Бейнематериалдар мен ғылыми-көпшілік әдебиеттер

• YouTube каналдары:

• Veritasium – ғылыми эксперименттер мен инженерлік жобалар.

• Physics Girl – физика құбылыстарын түсіндіретін қызықты видеолар.

• TED-Ed – STEM бойынша анимациялық білім беру видеолары.

• Фильмдер мен деректі бағдарламалар:

• “How It’s Made” – технологиялар мен өндіріс процесін зерттеу.

• “The Universe” (History Channel) – ғарыштық инженерия және физика.

• “Big Hero 6” – инженерия мен робототехниканың болашағы туралы анимациялық фильм.

Бұл ресурстар физика мен инженерияны тереңірек меңгеруге, ғылыми зерттеулер жүргізуге және робототехника мен бағдарламалау саласында тәжірибе жинақтауға көмектеседі. Мұғалімдер мен оқушылар осы материалдарды пайдалана отырып, өз бетінше зерттеулер жасап, жаңа технологиялармен жұмыс істеу дағдыларын жетілдіре алады.

Пайдаланылған әдебиеттер

1. Оқулықтар және ғылыми еңбектер

1. Савченко В.Ф. Инженерная физика. – Москва: Издательство МГТУ, 2018.

2. Сергеев И.Н. Прикладная физика в технике. – Санкт-Петербург: Политехпресс, 2019.

3. Резник С.Д. Физика для инженеров. – Москва: Высшая школа, 2020.

4. McComb G. Robot Builder’s Bonanza. – New York: McGraw-Hill, 2019.

5. Asimov I. Robots and Empire. – New York: HarperCollins, 2017.

6. Bybee R. STEM Education: Now More Than Ever. – Arlington: NSTA Press, 2021.

7. Arduino Foundation. Arduino Programming and Projects. – Cambridge: O’Reilly Media, 2020.

2. Мақалалар және конференциялық материалдар

8. Anderson C., Krathwohl D. A Revision of Bloom’s Taxonomy: An Overview. – Theory into Practice, 2020.

9. Brown T. Design Thinking in STEM Education. – Journal of Engineering Education, 2021.

10. Кузнецов В.Н. Роль инженерного мышления в современной школе. – Вестник инженерного образования, 2022.

3. Веб-ресурстар

11. PhET Interactive Simulations – https://phet.colorado.edu/

12. Tinkercad – https://www.tinkercad.com/

13. Raspberry Pi Foundation – https://www.raspberrypi.org/

14. Coursera (STEM курстары) – https://www.coursera.org/

15. MIT OpenCourseWare (Инженерлік курстар) – https://ocw.mit.edu/

16. FIRST Robotics Competition – https://www.firstinspires.org/