Розділ 2. Реалізація міжпредметних зв'язків у навчанні фізики

Реалізація міжпредметних зв'язків під час вивчення фізики може здійснюватися на уроках і в позаурочний час. Ґрунтуючись на відомих учням знаннях, викладач активізує навчальний процес , застосовуючи продуктивні методи під час вивчення нового матеріалу, встановлює причинно-наслідкові зв'язки, здійснює порівняння, зіставлення, логічні висновки.

Наведемо приклади реалізації міжпредметних зв'язків на уроках фізики.

При вивченні теми “Деформації та напруження (Закон Гука)” в групі автослюсарів мають місце міжпредметні зв'язки з матеріалознавством (загальнотезнічний предмет) і спецтехнологією. У матеріалознавстві вивчається тема “Механічні властивості металів і сплавів”, в якій учні ознайомлюються з діаграмою розтягу металів, її основними точками і характеристиками міцності та пластичності. Але на уроках фізики ці зв'язки є попередніми, викладач фізики може активізувати ці знання в учнів перед поясненням фізичного змісту закону Гука. З спецтехнологією ця тема має перспективні зв'язки, оскільки відповідні поняття згадують при вивченні зварних швів. На уроці з фізики викладач поглиблює знання учнів про сили, напруження та деформації, з якими учні вперше ознайомились на уроках матеріалознавства. З метою активізації знань він застосовує діалогічний метод, вчить учнів бачити взаємозв'язок між законами фізики та поведінкою металів у різних умовах, разом з учнями шукає аналог цього явища у майбутній професійній діяльності учнів. Таким чином здійснюється перенесення цих знань стосовно проофесії. Учні мають усвідомлювати, що знання про напруження і деформації, які вони здобули на уроках матеріалознавства, фізики і хімії, є необхідними під час професійної діяльності для зменшення напруження і деформацій, що виникають під час зварювання. З курсу хімії учні учні взнають про існування особливого виду зв'язку – металічного. Наявністю металічного зв'язку викладач фізики може пояснити пластичність і на основі знань з матеріалознавства та хімії учні в подальшому можуть визначити, яку ґратку мають пластичні та крихкі метали.

Наведемо міжпредметні зв'язки по темі “Властивості твердих тіл”

(таблиця 1).

Зміст зв'язків з фізики	Зміст зв'язків з матеріалознавства	Зміст зв'язків з спецтехнології
Види твердих тіл. Деформація та її види і типи. Напруження.	Сплави металів, ії будова і кристалізація	Сили, деформації і зв'язок між ними.
Межа пропорційності та пружності. Плинність. Межа міцності і запас міцності. Пластичність. Крихкість. Механізм пластичних деформацій.	Механічні властивості і методи їх визначення. Випробування на розтяг.	Види напружень в матеріалі.
Теплове розширення тіл (об'ємне і лінійне розширення). Теплове розширення в техніці.	Фізичні властивості металів: плавкість, теплопровідність, теплоємність.	Виникнення напружень і деформацій під час нагрівання металів.

Для успішного формування організаційно-технологічних умінь учні повинні оволодіти знаннями не тільки про технологічні властивості оброблюваних матеріалів, але і знати, які закони науки в яких технічних засобах і технологічних процесах одержали свій практичний розвиток. З метою розвитку знань і формування умінь перед учнями можна ставити, наприклад, такі завдання (питання).

Назвіть найхарактерніші для приведених нижче технічних засобів і технологічних процесів фізичні явища і закони:

Явища, закони	Технічні засоби, технологічні процеси
Закон збереження механічної енергії	Електродвигун верстатів
Закон збереження електричної енергії	Трансформатори
Теплові явища	Електрогазозварювання
Закони Фарадея	Свердління
Закон Джоуля — Ленца	Шліфування
Закон Ампера	Електропіч
Закон Ома	Металообробні верстати
Теплове лінійне розширення	Шабрування і зенкування

Для встановлення міжпредметних зв'язків з фізики і спецпредметів відповідного профілю професій здійснювався аналіз навчального матеріалу (понятійний, логічний і психологічний). І при тематичному, і при поурочному плануванні занять повинна дотримуватися наступна схема: понятійний (компонентний) аналіз навчального матеріалу, логічний аналіз, психологічний аналіз, аналіз виховної значущості навчального матеріалу, дидактичний аналіз. Розглянемо кожний з елементів цієї системи з погляду підготовки до уроків вивчення нового матеріалу (проблемного типу) з фізики.

Під час понятійного аналізу навчального матеріалу з фізики виділяються основні поняття і факти із змісту, які потрібні для правильного визначення дидактичної мети і задач, вибору методів навчання. Викладач: визначає обсяг нового матеріалу, встановлює його зв'язок з раніше вивченим і намічає дидактичну мету, розрізняє обов'язковий і інформаційний матеріал, виділяє основні поняття, які належить засвоїти учням (або властивості, що раніше не вивчалися, і ознаки вже відомих), нові поняття (або їх ознаки) ділить на основні і другорядні, фіксує рівень їх складності; визначає структуру знань, виділяючи способи розкриття суті нових понять, конкретизує, що підлягає творчому, а що репродуктивному засвоєнню, розкриває попередні зв'язки, внутрішньопредметний зв'язок, міжпредметний зв'язок понять із фізики та інших загальноосвітніх предметів, а такожі професійно-технічних дисциплін, а також теоретичні і практичні способи дії, грунтуючись на яких учні могли б самостійно (повністю або за допомогою вчителя) засвоїти знання; визначає, що з раніше засвоєного слід поглибити і закріпити, які з понять і способів дії підлягають актуалізації на уроці, як підсилити їх політехнічне значення; готує варіанти формулювання понять, визначень, правил, теорем, законів і т. д.; виділяє поняття і способи діяльності для вивчення на подальших уроках в системі, уточнює їх зв'язок з основними поняттями даного уроку.

У процесі викладу нових знань вчитель оперує поняттями, думками, індуктивними і дедуктивними висновками, не забуваючи того, що метою проблемного навчання є навчити учнів логічно мислити, тобто оперувати логічними прийомами (аналіз, синтез, і т. п.). З точки зору логіки з урахуванням дидактичного принципу доступності при встановленні послідовності висвітлювання матеріалу застосовується таке правило: матеріал, який може бути засвоєний поза зв'язком з іншим, висловлюється першим. Якщо ж він не може бути засвоєний без знання іншого матеріалу, то його подають після того, як буде пояснений другий матеріал. Наприклад, викладач може пояснити суть поняття “природа струму в газах”. Але учні засвоять його глибоко і свідомо тільки в тому разі, якщо до цього ними засвоєне поняття “умови існування електричного струму”. Отже, поняття “природа струму в газах” треба вводити після поняття “умови існування електричного струму”. Це тим більше важливо, якщо матеріал не пояснюється, а дається у формі задачі для самостійного засвоєння. Від правильного встановлення логічної послідовності залежить необхідне для керування навчально-виховним процесом чергування інформаційних і проблемних питань, рівень проблемного засвоєння тощо.

Психологічний аналіз є до певної міри продовженням і як би конкретизацією логічного. Він необхідний для визначення проблемності навчального матеріалу і психологічної готовності учнів до самостійної пізнавальної діяльності.

Наведемо приклад такого аналізу матеріалу з фізиці, електротехніки і спецтехнології токарної справи. У ході понятійного аналізу змісту уроку фізики по темі “Електричний струм в газах” (I курс) викладач виділяє нові, невідомі учням поняття: “природа струму в газах”, “несамостійний розряд”, “способи створення несамостійного розряду” і способи дії: “постановка цілей досвіду”, ”формулювання висновків”, “порівняння інформації”, “порівняння явищ”, “виділення істотного”, “виділення відмінностей”.

Якщо викладач планує поглибити відомі поняття (знання) з курсу фізики (“робота електричного струму”, “кінетична енергія”, “умови існування електричного струму”, “провідники і діелектрики”), то на основі взаємозв'язку нових і колишніх знань він добивається засвоєння учнями нових понять, що розкривають фізичну природу електричної провідності газів (на рівні застосування знань в знайомій ситуації).

Залежно від характеру професійної підготовки учнів викладач шукає зв'язку відомих і нових понять з курсу фізики з поняттями і способами дії з спецпредметами, що полегшує засвоєння теоретичного матеріалу. Наприклад, на етапі формування нових понять, прийомів і способів дії викладач, реалізовуючи перспективний міжпредметний зв'язок курсу фізики з курсом електротехніки, темою “Електровакуумні прилади” характеризує різні типи самостійного і несамостійного розрядів, виділяє явище “термоелектронної емісії”, пов'язує його з майбутньою роботою учнів з електровакуумними приладами (діод, тріод, тощо), в яких явище термоелектронної емісії лежить в основі їх принципу дії.

Розглянемо приклад логічного аналізу того самого навчального матеріалу. У підручнику фізики (9-й клас) спочатку розглядається суть електричного розряду в газі, отримання його в процесі іонізації, потім — провідність газів, рекомбінація, несамостійний розряд (несамостійна провідність), самостійний розряд (самостійна провідність). Але така логіка (послідовність викладу) не сприяє організації проблемного уроку і створенню проблемних ситуацій дедуктивним шляхом. Доцільно перебудувати структуру навчального матеріалу так, щоб послідовність актуалізації опорних знань і введення нових понять і способів діяльності забезпечила активний ( частково-пошуковий) метод навчання. Актуалізацію опорних знань викладач планує провести у формі фронтального опитування, при якому учні відповідають на наступні репродуктивні питання: що є електричним струмом? які умови існування струму? яка роль електричного поля? як порахувати поля? по якій формулі визначається кінетична енергія частинок? що є вільним носієм струму в металах, електролітах? Чому розплави солей є провідниками? звідки з'явилися іони? у чому відмінність і що загального є в провідності електролітів і металів? Приклади провідників і діелектриків, в чому головна відмінність їх один від одного? Що таке провідник? що таке діелектрик? до чого відносяться метали? При підбитті короткого підсумку першого етапу уроку (актуалізації опорних знань) повинен відбутися природний перехід до вивчення нового матеріалу за допомогою проблемного питання.

В результаті узагальнення власного досвіду навчання фізики у профтехучилищі можна виділити такі способи створення проблемних ситуацій.

1. Спонукання учнів до пояснення, фактів, зовнішньої невідповідності між ними або суперечності. Наприклад, при вивченні закону Ома для замкнутого ланцюга демонструється вимірювання напруги батареї високоомним вольтметром. При цьому учні бачать, що показ вольтметра не збігається з вказаним значенням ерс батареї. Виникає проблемна ситуація, ставиться проблема: чому показ вольтметра і вказане значення ерс батареї не збігаються? Після вивчення закону Ома для замкнутого ланцюга учні переконуються, що показ вольтметра буде менше вказаного значення ерс, тому що є падіння напруги на внутрішньому опорі батареї (проблема розв'язана).

2. Використовування навчальних і життєвих ситуацій, що виникають при виконанні учнями завдань в училищі, вдома, на виробництві, в навчальних майстернях, на екскурсії і ін. Наприклад, використовування експерименту для підвищення пізнавальної активності учнів. При вивченні залежності опору провідників від температури проводиться експеримент із вмиканням провідника, амперметра і вольтметра. Досягнувши певної критичної температури показ амперметра різко зростає. Учні не можуть пояснити дане явище, нові знання, які повинні засвоїти учнів, встають перед ними як дослідницька проблема (досягнувши певної критичної температури, характерної для даної речовини, відбувається явище надпровідності).

3. Постановка проблемних завдань (питань, задач) на пояснення явищ, суть поняття, що вивчається, або по пошуку способів його практичного застосування. Наприклад, при поясненні нового матеріалу на уроці по фізиці учням пропонується вирішити задачу, в якій закладена проблемність. Саме завдяки цій проблемності можна зрозуміти будову того чи іншого пристрою.

4. Спонукання учнів до узагальнення нових фактів або нової інформації. Наприклад, викладач фізики пропонує учням наступне питання: чи буде видно креслення, якщо його накрити матовим склом? В учнів при цьому виникає зустрічне питання викладачу: креслення накрите матовою або не матовою стороною скла? Викладач питає: чи буде відмінність, якщо креслення накрити склом спочатку матовою стороною догори, а потім скло перевернути? Одні учні відповідають, що відмінності не буде, інші, навпаки. Виникла проблемна ситуація. Викладач кладе на креслення скло матовою стороною догори. Що ви помітили? Учні бачать, що, якщо скло покласти матовою стороною догори, креслення не помітне, а якщо навпаки, видно. Учні формулюють проблему: які закономірності руху світла через матове скло дають таку відмінність? Підготовленіші теоретично учні міркують таким чином: якщо скло покласти на креслення матовою стороною догори, то пучки світла, відображені від різних ділянок креслення,, перекриваються на матовій поверхні. Через рівномірне розсіяння світла креслення розібрати не можна. Якщо скло перевернути, то креслення буде видне. При цьому освітленість матової поверхні буде неоднаковою і інтенсивність світла, розсіяного різними ділянками цієї поверхні, стане різною. Викладач затверджує, що таке узагальнення нового факту (відмінності) буде доказом поставленої проблеми.

5.Ознайомлення учнів з фактами, що мають нібито нез'ясовний характер і що призвели в історії науки і техніку до постановки проблеми.

6. Організація міжпредметних зв'язків з метою використовування висновків, правил, принципів фізики для пояснення висновків або фактів іншого предмету. Наприклад, у спецтехнології токарів часто виникає необхідність розрахунку швидкості різання, що допускається, за різних умов обробки заготівок на металорізальних верстатах, пояснення суті формули у взаємозв'язку із знаннями з фізики, математики, тобто залежності коефіцієнта Су від виду обробки і оброблюваного матеріалу, Т — заданої стійкості інструменту (хв), Та— показника відносної стійкості, t — глибини різання (мм), s — величини подачі (мм/об), х' — дробового показника ступеню при глибині різання, у' — дробового показника ступеню при подачі, Кзаг — загального поправочного коефіцієнта, що враховує конкретні умови роботи на верстатах.

Таким чином, на основі знань з фізики і математики виводиться основний закон різання: для підвищення швидкості різання при незмінній стійкості або для підвищення стійкості при незмінній швидкості різання слід збільшити глибину різання, відповідно зменшивши подачу.

7. Варіювання змісту задачі (завдання), зміна формулювання питання. Практичний досвід учнів і наочність полегшують сприйняття і осмислення суті питання.

8. Зміна послідовності вивчення понять, застосування наочності і словесних ілюстрацій до висновків і пояснень. Наприклад, коефіцієнт корисної дії приводу верстата є важливою технічною характеристикою, оскільки визначає ту частку енергії, яка витрачається на корисну роботу, тобто безпосередньо на процес різання, але вперше це поняття вивчається на уроках фізики.

9. Використовування задач з виробничим змістом

10. Спонукання учнів до пояснення питань техніки і технології виробництва допомогою законів фізики та інших природничих дисциплін. Наприклад, вивчення причин зношування токарних різців пов'язане із знаннями по фізиці, хімії, математиці, матеріалознавству тощо. Учні визначають, що в процесі різання якнайбільше нагрівається стружка, оскільки вона зазнає значної пружно-пластичної деформації. При цьому залежно від режиму різання і умов обробки стружкою відводиться ~75% теплоти, що виділяється, до 20% сприймає різець, близько 4%—оброблювана поверхня і близько 1% витрачається на нагрівання навколишнього середовища. Фізично зношування пояснюється в основному двома причинами. По-перше, безпосереднім дряпанням твердими частинками оброблюваного металу поверхні інструменту. Таке зношування називається абразивним. Воно характерне для обробки чавуну, який володіє абразивною здатністю твердими кристалами карбідів інтенсивно стирати поверхню інструменту. По-друге, при великому контактному тиску і температурах починають виявлятися сили молекулярного зчеплення — адгезія, що супроводжується відривом частинок матеріалу інструменту і їх прилипання до стружки, що сходить, і поверхні різання.

11. Завдання на ілюстрацію фактів, що вивчаються, принципів з фізики прикладами з виробничої практики, спецтехнології, матеріалів і технології машинобудування.