Xây dựng một số mô hình vật lý trên máy tính nhằm hỗ trợ học sinh tự lực và sáng tạo trong dạy học chương dòng điện trong các môi trường

Xây dựng một số mô hình vật lý trên máy tính nhằm hỗ trợ học sinh tự lực và sáng tạo trong dạy học chương dòng điện trong các môi trường

- -

Diệp Như Quỳnh

XÂY DỰNG MỘT SỐ MÔ HÌNH VẬT LÝ

TRÊN MÁY TÍNH NHẰM HỖ TRỢ HỌC SINH

TỰ LỰC VÀ SÁNG TẠO TRONG DẠY HỌC

CHƯƠNG “DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG”

- VẬT LÝ 11 – NÂNG CAO

Chuyên ngành: Lý luận và phương pháp dạy học Vật lý

Mã số : 601410

LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN MẠNH HÙNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NĂM 2010

Trưởng Khoa Vật Lý – Trường Đại Học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Tôi cũng chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu cùng tập thể giáo viên trường THPT chuyên Lê Quý Đôn – Ninh Thuận đã quan tâm chia sẻ và tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt khoá học cũng như làm đề tài

Cuối cùng, tôi xin dành trọn những thành quả đạt được trong suốt khoá học cũng như trong luận văn này cho gia đình tôi, những người đã luôn bên cạnh chia sẻ

và động viên tôi trong suốt thời gian qua

này là hoàn toàn mang tính độc lập, trung thực và chưa từng được công bố trên bất

cứ công trình nào Nếu có điều gì trái với lời cam đoan trên, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và mọi hình thức kỷ luật của hội đồng bảo vệ cũng như pháp luật Việt Nam

Người cam đoan

Diệp Như Quỳnh

Bảng 3.2: Bảng phân phối tần suất

Bảng 3.3: Phân phân phối tần suất lũy tích

Bảng 3.4: Các tham số đặc trưng thống kê của nhóm đối chứng và thực nghiệm Biểu đồ 3.1: Phân bố điểm số Xi của hai nhóm lớp ĐC và TN

Biểu đồ 3.2: Biểu đồ phân bố tần suất

Biểu đồ 3.3: Biểu đồ phân phối tần suất tích lũy

Lời cam đoan

Danh mục chữ viết tắt

Danh mục các bảng và biểu đồ

Mục lục

MỞ ĐẦU - 01

Chương 1: MÔ HÌNH TRÊN MÁY TÍNH VÀ VAI TRÒ CỦA CHÚNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ NHẰM PHÁT HUY TÍNH TỰ LỰC VÀ NÂNG CAO NĂNG LỰC SÁNG TẠO CHO HỌC SINH - 06

1.1 Mục tiêu và định hướng đổi mới trong giáo dục hiện nay - 06

1.2 Cơ sở lý luận của dạy học nhằm phát huy tính tự lực và rèn luyện năng lực sáng tạo cho học sinh - 08

1.2.1 Phát huy tính tự lực của học sinh trong học tập vật lý - 08

1.2.2 Rèn luyện năng lực sáng tạo cho học sinh trong học tập vật lý - 11

1.3 Mô hình trong dạy học vật lý - 14

1.3.1 Khái niệm mô hình - 14

1.3.2 Tính chất của mô hình - 15

1.3.3 Phân loại mô hình - 16

1.3.4 Mô hình trong dạy học vật lý - 18

1.4 Máy vi tính trong dạy học vật lý - 20

1.4.1 Cơ sở khoa học của việc sử dụng máy vi tính trong dạy học vật lý - 21

1.4.2 Sử dụng máy vi tính trong dạy học vật lý - 22

1.4.3 Giới thiệu sơ lược về Matlab và sự cần thiết của việc sử dụng Matlab trong việc hỗ trợ xây dựng các mô hình vật lý trên máy tính - 24

Kết luận chương 1 - 27

Trang

– vật lý 11 nâng cao - 28

2.1.1 Tổng quan về chương “Dòng điện trong các môi trường” – vật lý 11 nâng cao - 28

2.1.2 Chuẩn kiến thức, kĩ năng - 29

2.1.3 Phân tích logic hình thành các kiến thức cơ bản của từng bài - 31

2.2 Những vấn đề thường gây khó khăn trong dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường” - 37

2.3 Xây dựng một số mô hình vật lý hỗ trợ dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường” - 39

2.3.1 Mô hình dòng điện trong kim loại - 39

2.3.2 Mô hình dòng điện trong chất điện phân - 43

2.3.3 Mô hình dòng điện trong chân không - 47

2.3.4 Mô hình dòng điện trong chất khí - 50

2.3.5 Mô hình dòng điện trong chất bán dẫn - 54

2.4 Xây dựng tiến trình dạy học một số bài trong chương với sự hỗ trợ của mô hình - 58

2.4.1 Tiến trình dạy học bài dòng điện trong kim loại - 58

2.4.2 Tiến trình dạy học bài dòng điện trong chất điện phân - 63

2.4.3 Tiến trình dạy học bài dòng điện trong chân không - 70

2.4.4 Tiến trình dạy học bài dòng điện trong chất khí - 77

2.4.5 Tiến trình dạy học bài dòng điện trong chất bán dẫn - 83

Kết luận chương 2 - 92

Chương 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM - 93

3.1 Mục đích của thực nghiệm sư phạm - 93

3.2 Đối tượng thực nghiệm sư phạm - 93

3.3 Nội dung thực nghiệm sư phạm - 94

3.5 Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm - 95

3.5.1 Đánh giá mức độ tự lực và sáng tạo của học sinh qua từng bài học cụ thể - 95

3.5.2 Đánh giá kết quả học tập của học sinh thông qua bài kiểm tra cuối chương - 102

3.5.3 Đánh giá mức độ hiệu quả của việc sử dụng các mô hình thông qua kết quả điều tra học sinh sau khi học xong chương “Dòng điện trong các môi trường” - 107

Kết luận chương 3 - 115

KẾT LUẬN - 117

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 120 PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Đất nước ta đang trong thời kì hội nhập và phát triển kinh tế, mà việc gia nhập

tổ chức WTO (2006) là một trong những điểm mốc quan trọng Sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hoá đất nước đã và đang đặt ra cho nền giáo dục nước nhà những thách thức mới, đòi hỏi giáo dục phải tiến hành công cuộc đổi mới một cách mạnh mẽ, sâu sắc, toàn diện về mục tiêu, chương trình, sách giáo khoa và phương pháp dạy học nhằm hướng đến việc đào tạo nên một đội ngũ những người lao động, những cán bộ có trình

độ kĩ thuật cao, có năng lực tư duy sáng tạo và giải quyết vấn đề Trong đó, coi đổi mới phương pháp dạy học là vấn đề trọng tâm; thật vậy, theo quan điểm tâm lý giáo dục học, đổi mới phương pháp dạy học (PPDH) là hướng quan trọng có tác dụng chỉ đạo vì

nó tác động trực tiếp, ảnh hưởng trực tiếp đến tâm hồn, trí tuệ, ý chí,… của người học,

là yếu tố quyết định thành công

Định hướng đổi mới PPDH đã được xác định trong các nghị quyết trung ương từ năm 1996, được thể chế hoá trong luật giáo dục (12-1998), đặc biệt tái khẳng định

trong điều 5, luật giáo dục (2005): “Phương pháp giáo dục phải phát huy tính tích cực,

tự giác, chủ động, tư duy sáng tạo của người học, bồi dưỡng cho người học năng lực

tự học, khả năng thực hành, lòng say mê học tập và ý chí vươn lên ”

Tuy nhiên, cho đến nay, sự chuyển biến về đổi mới PPDH trong các loại hình nhà trường còn chậm, chủ yếu vẫn là cách dạy truyền thống: thầy thuyết trình – trò ghi chép một cách thụ động, một số phương pháp dạy học tích cực được sử dụng nhưng mức độ thành công chưa cao, do đó vẫn chưa phát huy được tính tự lực và sáng tạo của học sinh (HS) Một trong những nguyên nhân quan trọng dẫn đến hiện trạng trên là do

sự thiếu thốn về phương tiện dạy học như: thiết bị thí nghiệm, mô hình vật lý hỗ trợ dạy học, các phương tiện nghe – nhìn,…

Hiện nay, sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin (CNTT) đã và đang tạo

ra những thành tựu tin học phong phú và hữu ích, do đó, việc khai thác và sử dụng CNTT trong dạy học nói chung, dạy học vật lý nói riêng đang là một trong những vấn

đề cấp bách Trong những năm gần đây, phong trào ứng dụng CNTT vào dạy học đang diễn ra hết sức sôi nổi và dạy học với sự trợ giúp của máy vi tính (MVT) đã và đang tỏ

ra có nhiều ưu thế, mang lại nhiều hiệu quả tích cực cho quá trình dạy học, chỉ thị 29/2001/CT – BGD&ĐT của Bộ trưởng Bộ Giáo dục và Đào tạo đã khẳng định điều

đó: “Công nghệ thông tin có tác động mạnh mẽ, làm thay đổi nội dung, phương pháp,

phương thức dạy và học” Song, hiện nay, việc khai thác các ứng dụng của CNTT

trong dạy học còn khá hạn chế Đa số giáo viên (GV) vẫn chỉ dừng lại ở việc sử dụng MVT để soạn giáo án điện tử hay thiết kế bài giảng điện tử trên nền Microsoft Power Point, đó mới chỉ là khai thác chức năng nghe nhìn của MVT Các luận văn thạc sĩ giáo dục học trong nước gần đây cũng có nghiên cứu về lĩnh vực ứng dụng CNTT trong dạy học, nhưng đa số đều hướng đến việc thiết kế website hỗ trợ dạy học, thiết kế một số tư liệu thí nghiệm ảo hỗ trợ dạy học hay xây dựng các chương trình hỗ trợ kiểm tra, đánh giá…mà ít chú trọng đến khả năng xây dựng các mô hình vật lý của MVT Hiện nay,

có nhiều mô hình vật lý được thiết kế (ta có thể tìm thấy trên internet), nhưng các mô hình đó được thiết kế một cách riêng lẻ, rời rạc, chưa thể hiện được ý đồ và mục đích

sử dụng của bản thân tôi cũng như chưa thật sự phù hợp với chương trình, sách giáo khoa của chúng ta

Trong chương trình vật lý trung học phổ thông (THPT), có rất nhiều kiến thức

mà khi có các mô hình thích hợp thì học sinh sẽ tự lực và sáng tạo trong khi học chúng, điển hình là chương “Dòng điện trong các môi trường” Điều đó cho thấy việc nghiên cứu khả năng xây dựng mô hình của MVT và ứng dụng trong dạy học nhằm làm cho học sinh tự lực, sáng tạo là một trong những vấn đề rất cần thiết, góp phần vào công cuộc đổi mới của nền giáo dục nước nhà

Với những lý do nêu trên, tôi chọn đề tài nghiên cứu “Xây dựng một số mô hình

vật lý trên máy tính nhằm hỗ trợ học sinh tự lực và sáng tạo trong dạy học chương dòng điện trong các môi trường – chương trình vật lý 11 – nâng cao”

2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu:

3 GIẢ THUYẾT KHOA HỌC

Nếu xây dựng được các mô hình vật lý trên máy tính theo mục đích đã đề ra và vận dụng vào dạy học thì có thể làm cho học sinh tự lực và sáng tạo, góp phần nâng cao chất lượng dạy học

4 MỤC ĐÍCH – NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

4.1.Mục đích nghiên cứu

- Xây dựng được một số mô hình dòng điện trong các môi trường trên máy tính bằng cách lập trình Matlab và một số chương trình khác và sử dụng trong dạy học nhằm giúp học sinh tự lực và sáng tạo trong học tập

4.2.Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý trên Matlab và một số chương trình khác

- Xây dựng các mô hình về dòng điện trong các môi trường

- Nghiên cứu cơ sở lý luận của dạy học nhằm phát triển tính tự lực và sáng tạo của HS

- Nghiên cứu nội dung chương trình SGK 11 – nâng cao, chương “Dòng điện trong các môi trường”

- Xây dựng các tiến trình dạy học nhằm mục đích làm cho học sinh tự lực và sáng tạo với sự hỗ trợ của các mô hình

- Tiến hành thực nghiệm sư phạm ở trường THPT nhằm xác định mức độ phù hợp, đánh giá tính khả thi và hiệu quả của các mô hình đã xây dựng, từ đó rút kinh nghiệm

để hoàn thiện chúng

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Nghiên cứu lí luận:

- Các văn kiện, nghị quyết, luật giáo dục

- Các tạp chí giáo dục có liên quan đến mô hình trong dạy học vật lý, sử dụng máy vi tính trong dạy học Vật Lý

- Tư liệu về cơ sở lý luận của dạy học vật lý

- Tư liệu về nội dung, con đường hình thành kiến thức, mục đích, yêu cầu giảng dạy chương “ Dòng điện trong các môi trường”_ Vật lý 11 nâng cao

- Sách giáo khoa lớp 11 chương “Dòng điện trong các môi trường”

- Tài liệu hướng dẫn lập trình trên Mathlab, và một số chương trình khác

- Tài liệu chuyên sâu về cơ chế phát sinh hạt mang điện và bản chất dòng điện trong các môi trường

 Quan sát, điều tra về thực trạng dạy học chương “ Dòng điện trong các môi trường” ở các trường THPT thuộc tỉnh Ninh Thuận

 Thực nghiệm sư phạm

 Thống kê toán học để xử lý số liệu thực nghiệm

6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

- Cung cấp một số mô hình vật lý hỗ trợ dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường” - Vật lý 11 – Nâng cao và phương pháp sử dụng chúng nhằm phát huy tính tự lực và nâng cao năng lực sáng tạo cho học sinh

- Tạo cơ sở cho việc nghiên cứu xây dựng các mô hình vật lý trên máy tính hỗ trợ dạy học cho các phần còn lại của chương trình vật lý THPT

CHƯƠNG 1

MÔ HÌNH TRÊN MÁY TÍNH VÀ VAI TRÒ CỦA CHÚNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ NHẰM

PHÁT HUY TÍNH TỰ LỰC VÀ NÂNG CAO

NĂNG LỰC SÁNG TẠO CHO HỌC SINH

1.1 Mục tiêu và định hướng đổi mới trong giáo dục hiện nay[2][6][33]

Chúng ta đang sống trong thế kỷ XXI, thế kỷ của trí tuệ sáng tạo Đất nước ta đang bước vào thời kỳ Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa Viễn cảnh tương lai tươi đẹp nhưng cũng ẩn chứa nhiều thách thức đòi hỏi ngành Giáo dục – Đào tạo phải thực hiện một cuộc cách mạng trong giáo dục, phải đổi mới mạnh mẽ, vươn tới ngang tầm với sự phát triển chung của khu vực và thế giới Bởi lẽ sự nghiệp Giáo dục – Đào tạo là nhân

tố góp phần quyết định vào việc bồi dưỡng trí tuệ khoa học, năng lực sáng tạo cho thế

hệ trẻ - mầm sống tương lai của đất nước

Tuy nhiên, trong mấy thập kỷ vừa qua, mặc dù giáo dục đã có những bước chuyển biến tích cực hướng trung tâm của quá trình dạy học vào “người học”, nhưng kiểu dạy học như hiện nay vẫn bộc lộ một nhược điểm cơ bản là vẫn mang nặng tính

chất “độc thoại, thông báo, giảng giải áp đặt, làm mẫu cho học sinh bắt chước” của sự dạy và tính chất “thụ động theo dõi, chấp nhận, ghi nhớ, thừa hành, bắt chước” của sự

học Kiểu dạy học này vẫn chưa phát huy được khả năng học tập tự lực, tìm tòi, sáng tạo giải quyết vấn đề của HS trong quá trình chiếm lĩnh tri thức Do đó, ngành giáo dục nước nhà cần phải thực hiện công cuộc đổi mới toàn diện về chương trình Sách Giáo Khoa (SGK) và phương pháp dạy học (PPDH), trong đó đặt trọng tâm vào việc đổi mới PPDH Chỉ có đổi mới PPDH chúng ta mới có thể tạo được sự đổi mới thực sự trong

giáo dục, mới có thể đào tạo lớp người năng động, sáng tạo, có tiềm năng cạnh tranh trí tuệ trong bối cảnh nhiều nước trên thế giới đang hướng tới nền kinh tế tri thức

Định hướng đổi mới PPDH đã được xác định trong Nghị quyết Trung ương 4 Khóa VII (1-1993), Nghị quyết Trung ương 2 Khóa VIII (12-1996), được thể chế hóa trong luật Giáo dục (2005), cụ thể trong các chỉ thị của Bộ Giáo dục & Đào tạo, đặc biệt là trong chiến lược phát triển giáo dục 2001-2010 (2001) Theo chiến lược phát

triển giáo dục 2001-2010, ở mục 5.2 có ghi rõ: “Đổi mới và hiện đại hóa phương pháp

giáo dục Chuyển từ việc truyền thụ tri thức thụ động, thầy giảng, trò ghi sang hướng dẫn người học chủ động tư duy trong quá trình tiếp cận tri thức, dạy cho người học phương pháp tự học, tự thu nhận thông tin một cách có hệ thống và có tư duy phân tích, tổng hợp, phát triển năng lực của mỗi cá nhân, tăng cường tính chủ động, tích cực, tự chủ của học sinh trong quá trình học tập, …”

Việc đổi mới PPDH được thực hiện theo các định hướng sau:

- Bám sát mục tiêu giáo dục đào tạo

- Phù hợp với nội dung dạy học cụ thể

- Phù hợp với đặc điểm lứa tuổi của HS

- Phù hợp với cơ sở vật chất, các điều kiện dạy học của nhà trường

- Phù hợp với việc đổi mới kiểm tra, đánh giá kết quả dạy-học

- Kết hợp giữa việc tiếp thu và sử dụng có chọn lọc, có hiệu quả các PPDH tiên tiến, hiện đại với việc khai thác những yếu tố tích cực của các PPDH truyền thống

- Tăng cường sử dụng các phương tiện dạy học, thiết bị dạy học và đặc biệt lưu ý đến những ứng dụng của công nghệ thông tin

Hiện nay, trên thế giới và ở nước ta đã và đang có rất nhiều quan điểm, mô hình dạy học hiện đại như dạy học theo tình huống, dạy học theo lý thuyết kiến tạo, dạy học

dự án (PBL), dạy học điều tra (IBL),… Song, cơ sở lý luận của các quan điểm, mô hình dạy học này còn khá mới mẻ và đang được xây dựng hoàn thiện, do đó hiệu quả

và mức độ phù hợp của các quan điểm, mô hình dạy học này đối với hoàn cảnh, điều

kiện giáo dục ở nước ta có tốt hay không còn phải chờ một thời gian nữa mới có thể đánh giá được Trong lúc đó, bản thân các PPDH truyền thống (thuyết trình, đàm thoại…) tuy có những mặt hạn chế nhất định nhưng nếu khai thác được những yếu tố tích cực của các phương pháp này đồng thời phối hợp nhuần nhuyễn các phương pháp thì sẽ đem lại hiệu quả giáo dục cao Hơn nữa, bản thân các PPDH truyền thống này đã

có được một nền tảng cơ sở lý luận đầy đủ, vững chắc Ngoài ra, với sự phát triển của khoa học – kỹ thuật và công nghệ thông tin như hiện nay thì việc lựa chọn, chế tạo các phương tiện dạy học bổ trợ thích hợp là hoàn toàn có thể thực hiện được, đó cũng là một trong những yếu tố quyết định tính hiệu quả và sự thành công của PPDH

Tóm lại, cần thiết phải đổi mới PPDH, nhưng đổi mới theo hướng nào là tùy thuộc vào đối tượng học, hoàn cảnh cụ thể của địa phương, của đất nước, nhưng phải đảm bảo đi đúng định hướng đổi mới PPDH và phải thể hiện được yếu tố cốt lõi của

triết lý giáo dục trong thời kỳ phát triển giáo dục sau 2010 là “người học, lợi ích và nhu

cầu của người học” Sự thành công của người học sẽ đem lại lợi ích cho xã hội, vì vậy

giáo dục phải dựa vào người học và hoạt động của họ

1.2 Cơ sở lý luận của dạy học nhằm phát huy tính tự lực và nâng cao năng lực sáng tạo cho học sinh

1.2.1 Phát huy tính tự lực của học sinh trong học tập vật lý[22][25][32]

1.2.1.1 Tự lực và sự cần thiết phải phát huy tính tự lực của HS trong giờ học Vật lý

Một xu hướng cơ bản của lý luận dạy học hiện đại là “ngày càng đề cao vai trò

tự lực của HS trong hoạt động học tập” Vậy “tự lực” là gì? Tác giả Chu Bích Thu cho

rằng “tự lực là tự sức mình, với sức lực của bản thân, không nhờ cậy ai”, nghĩa là “tự

sức mình làm lấy, không dựa dẫm, nhờ vả người khác” Theo quan điểm giáo dục hiện

nay, tính tự lực trong học tập được hiểu là:

- Tự học, tự nghiên cứu, tự tìm ra kiến thức bằng hoạt động của chính mình, tức là cá nhân hoá việc học;

- Tự mình khám phá những điều mình chưa rõ, chưa có chứ không phải thụ động tiếp thu những tri thức được sắp đặt sẵn;

- Người học tự mình trực tiếp quan sát, thảo luận, làm thí nghiệm, giải quyết vấn đề đặt

ra theo cách nghĩ của mình, từ đó tiếp thu được kiến thức mới, kĩ năng mới, bộc lộ và phát triển tiềm năng sáng tạo của bản thân

Trong hoạt động học, tự lực là nền tảng cơ sở cho tư duy độc lập, mà có tư duy độc lập mới có thể sáng tạo được Do đó, việc bồi dưỡng và phát huy vai trò tự lực của HS trong học tập nói chung, học tập vật lý nói riêng là rất cần thiết

Thật vậy, trong nhà trường, quá trình học sinh nắm vững kiến thức không phải

là tự phát mà là một quá trình có mục đích rõ ràng, có kế hoạch, có tổ chức chặt chẽ, là một quá trình nỗ lực tư duy, trong đó HS phát huy tính tích cực, tính tự giác của mình dưới sự chỉ đạo của GV Trong quá trình ấy, mức độ tự lực của HS càng cao thì kiến thức nắm được càng sâu sắc, tư duy độc lập sáng tạo càng được phát triển, năng lực nhận thức càng được nâng cao, kết quả học tập càng tốt, đặc biệt là trong hoàn cảnh khoa học và kinh tế đang phát triển mạnh mẽ như hiện nay Tâm lý học và lý luận dạy

học hiện đại cũng đã khẳng định điều đó: “cách tốt nhất để nắm vững được những tri

thức, kỹ năng, kinh nghiệm là người học tái tạo ra chúng thông qua hoạt động tự lực của bản thân”, mà con đường hiệu quả nhất để làm cho HS nắm vững được kiến thức

là phát triển năng lực sáng tạo (NLST), là phải đưa HS vào vị trí của chủ thể nhận thức

Để làm được điều đó thì GV phải là người định hướng, người tạo ra điều kiện tốt nhất

để HS tự lực chiếm lĩnh kiến thức, bởi vì “trẻ em không thể tự mình trực tiếp lĩnh hội

kinh nghiệm xã hội – lịch sử Để làm được điều này, trẻ em phải gián tiếp thông qua người lớn, thông qua hoạt động hợp tác giữa trẻ em và người lớn” – theo

L.X.Vưgotxki

Vậy thì tính tự lực của HS trong học tập nói chung, trong học tập Vật lý nói riêng có những biểu hiện như thế nào? Và GV phải làm sao để có thể phát huy tính tự lực của HS trong học tập Vật lý?

1.2.1.2 Những biểu hiện của tính tự lực và biện pháp phát huy tính tự lực của HS trong học tập Vật lý

Trong học tập nói chung và học tập Vật lý nói riêng, tính tự lực của HS có những biểu hiện đa dạng và phong phú, trong đó có tự lực học tập ở nhà và tự lực học tập trên lớp Ở đây, tôi xin nêu ra những biểu hiện cơ bản của tính tự lực của HS trong giờ học Vật lý trên lớp:

- Tự đọc tài liệu, SGK để xây dựng nên các câu trả lời theo yêu cầu của GV

- Tự quan sát một hiện tượng hoặc một thí nghiệm, mô hình,… và nêu một khái niệm vật lý, nêu một dự đoán về tính chất của hiện tượng, mối quan hệ nhân quả ẩn chứa trong hiện tượng,… hoặc chỉ đơn giản là nêu lên một nhận xét theo yêu cầu của GV

- Tự ghi chép tóm tắt bài giảng

- Tự suy nghĩ và tìm ra hướng giải quyết cho một bài toán vật lý

- Tự tìm hiểu dụng cụ, lắp ráp và tiến hành thí nghiệm

Và để có thể phát huy được tính tự lực của HS trong giờ học vật lý, đòi hỏi GV phải kích thích được hứng thú và sự chú ý của HS đối với kiến thức Đây là điều kiện cơ bản giúp HS có thể phát huy tính tự lực của mình trong học tập Để làm được điều đó, người GV phải lựa chọn các phương pháp và thủ thuật dạy học thích hợp Thật vậy, để

đạt được mục đích “HS tự lực chiếm lĩnh kiến thức” thì sự giải thích mang tính chất

thông báo đơn thuần của GV về các vấn đề kiến thức là không còn phù hợp Như

K.D.Usinxki đã viết “…Ngay cả trong trường hợp giả thuyết rằng HS hiểu được ý mà

GV giải thích cho họ thì ý này cũng không bao giờ thâm nhập vào đầu óc họ một cách thật vững chắc và tự giác, không bao giờ trở thành vốn riêng thật hoàn toàn của HS như khi họ tìm ra…”

Sự lựa chọn các phương pháp và thủ thuật giảng dạy trên lớp phụ thuộc vào nhiều điều kiện khác nhau: nội dung của tài liệu học tập, trình độ kiến thức của các HS trong lớp, phương tiện hỗ trợ dạy học, số lượng thời gian mà GV dành để giảng vấn đề đặt ra,… Do đó, cần thiết phải phân tích kỹ lưỡng các điều kiện để lựa chọn những

phương pháp tốt nhất – là phương pháp mà trong đó HS được rèn luyện nhiều nhất các giác quan và bộ óc của mình trong việc phát hiện những mối liên hệ và các quy luật của vật lý

Ngoài ra, để tạo cơ sở cho việc phát huy tính tự lực của HS trong giờ học vật lý, người GV còn cần phải rèn luyện cho HS cách sử dụng SGK và các tài liệu học tập cũng như dạy cho họ cách để xây dựng các câu trả lời (phát triển năng lực ngôn ngữ cho HS)

1.2.2 Nâng cao năng lực sáng tạo cho học sinh trong học tập vật lý[2][12][15][33]

1.2.2.1 Sáng tạo và năng lực sáng tạo

Theo tác giả Nguyễn Mạnh Hùng, sáng tạo là “hoạt động mà hoạt động của nó

là một sản phẩm tinh thần hay vật chất có tính cách tân, có ý nghĩa xã hội, có giá trị”

Cụ thể, sáng tạo là hoạt động tạo ra những cái mới chưa từng có trong tự nhiên hay trong xã hội Những cái mới này phải mang lại lợi ích và hiệu quả cho con người Trong dạy học, người ta phân biệt hai cấp độ sáng tạo là sáng tạo cái mới chỉ đối với bản thân và sáng tạo cái mới đối với nhân loại, còn trong quá trình học tập vật lý của

HS, sáng tạo chủ yếu thể hiện ở cấp độ thứ nhất, dưới nhiều hình thức như: sáng tạo xây dựng kiến thức vật lý (khái niệm, định luật,…), sáng tạo vận dụng các kiến thức vật lý (giải bài tập vật lý, xây dựng các mô hình vật lý, các thiết bị ứng dụng nguyên lý vật lý,…), sáng tạo để cải tiến cái cũ…

Năng lực sáng tạo có thể hiểu là “khả năng tạo ra những giá trị vật chất và tinh

thần, tìm ra cái mới, giải pháp mới, công cụ mới, vận dụng thành công những hiểu biết

đã có vào hoàn cảnh mới” và “bất cứ lúc nào, bất cứ ở đâu, năng lực sáng tạo đều nảy sinh và phát triển trong quá trình giải quyết các vấn đề” – đó là khẳng định của nhà

giáo dục học I.Ia.Lecne, cũng theo ông, năng lực sáng tạo thường thể hiện qua các đặc trưng sau:

- Tự lực chuyển các tri thức và kỹ năng sang một tình huống mới Sự liên hệ giữa tình huống mới và tri thức cũ càng xa thì mức độ sáng tạo càng cao

- Nhìn thấy những vấn đề mới trong các điều kiện quen biết “đúng quy cách”

- Nhìn thấy cấu trúc của đối tượng đang nghiên cứu Thực chất của năng lực này là bao quát nhanh chóng các bộ phận, các yếu tố của đối tượng trong mối tương quan giữa chúng với nhau

- Kỹ năng nhìn thấy nhiều lời giải cho một bài toán (kỹ năng xem xét đối tượng ở những khía cạnh khác nhau)

- Kỹ năng kết hợp những phương thức giải đã biết thành một phương thức mới

- Kỹ năng sáng tạo một phương pháp giải độc đáo tuy đã biết những phương thức khác Tác giả Nguyễn Mạnh Hùng bổ sung thêm NLST còn thể hiện ở chỗ:

- Biết kiểm tra, đánh giá hiệu quả cách giải quyết vấn đề của bản thân và của những người khác

- Biết điều chỉnh các phương án giải quyết vấn đề một cách nhanh chóng và phù hợp với điều kiện thực tiễn

- Tự chủ, tin tưởng vào khả năng giải quyết các vấn đề của bản thân Không nản chí trước một vấn đề khó mà tìm đủ mọi cách để đưa ra một phương án tốt nhất

1.2.2.2 Mức độ và các biện pháp nhằm nâng cao NLST cho HS trong dạy học vật lý

a) Các mức độ nâng cao NLST cho HS

Có 3 mức độ cơ bản để nâng cao NLST cho HS, đó là:

Mức độ 1: vận dụng cái đã biết, đã làm vào các tình huống tương tự

Mức độ 2: vận dụng cái đã biết vào tình huống có một số yếu tố mới

Mức độ 3: đề xuất vấn đề khác hẳn cái đã biết, đã làm

Trong đó mức độ 1 là thấp nhất, yêu cầu tối thiểu phải rèn luyện cho HS để tạo điều kiện sáng tạo, còn mức độ 3 là cao nhất của sự sáng tạo đối với HS Tùy theo điều

kiện cụ thể và đối tượng HS mà giáo viên có thể lựa chọn các phương pháp thích hợp

để rèn luyện NLST cho HS đạt yêu cầu của các mức độ trên

b) Các biện pháp rèn luyện NLST cho HS trong dạy học Vật lý

- Tổ chức hoạt động sáng tạo gắn liền với quá trình xây dựng kiến thức mới bằng cách

tổ chức quá trình nhận thức vật lý theo chu trình sáng tạo

- Luyện tập phán đoán (dự đoán, phỏng đoán), xây dựng giả thuyết Trong giai đoạn đầu của nhận thức vật lý, HS có thể có các cách dự đoán sau:

Dựa vào liên tưởng tới một kinh nghiệm đã có,

Dựa trên sự tương tự,

Dựa trên sự xuất hiện đồng thời của hai hiện tượng mà dự đoán giữa chúng có mối quan hệ nhân quả,

Dựa trên sự thuận nghịch thường thấy của nhiều quá trình,

Dựa trên sự mở rộng phạm vi ứng dụng của một số kiến thức đã biết sang một lĩnh vực khác,

Dự đoán về mối quan hệ định lượng,…

- Luyện tập đề xuất phương án kiểm tra dự đoán

- Luyện tập giải bài tập sáng tạo (bài tập thiết kế phương án thí nghiệm và bài tập nghiên cứu)

- GV tạo hứng thú học tập, định hướng hoạt động cho HS, tổ chức cho HS tự khám phá kiến thức

- GV dạy phương pháp tự học

- GV tăng cường trang bị và nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị dạy học

Như vậy, việc phát huy tính tự lực và nâng cao năng lực sáng tạo cho HS là một nhiệm

vụ mà bất kỳ người GV nào cũng phải thực hiện nhằm đào tạo ra những con người

“năng động, sáng tạo, có khả năng tư duy độc lập, tự lực giải quyết vấn đề,…” đáp

ứng nhu cầu mới của xã hội Nhưng có nhiều cách để rèn luyện năng lực sáng tạo cũng như phát huy tính tự lực của HS trong học tập vật lý (xây dựng phiếu học tập…) và

việc lựa chọn một phương pháp để phát huy tính tự lực và rèn luyện năng lực sáng tạo cho HS là một trong những vấn đề gây rất nhiều khó khăn cho GV Ở đây, trong giới hạn đề tài này, tôi muốn nhấn mạnh vai trò của phương tiện dạy học (PTDH) hỗ trợ cho việc phát huy tính tự lực và năng lực sáng tạo của HS, đó chính là việc xây dựng

và sử dụng các mô hình trong dạy học vật lý với sự hỗ trợ của máy vi tính

1.3 Mô hình trong dạy học vật lý[26][27][28][29][34]

1.3.1 Khái niệm mô hình

Khái niệm mô hình được sử dụng rộng rãi trong ngôn ngữ thường ngày với những ý nghĩa rất khác nhau Trong cuộc sống cũng như trong học tập, HS thường gặp các khái niệm mô hình như: mô hình tế bào, mô hình máy phát điện, mô hình cấu tạo nguyên tử, mô hình liên kết hóa học, mô hình “trường học thân thiện, HS tích cực”… Trong Vật lý học, mô hình được định nghĩa như sau:

Theo V.A.Stopho: “Mô hình là một hệ thống được hình dung trong óc hay được thực

hiện một cách vật chất, hệ thống đó phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tượng nghiên cứu hoặc tái tạo nó, bởi vậy việc nghiên cứu mô hình sẽ cung cấp cho ta những thông tin mới về đối tượng”

Hay theo tác giả Lê Thị Thanh Thảo: “Mô hình là những hệ thống tín hiệu gồm những

hình vẽ, những giản đồ, những đồ thị, những ký hiệu toán học hay đơn giản là những mệnh đề từ ngữ, những hệ thống này có khả năng biểu diễn tình huống”

Tuy nhiên, mô hình chỉ phản ánh một số tính chất của đối tượng vật chất Cùng một đối tượng vật chất có thể có nhiều mô hình khác nhau Tóm lại, mô hình không đồng nhất với đối tượng mà nó phản ánh

Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi có đề cập đến khái niệm “mô hình vật lý

trên máy tính” Đó là những mô hình lý thuyết được mô phỏng lại với sự trợ giúp của

máy vi tính và các phần mềm tin học hỗ trợ Việc xây dựng các mô hình này được tiến hành dựa trên cơ sở đã biết cách giải thích cơ chế bên trong của các hiện tượng, chúng

tôi tiến hành tìm hiểu và lựa chọn phần mềm tin học thích hợp để hỗ trợ mô phỏng lại các quá trình đó trên máy vi tính, nhằm tạo ra các mô hình vật lý trực quan hỗ trợ cho quá trình dạy học vật lý theo các mục tiêu cụ thể

1.3.2 Tính chất của mô hình

Là hệ thống phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tượng nghiên cứu, một

mô hình có những tính chất cơ bản sau:

1.3.2.1 Tính tương tự “vật gốc”

Khi mà bản chất của đối tượng không cho phép chúng ta trực tiếp nghiên cứu chúng thì việc mô hình hóa đối tượng Vật lý là cần thiết Sản phẩm của quá trình này chính là sự ra đời của một mô hình Vật lý

Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô hình hóa trong Vật lý chính là lý thuyết tương tự, do đó sản phẩm của nó phải có tính “tương tự vật gốc”

đó tất yếu sẽ dẫn đến sự đơn giản hóa đối tượng nghiên cứu

Mặt khác, cũng nhờ tính chất này mà khi nghiên cứu mô hình, ta có thể nắm chắc được những thuộc tính bản chất của đối tượng, từ đó có thể khái quát hóa chúng

để rút ra các quy luật

1.3.2.3 Tính trực quan

Thông thường, khi mà việc nghiên cứu, quan sát trên đối tượng thật gặp nhiều khó khăn thì ta cần phải sử dụng đến mô hình Bởi lẽ khi xây dựng mô hình ta đã tiến

hành “vật chất hóa” những tính chất, những quan hệ không thể trực tiếp tri giác được Chẳng hạn như mô hình cấu trúc mạng tinh thể của kim loại Cu được biểu diễn bằng hình vẽ ô mạng tinh thể khối lập phương có các chấm tròn chuyển động hỗn loạn bên trong

1.3.2.4 Tính quy luật riêng

Khi xây dựng mô hình, người ta dùng một hệ thống để mô tả một số đặc tính của vật gốc mà người ta chưa biết đầy đủ Hệ thống đó tuân theo những quy luật mà ta

đã biết rõ, gọi là những quy luật riêng của mô hình

1.3.2.5 Tính lý tưởng

Mô hình xuất phát từ thực tiễn, phản ánh thực tiễn Thực tiễn thì luôn luôn bị chi phối bởi vô số “nhiễu” của môi trường xung quanh Do đó, khi xây dựng mô hình, ta cần phải loại bỏ tất cả những ảnh hưởng của nhiễu trong nhận thức Điều đó ít nhiều tạo ra tính chất “lý tưởng” của mô hình

Tính chất lý tưởng của mô hình càng cao thì mô hình càng khái quát, càng giúp

ta nhận thức được những nét chung nhất của hiện tượng và bao trùm được một số càng lớn hiện tượng

1.3.3 Phân loại mô hình

Mô hình có rất nhiều loại và việc phân loại mô hình cũng có nhiều cách, dựa trên nhiều cơ sở khác nhau

Ở đây, ta quan tâm đến các mô hình sử dụng trong vật lý học Có thể phân các

mô hình vật lý làm các loại sau:

1.3.3.1 Mô hình mô tả

Là bản sao đơn giản hóa của các đối tượng vật lý đúng như ta cảm nhận Ví dụ:

mô hình máy bay…

1.3.3.2 Mô hình hình ảnh

Dùng để mô tả các đối tượng không thể cảm nhận trực tiếp hay những đối tượng

mà ta tưởng tượng nó tồn tại đằng sau bề mặt cảm nhận được Ví dụ: mô hình nguyên

tử (mô hình phóng to) hay mô hình hệ mặt trời (mô hình thu nhỏ),… Đây là loại mô hình mang dấu ấn sáng tạo của con người

Trong dạy học vật lý, loại mô hình này có vai trò rất quan trọng vì nó có tính trực quan rất cao, góp phần hỗ trợ cho HS trong quá trình nhận thức về đối tượng Vật

lý

1.3.3.3 Mô hình tượng trưng

Là loại mô hình biểu diễn đối tượng hay hiện tượng vật lý bằng ngôn ngữ, ít nhiều mang tính trừu tượng như ngôn ngữ văn chương (ngôn ngữ kỹ thuật hay thong tin), ngôn ngữ hình ảnh (đồ thị, đường cong biểu diễn,…) ngôn ngữ toán học (các ký hiệu toán học)

Ví dụ: Mô hình đường đặc tuyến Volt – Ampere là mô hình tượng trưng được biểu diễn bằng ngôn ngữ hình ảnh, cho ta biết mối quan hệ giữa cường độ và hiệu điện thế một mạch điện nào đó Hay phương trình sóng Schrodinger được biểu diễn bằng ngôn ngữ toán học

1.3.3.5 Mô hình lý thuyết

Là mức độ cao nhất của các loại mô hình trừu tượng, nó mang dấu ấn của sự sáng tạo cao nhất của con người Là một hệ thống các khái niệm nối kết nhau nhờ những phát biểu mà giữa chúng có mối quan hệ cú pháp

1.3.4 Mô hình trong dạy học Vật lý

1.3.4.1 Vai trò của mô hình trong dạy học Vật lý

Triết học Mác – Lênin đã chỉ rõ: nhận thức của con người là hình ảnh của thế giới bên ngoài, phản ánh sự tồn tại của các sự vật, hiện tượng trong thế giới khách quan

Trong dạy học, muốn tạo ra sự chuyển biến trong nhận thức của người học từ cảm giác đến tư duy trừu tượng, từ tư duy trừu tượng đến thực tiễn, thì đòi hỏi người học phải nhận thức được đối tượng học tập, muốn thế họ phải có hình ảnh trực quan về chúng Do đó, trong dạy học, phải tạo ra những hình ảnh và biểu tượng của đối tượng nhận thức cho HS, để từ đó hình thành các khái niệm khoa học Nói chung, “dạy học phải bắt đầu từ cái cụ thể trực quan, đây là một nguyên tắc của lý luận nhận thức và dạy học”

Song, trong thực tế, không phải đối tượng vật lý nào cũng có thể cảm nhận bằng các giác quan của con người, trong trường hợp này ta cần thiết phải sử dụng đến các

mô hình vật lý Việc xây dựng mô hình trong quá trình học tập cũng góp phần rất quan trọng trong sự hình thành và phát triển tư duy sáng tạo cho HS, nhiều khi HS lại không

đủ khả năng xây dựng mô hình để thay thế cho đối tượng nghiên cứu, lúc đó GV có thể

sử dụng mô hình với mục đích sư phạm như một phương tiện trực quan nhằm làm HS hiểu rõ vấn đề nào đó, đặc biệt là những cái không quan sát được

Ví dụ: mô hình về cấu trúc mạng tinh thể kim loại giúp HS có thể giải thích được các tính chất điện của kim loại…

Tóm lại, trong dạy học vật lý ở trường phổ thong, trong khuôn khổ bài học không cho phép chúng ta tổ chức quá trình học tập sao cho HS hoàn toàn tự lực xây dựng các mô hình và khám phá lại các định luật vật lý, mà chỉ có thể dẫn dắt họ trải qua những giai đoạn của sự phát minh khoa học, hiểu được ý nghĩa của các mô hình và tầm quan trọng của việc kiểm tra bằng thực nghiệm các hệ quả lý thuyết

Tùy theo điều kiện cụ thể, ta có thể cho HS tham gia vào các giai đoạn của phương pháp mô hình với các mức độ khác nhau

1.3.4.2 Mức độ sử dụng mô hình trong dạy học Vật lý

Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi muốn nhấn mạnh hai mức độ sử dụng mô hình trong dạy học vật lý:

Mức độ 1: Sử dụng mô hình trong dạy học vật lý nhằm phát huy tính tự lực của

HS trong học tập Nghĩa là thông qua việc quan sát mô hình và sự vận hành của chúng,

HS có thể tự lực:

- Nêu một nhận xét về hiện tượng theo yêu cầu của GV;

- Mô tả lại cơ chế của hiện tượng;

- Nêu một định nghĩa về hiện tượng,…

Mức độ 2: Sử dụng mô hình trong dạy học vật lý nhằm nâng cao năng lực sáng tạo cho HS Nghĩa là thông qua việc quan sát mô hình vận hành và phân tích các yếu tố trên mô hình, HS có thể:

- Tự lực nêu một dự đoán (một giả thuyết) về hiện tượng theo yêu cầu của GV;

- Tự lực đề xuất các phương án thí nghiệm kiểm chứng;

Hoặc thậm chí HS có thể thông qua việc quan sát, phân tích các yếu tố hiển thị trên mô hình để đề xuất ý kiến cải tạo mô hình sao cho phù hợp hơn với bài học,…

1.4 Máy vi tính trong dạy học vật lý[11][13][30][34]

Công nghệ nói chung là một thành tố trong quá trình dạy học Công nghệ giúp

tối đa hoá thời gian học tập, tối thiểu hoá các lao động cấp thấp, tạo thuận lợi cho các

mối quan hệ tương tác, phát triển môi trường học tập thuận lợi

Qua nghiên cứu của các nhà tâm sinh lý học cho thấy vai trò của thính giác và

thị giác trong quá trình thu nhận và lưu giữ tri thức là rất quan trọng( thính giác chiếm

11% và thị giác chiếm đến 83%) Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy tỉ lệ tri thức còn

lưu lại trong trí nhớ sau khi thu nhận như sau:

Phương thức thu nhận tri thức Tỉ lệ tri thức còn lưu lại

Nghe 20% Nhìn 30%

Từ những kết quả nghiên cứu trên cho thấy việc lựa chọn và sử dụng công nghệ

và thiết bị dạy học một cách hợp lý là rất quan trọng, nó góp phần nâng cao chất lượng

và hiệu quả của quá trình dạy học

Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật là sự bùng nổ của công

nghệ thông tin đã và đang cung cấp cho giáo dục một kho tàng thông tin phong phú

cũng như một hệ thống thiết bị dạy học hiện đại, trong đó không thể không kể đến vai

trò đặc biệt quan trọng của máy vi tính và các phần mềm tin học ứng dụng trong công

cuộc đổi mới toàn diện ngành giáo dục như hiện nay

1.4.1 Cơ sở khoa học của việc sử dụng máy vi tính trong dạy học vật lý

1.4.1.1 Cơ sở triết học và tâm lý học

Theo triết học Mac – Lênin, sự nhận thức thế giới khách quan của con người trải qua hai trình độ: cảm tính và lí tính, trong đó nhận thức cảm tính chính là nhận thức trực quan Đây cũng là hình thức nhận thức đầu tiên của con người về thế giới Ở giai đoạn này, sự vật hiện tượng của thế giới tự nhiên tác động trực tiếp vào các cơ quan thụ cảm của con người, gây nên kích thích ở những tế bào thần kinh, từ đó xuất hiện những cảm giác và hình ảnh của chúng Hình ảnh trực quan tuy mới cho ta biết được các thuộc tính riêng lẻ, tạm thời và lẫn lộn giữa những yếu tố bản chất với không bản chất, nhưng chúng lại rất quan trọng trong quá trình nhận thức

Tâm lý học dạy học cũng đã khẳng định rằng: các hình ảnh, mô hình trực quan,…có tác động tích cực vào các giác quan của HS gây nên hứng thú học tập cho

HS và tạo cơ sở cho việc phát huy năng lực tự học và năng lực sáng tạo của họ Do đó, việc lựa chọn và sử dụng các phương tiện trực quan hỗ trợ dạy học đóng một vai trò rất quan trọng Một trong những phương tiện dạy học trực quan phổ biến hiện nay là máy

vi tính

1.4.1.2 Cơ sở lý luận dạy học

Theo quan điểm của lý luận dạy học, máy vi tính được xem là một trong những phương tiện hỗ trợ dạy học đắc lực Với những tính năng ưu việt như có khả năng lưu trữ và hiển thị lại thông tin dưới nhiều dạng như văn bản, hình ảnh, âm thanh,…máy vi tính được sử dụng để hỗ trợ GV trong việc minh họa các hiện tượng, quá trình tự nhiên cần nghiên cứu

Với chức năng của một phương tiện dạy học, máy vi tính có thể được sử dụng trong tất cả các giai đoạn của quá trình dạy học: xây dựng kiến thức mới, củng cố và vận dụng kiến thức, ôn tập và kiểm tra, đánh giá trình độ tri thức, kĩ năng của HS Điều

này chứng tỏ máy vi tính có thể góp phần thực hiện một cách có hiệu quả các nhiệm vụ của quá trình dạy học

Cùng với sự phát triển và phổ biến của công nghệ thông tin và truyền thông, cả

GV và HS đều có nhiều điều kiện thuận lợi để tiếp cận với máy vi tính Hơn nữa, hiện nay, tại các trường THPT đã tổ chức được các lớp học phổ cập tin học cho GV và trong chương trình THPT cũng đã đưa vào môn tin học nên HS cũng được trang bị một số kiến thức cơ bản về sử dụng máy vi tính và các phần mềm

Sự phát triển của công nghệ phần mềm đã cho ra đời rất nhiều phần mềm hỗ trợ cho giảng dạy như: các phần mềm tin học văn phòng của Microsoft, các phần mềm hỗ trợ thiết kế thí nghiệm ảo (croccodile physics, interactive physics,…), các phần mềm

hỗ trợ mô phỏng và xây dựng các mô hình (flash, maple, matlab,…)…và các nguồn tư liệu dạy học phong phú từ internet

1.4.2 Sử dụng máy vi tính trong dạy học vật lý

Bên cạnh các ứng dụng thường thấy của máy vi tính trong các môn học khác như: học, ôn tập, kiểm tra, đánh giá bằng máy, xử lý và tính toán kết quả bằng máy,… máy vi tính còn được sử dụng trong dạy học vật lý chủ yếu ở các lĩnh vực quan trọng sau:

- Mô phỏng các đối tượng vật lý cần nghiên cứu

- Hỗ trợ trong việc xây dựng các mô hình vật lý

- Hỗ trợ các thí nghiệm vật lý

- Hỗ trợ cho việc phân tích băng video ghi các quá trình vật lý thực

Trong khuôn khổ của đề tài này, chúng tôi chỉ giới hạn tìm hiểu và khai thác hai ứng dụng đầu của máy vi tính trong dạy học vật lý

1.4.2.1 Sử dụng máy vi tính để mô phỏng các đối tượng vật lý cần nghiên cứu

Không phải mọi quá trình xảy ra trong tự nhiên đều dễ quan sát Có những quá trình ta có thể khảo sát được sự thay đổi vị trí của vật như chuyển động của ô tô, tàu hoả,…nhưng cũng có những quá trình hoặc xảy ra quá nhanh hoặc quá chậm mà ta không thể quan sát trực tiếp được, ví dụ như dao động của một con lắc lò xo hay quá trình phân rã phóng xạ của một hạt nhân,…và thậm chí có những quá trình xảy ra bên trong đối tượng nghiên cứu khiến ta cũng không thể quan sát trực tiếp được Trong những trường hợp đó, máy vi tính đóng một vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ mô phỏng lại các các quá trình đó, tức là hiển thị hiện tượng, quá trình nghiên cứu trên màn hình và biến các quá trình đó thành các quá trình có thể điều khiển được (có thể làm cho nó nhanh thêm hay chậm đi, thậm chí dừng lại mọi lúc)

Tuy nhiên, việc mô phỏng chính xác đến đâu còn phụ thuộc vào:

- Khả năng nhận thức của người nghiên cứu về các quy luật phản ánh hiện tượng, quá trình vật lý

- Khả năng sử dụng các phần mềm lập trình để phản ánh lại các quy luật đó một cách chính xác

1.4.2.2 Sử dụng máy vi tính để hỗ trợ trongcho việc xây dựng các mô hình vật lý

Khi nghiên cứu các hiện tượng, quá trình vật lý mới, người ta tiến hành quan sát, đo đạc, thu thập, phân tích, xử lý số liệu để đi tới nhận thức được các quy luật chi phối chúng Nếu các hiện tượng, quá trình đang nghiên cứu quá phức tạp, không tuân theo các quy luật đã biết thì việc thử đưa ra, xây dựng một mô hình toán học mới (đồ thị, biểu thức, phương trình) cho hiện tượng, quá trình vật lý đang nghiên cứu sao cho

giải thích được các kết quả quan sát, đo đạc đã thu thập được trong quá trình nghiên cứu chúng là hết sức cần thiết và thường được sử dụng trong nghiên cứu vật lý

Các bước xây dựng mô hình toán học với sự hỗ trợ của máy vi tính:

- Bước 1: Quan sát hiện tượng, quá trình vật lý cần nghiên cứu

- Bước 2: đưa ra giả thuyết về các mối liên hệ có tính quy luật của một số đại lượng vật

lý trong hiện tượng, quá trình đang nghiên cứu (xây dựng mô hình toán học)

- Bước 3: kiểm tra giả thuyết (đối chiếu kết quả của quá trình vận hành mô hình với quá trình quan sát thực nghiệm)

1.4.3 Giới thiệu sơ lược về Matlab và sự cần thiết của việc sử dụng Matlab trong việc hỗ trợ xây dựng các mô hình vật lý trên máy tính [7][24]

1.4.3.1 Giới thiệu sơ lược về Matlab

Theo TS Phạm Minh Việt, “Matlab (Maxtrix Laboratory) là một công cụ phần

mềm của MathWork với giao diện cực mạnh cùng những lợi thế trong kĩ thuật lập trình đáp ứng được những vấn đề hết sức đa dạng: từ các lĩnh vực kĩ thuật chuyên ngành như điện, điện tử, điều khiển tự động, vật lý hạt nhân cho đến các ngành xử lý toán chuyên dụng như thống kê, kế toán,…đã giải quyết được những vấn đề nói trên một cách đơn giản,trực quan mà không cần đòi hỏi người sử dụng phải là những lập trình viên chuyên nghiệp.”

Matlab có thể thực hiện các chức năng của một máy tính cá nhân: giống như các máy tính cơ bản (cộng, trừ, nhân, chia,… ); giống như máy tính kĩ thuật (các phép tính với số phức, căn thức, số mũ,…); như một máy tính cá nhân PC (khả năng lập trình, lưu trữ, tìm kiếm dữ liệu,…);…

Matlab cùng bộ lệnh rất mạnh của nó cho phép giải quyết các bài toán khác nhau, đặc biệt là các bài toán ma trận với kết quả nhanh chóng và chính xác Bên cạnh

đó, Matlab còn cho phép xử lý dữ liệu, biểu diễn dữ liệu và có khả năng đồ họa một cách mềm dẻo, đơn giản và chính xác trong không gian hai chiều cũng như ba chiều

giúp người sử dụng có thể quan sát kết quả một cách trực quan Qua đó, ta có thể tạo ra các giao diện riêng cho người sử dụng (GUIs) để giải quyết những vấn đề riêng cho mình

1.4.3.2 Sự cần thiết của Matlab trong việc hỗ trợ xây dựng các mô hình vật lý trên máy tính

Như đã đề cập ở các phần trên, hiện nay trên internet có rất nhiều mô hình vật lý trên máy tính đã được xây dựng nhằm hỗ trợ cho quá trình dạy học Tuy nhiên, các mô hình này do nhiều tác giả xây dựng và nằm rải rác trong các phần khác nhau của chương trình vật lý THPT, do đó chúng còn rời rạc và chưa đáp ứng được các mục đích dạy học cụ thể của từng GV Vì vậy, việc xây dựng lại các mô hình vật lý trên máy tính một cách hệ thống theo bài, chương, phần là rất cần thiết Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi chú trọng nghiên cứu việc xây dựng các mô hình vật lý trên máy tính hỗ trợ dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường”

Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin là sự ra đời của rất nhiều phần mềm tin học hỗ trợ xây dựng mộ hình vật lý trên máy tính, chẳng hạn như: macro media flash, maple, matlab,…Trong đó, flash thì mạnh về thiết kế hiệu ứng hoạt hình, còn maple và matlab thì mạnh về hỗ trợ lập trình và đồ họa Qua nghiên cứu phân tích nội dung chương “Dòng điện trong các môi trường”, cũng như những hiểu biết về tính năng của các chương trình, chúng tôi chọn matlab để hỗ trợ xây dựng các mô hình vật

lý trên máy tính Vì:

- Cơ chế của các hiện tượng điện được đề cập trong chương là các quá trình xảy ra bên trong đối tượng nghiên cứu, không thể trực tiếp quan sát được, đồng thời các đối tượng bên trong cũng tham gia nhiều chuyển động phức tạp như: dao động của các nút mạng, chuyển động nhiệt hỗn loạn, chuyển động định hướng dưới tác dụng của điện trường ngoài,…do đó cần thiết phái sử dụng công cụ lập trình hỗ trợ mô phỏng lại các quá trình này một cách tương đối chính xác

- Một số môi trường có cấu trúc dạng mạng tinh thể như kim loại hay chất bán dẫn,…do đó, ta có thể biểu diễn chúng dưới dạng ma trận để tiện cho việc tính toán và

mô tả hiện tượng

- Các hiện tượng điện xảy ra bên trong các môi trường phụ thuộc vào nhiều thông số như nhiệt độ, cường độ điện trường, hiệu điện thế, cường độ dòng điện,…do đó cần phải xây dựng mô hình sao cho thể hiện được ảnh hưởng của việc thay đổi thông số bên ngoài đến các quá trình xảy ra bên trong hoặc thể hiện được mối quan hệ giữa các thông số điện bên ngoài của môi trường

- Các quá trình xảy ra bên trong các môi trường như: quá trình va chạm giữa các phân

tử khí để tạo ion; quá trình tan các nguyên tử kim loại ở điện cực trong hiện tượng dương cực tan; hay quá trình tạo electron tự do và lỗ trống trong bán dẫn,… đều là các quá trình ngẫu nhiên

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trên đây, chúng tôi đã trình bày những vấn đề về cơ sở lý luận của việc xây dựng và sử dụng mô hình vật lý trên máy tính nhằm hỗ trợ cho quá trình dạy học vật lý Chúng tôi có một số kết luận sau:

- Với đặc thù của môn học vật lý thì việc xây dựng các mô hình vật lý hỗ trợ dạy học là hoàn toàn có tính khả thi và có thể mang lại hiệu quả cao

- Việc sử dụng máy vi tính như một phương tiện hỗ trợ dạy học hoàn toàn phù hợp với mục tiêu đổi mới trong giáo dục hiện nay Các kết quả nghiên cứu trong tâm lý học và giáo dục học cũng đã khẳng định điều đó

- Với các điều kiện thuận lợi như:

+ Sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin đã cho ra đời nhiều phần mềm tiện ích hỗ trợ cho việc dạy học

+ Đa số các trường THPT đều được trang bị khá đầy đủ về phòng ốc, các phương tiện hiện đại hỗ trợ dạy học( máy chiếu, máy vi tính,…)

+ Trình độ ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học của GV cũng được nâng lên rất nhiều so với trước đây

Chúng tôi nhận thấy việc ứng dụng máy vi tính để xây dựng các mô hình hỗ trợ dạy

học vật lý hoàn toàn có tính khả thi

Trên cơ sở thực tiễn của quá trình dạy học, chúng tôi nhận thấy trong chương trình vật lý THPT có rất nhiều kiến thức cần đến sự hỗ trợ của mô hình nhằm giúp HS

có thể học tập tự lực và sáng tạo Chúng tôi đã tiến hành phân tích và lựa chọn một số kiến thức cơ bản của chương “Dòng điện trong các môi trường” để làm đối tượng nghiên cứu và thực nghiệm cho việc xây dựng và sử dụng mô hình trong dạy học vật

lý

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MỘT SỐ MÔ HÌNH VẬT LÝ

HỖ TRỢ DẠY HỌC CHƯƠNG

“DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG”

2.1 Phân tích nội dung chương “Dòng điện trong các môi trường” – Vật lý

SGK vật lí 11 – nâng cao trình bày 5 môi trường cơ bản nhất, theo trình tự logic

từ đơn giản đến phức tạp:

Dòng điện trong kim loại Dòng điện trong chất điện phân Dòng điện trong chân không Dòng điện trong chất khí

Dòng điện trong bán dẫn

Rắn LỏKhí Môi trường mới

ng Loại hạt và cơ chế tạo hạt có

tính phức tạp tăng dần

Có thể khái quát nội dung chương bằng sơ đồ sau:

2.1.2 Chuẩn kiến thức, kĩ năng

Dòng điện trong

kim loại

- Nêu được các tính chất điện của kim loại

- Nêu được điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ

- Vận dụng được thuyết electron cổ điển để giải thích định tính các tính chất điện của kim loại

Dòng điện trong

chất điện phân

- Nêu được bản chất của dòng điện trong chất điện phân

- Mô tả được hiện tượng dương cực tan và trình bày được điều kiện để xảy ra hiện tượng dương cực tan

- Phát biểu được các định luật Faraday về hiện tượng điện phân

và viết được công thức Faraday về hiện tượng điện phân

- Trình bày được một số ứng dụng của hiện tượng điện phân

Dòng điện trong

chân không

- Trình bày được cách tạo ra dòng điện trong chân không, bản chất của dòng điện trong chân không và đặc điểm về chiều của dòng điện này

- Phát biểu được định nghĩa tia Katốt và nêu được các tính chất của tia Katốt

- Nêu được nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của ống phóng điện

tử

Dòng điện trong

chất khí

- Nêu được các loại hạt tải điện trong chất khí và trình bày được

cơ chế của quá trình ion hoá chất khí

- Mô tả được mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua chất khí

- Trình bày được cách tạo ra tia lửa điện và nguyên nhân hình thành chúng

- Trình bày được cách tạo ra hồ quang điện, các đặc điểm chính

và ứng dụng của hồ quang điện

- Mô tả được quá trình phóng điện trong chất khí ở áp suất thấp

Dòng điện trong

bán dẫn

- Trình bày được các tính chất điện đặc biệt của bán dẫn

- Nêu được các loại hạt tải điện trong bán dẫn và giải thích được

cơ chế hình thành chúng

- Nêu được tác dụng của việc pha tạp chất vào bán dẫn tinh khiết

và giải thích được sự tạo thành hai loại bán dẫn n và p

- Trình bày được sự hình thành lớp chuyển tiếp p – n và giải thích được tính chất chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp này

2.1.3 Phân tích logic hình thành các kiến thức cơ bản của từng bài

2.1.3.1 Dòng điện trong kim loại

SGK vật lí 11 – nâng cao chia nội dung bài này thành ba phần chính:

Phần 1: các tính chất điện của kim loại

Đa số các tính chất điện của kim loại được trình bày dưới dạng thông báo Riêng

có tính chất thứ tư – “điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ” được suy ra từ thực

nghiệm, tuy nhiên, ở đây SGK đã thông báo sẵn bảng số liệu kết quả thí nghiệm và

hình ảnh đường đặc tuyến Volt – Ampere

Phần 2: electron tự do trong kim loại

Nhắc lại cấu trúc mạng tinh thể kim loại và thông báo một số đặc điểm của electron tự do trong kim loại

Phần 3: giải thích tính chất điện của kim loại

SGK thông báo đặc điểm chuyển động của các electron tự do trong kim loại khi không có và có điện trường ngoài (có hình vẽ minh hoạ), từ đó khái quát bản chất của dòng điện trong kim loại

SGK thông báo nguyên nhân gây ra điện trở kim loại, sau đó nêu câu hỏi tổng hợp C3: tại sao các kim loại khác nhau có điện trở suất khác nhau?

SGK giải thích sự phụ thuộc của điện trở kim loại vào nhiệt độ và sự toả nhiệt trên dây dẫn kim loại có dòng điện chạy qua

Đa số kiến thức được trình bày dưới dạng thông báo, mang tính chấp nhận Câu hỏi C1 là một câu hỏi gợi mở rất hay, có thể phát huy được năng lực sáng tạo của HS nếu nó được xếp vào vị trí của một phương án thí nghiệm kiểm chứng sự phụ thuộc của điện trở kim loại vào nhiệt độ (sau khi giải thích xong tính chất điện này)

2.1.3.2 Dòng điện trong chất điện phân

SGK chia nội dung bài này thành năm phần chính:

Phần 1: hình thành khái niệm chất điện phân và hiện tượng điện phân

Từ việc tiến hành các thí nghiệm điện phân với nhiều chất khác nhau (nước cất, dung dịch mối ăn), SGK rút ra kết luận về tính dẫn điện của hai chất này (nước cất cách điện còn dung dịch muối dẫn điện)

SGK thông báo thêm kết quả thí nghiệm với dung dịch axit hay bazơ, sau đó khái quát khái niệm về hiện tượng điện phân và chất điện phân

Phần 2: tìm hiểu bản chất dòng điện trong chất điện phân

SGK trình bày sơ lược về quá trình điện li các chất tan trong dung dịch dẫn đến kết quả là sự tạo thành các hạt tải điện trong chất điện phân (ion dương và ion âm) SGK mô tả chuyển động của các ion khi không có và có điện trường ngoài, từ

đó khái quát bản chất của dòng điện trong chất điện phân

Phần 3: hình thành khái niệm phản ứng phụ trong hiện tượng điện phân và tìm hiểu về hiện tượng dương cực tan

SGK mô tả các quá trình xảy ra tại các điện cực khi các ion dịch chuyển đến, sau đó thông báo khái niệm phản ứng phụ

Từ việc tiến hành thí nghiệm điện phân dung dịch CuSO4 với cực dương bằng

Cu (kết quả: có một lớp đồng mỏng bám vào Katốt), SGK hướng dẫn giải thích cơ chế

của các phản ứng phụ xảy ra tại điện cực dẫn đến kết quả là “cực dương bị hao dần”,

sau đó SGK thông báo khái niệm về hiện tượng dương cực tan