Khai thác và sử dụng thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tính trong tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh khi dạy học phần Từ trường

Tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh với việc sử dụng thí nghiệm có sự hỗ trợ của máy vi tính trong dạy học vật lí--- 31 1.5.. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Những mục tiêu chúng tôi

MỤC LỤC

Trang

Trang bìa phụ - i

Lời cam đoan - ii

Lời cám ơn - iii

MỤC LỤC - 1

MỞ ĐẦU - 4

1 Lí do chọn đề tài - 4

2 Lịch sử vấn đề nghiên cứu - 6

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - 8

4 Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài - 8

5 Phương pháp nghiên cứu - 8

6 Đối tượng nghiên cứu - 9

7 Phạm vi, giới hạn nghiên cứu - 9

8 Giả thuyết khoa học - 9

9 Cấu trúc của luận văn - 9

NỘI DUNG - 10

Chương 1 Cơ sở lí luận về tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh với sự hỗ trợ của máy vi tính trong thí nghiệm - 10

1.1 Tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh trong dạy học vật lí - 10

1.1.1 Hoạt động nhận thức - 10

1.1.2 Tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh trong dạy học vật lí - 12

1.2 Vai trò của thí nghiệm trong tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh 15 1.2.1 Thí nghiệm là phương tiện của việc thu nhận tri thức - 15

1.2.2 Thí nghiệm là phương tiện của việc kiểm tra tính đúng đắn của tri thức - 16

1.2.3 Thí nghiệm là phương tiện của việc vận dụng tri thức vào thực tiễn 17 1.3 Khả năng hỗ trợ thí nghiệm của máy vi tính - 18 1.3.1 Những khó khăn và hạn chế của các thí nghiệm truyền thống

trong tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh - 18

1.3.2 Các chức năng của máy vi tính trong hỗ trợ thí nghiệm - 20

1.3.3 Các loại thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tính - 21

1.3.3.1 Thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo - 21

1.3.3.2 Thí nghiệm ghép nối với máy vi tính - 27

1.3.3.3 Trực quan hóa thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tính - 30

1.4 Tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh với việc sử dụng thí nghiệm có sự hỗ trợ của máy vi tính trong dạy học vật lí - 31

1.5 Kết luận chương 1 - 32

Chương 2 Khai thác và sử dụng thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tính trong tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh - 35

2.1 Đặc điểm phần Từ trường trong chương trình vật lí nâng cao THPT 35 2.1.1 Cấu trúc chương và chuẩn kiến thức, kĩ năng - 35

2.1.2 Những khó khăn gặp phải khi dạy học phần Từ trường - 36

2.1.3 Khả năng hỗ trợ thí nghiệm của máy vi tính trong phần Từ trường 38 2.1.3.1 Dùng máy vi tính trực quan hóa thí nghiệm - 38

2.1.3.2 Dùng máy vi tính xây dựng, trình chiếu các thí nghiệm mô phỏng, thí nghiệm ảo - 39

2.1.3.3 Dùng máy vi tính xây dựng các thí nghiệm thực ghép nối máy vi tính - 39

2.2 Quy trình khai thác và sử dụng thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tính trong tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh - 39

2.3 Xây dựng, khai thác thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tính - 41

2.3.1 Khai thác các thí nghiệm trực quan hóa nhờ máy vi tính - 41

2.3.2 Khai thác các thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo - 47

2.3.3 Xây dựng các thí nghiệm thực với sự hỗ trợ của máy vi tính - 49

2.4 Thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức trong chương Từ trường có sử dụng thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tính - 61

2.4.1 Bài 1: Từ trường - 61

2.4.2 Bài 2: Cảm ứng từ Định luật Am-pe - 63

2.4.3 Bài 3: Từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giản - 66

2.4.4 Bài 4 Lực Lo-ren-xơ - 68

2.5 Kết luận chương 2 - 71

Chương 3 Thực nghiệm sư phạm - 73

3.1 Mục đích của thực nghiệm sư phạm - 73

3.2 Phương pháp thực nghiệm sư phạm - 73

3.3 Đối tượng và phạm vi thực nghiệm sư phạm - 74

3.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm - 74

3.4.1 Đánh giá định tính - 74

3.4.2 Đánh giá định lượng - 75

3.4.3 Kiểm định giả thuyết thống kê - 79

3.5 Kết luận chương 3 - 80

KẾT LUẬN - 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 84

PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Ngày nay, sự phát triển như vũ bão của khoa học và công nghệ cùng với sựbùng nổ thông tin đã làm cho kho tàng tri thức nhân loại tăng lên nhanh chóng.Điều đó đã đặt ra cho giáo dục những nhiệm vụ nặng nề và khó khăn Nhà trườngkhông thể cung cấp, truyền thụ hết toàn bộ khối kiến thức đồ sộ của nhân loại đếntừng học sinh Vì vậy, đổi mới giáo dục là một yêu cầu cấp bách của thực tiễn đặt racho tất cả các nước, trong đó có Việt Nam chúng ta Để đáp ứng yêu cầu về conngười và nguồn nhân lực là nhân tố quyết định sự phát triển đất nước trong thời kỳcông nghiệp hoá, hiện đại hoá và hội nhập quốc tế thì phải tạo chuyển biến cơ bản,toàn diện về giáo dục và đào tạo Đổi mới giáo dục cần thực hiện đồng bộ từ mụctiêu, nội dung, chương trình đến phương pháp, phương tiện dạy học và cả cơ cấu, hệthống tổ chức, cơ chế quản lý giáo dục trong đó đổi mới phương pháp được xácđịnh là nhiệm vụ trọng tâm

Chiến lược phát triển kinh tế - xã hội 2001- 2010 đã đề ra yêu cầu: “Đổi mớiphương pháp dạy và học, phát huy tư duy sáng tạo và năng lực tự đào tạo của ngườihọc, coi trọng thực hành, thực nghiệm, ngoại khoá, làm chủ kiến thức, tránh nhồinhét, học vẹt, học chay” [1]

“Đổi mới nội dung, chương trình, phương pháp giáo dục theo hướng chuẩnhoá, hiện đại hoá, tăng cường giáo dục tư duy sáng tạo, năng lực tự học, tự tudưỡng, tự tạo việc làm” [2]

Những định hướng chỉ đạo của Đảng và Nhà nước là đúng đắn, tuy nhiênquá trình thực hiện ở các cấp giáo dục, các cơ sở đào tạo, các trường còn những hạnchế, thiếu sót và bất cập Báo cáo của Ban chấp hành Trung ương Đảng khóa IXngày 10 tháng 4 năm 2006 về phương hướng nhiệm vụ phát triển kinh tế - xã hội 5năm 2006 - 2010 đã đưa ra nhận định: “Chất lượng giáo dục còn nhiều yếu kém;khả năng chủ động, sáng tạo của học sinh, sinh viên ít được bồi dưỡng, năng lựcthực hành của học sinh, sinh viên còn yếu Chương trình, phương pháp dạy và họccòn lạc hậu, nặng nề, chưa thật phù hợp” [3] Do đó, trong định hướng phát triểngiáo dục - đào tạo giai đoạn 2006 - 2010, Đảng ta xác định: “Ưu tiên hàng đầu cho

việc nâng cao chất lượng dạy và học” [3] Cụ thể hóa định hướng này, ngành Giáodục cần phải đưa ra những giải pháp cụ thể để nâng cao chất lượng giáo dục, bồidưỡng khả năng chủ động, sáng tạo của học sinh Về mặt phương pháp dạy học,một số giải pháp đó là vận dụng các phương pháp dạy học tích cực vào tổ chức hoạtđộng nhận thức cho học sinh, khai thác và sử dụng có hiệu quả các phương tiện,thiết bị dạy học hiện có, nghiên cứu, tiếp cận các xu hướng dạy học mới, nhữngphương tiện dạy học hiện đại trên thế giới.

Thực tiễn cho thấy công nghệ thông tin (CNTT) và truyền thông ngày càngthâm nhập sâu và rộng, có tác động mạnh mẽ đến giáo dục Những năm gần đây,nghiên cứu về ứng dụng CNTT trong dạy học diễn ra vô cùng sôi động và đã đạtđược nhiều kết quả có ý nghĩa về mặt lí luận và thực tiễn Trong dạy học vật lí, xuhướng khai thác và ứng dụng CNTT nói chung và máy vi tính nói riêng cũng đượcnhiều nhà khoa học và đông đảo giáo viên quan tâm Bằng chứng là nhiều đề tàikhoa học, nhiều luận án tiến sĩ và luận văn thạc sĩ đã tiến hành theo hướng này.Những nghiên cứu trên cùng rất nhiều những sản phẩm CNTT do các chuyên gia,giáo viên, sinh viên thiết kế đã làm phong phú kho tư liệu điện tử phục vụ dạy học.Việc khai thác và sử dụng hợp lí nguồn tư liệu này vào dạy học có thể góp phầnnâng cao chất lượng dạy học vật lí ở trường trung học phổ thông

Vật lí học là một khoa học thực nghiệm, cho nên dạy học vật lí không thểthiếu thí nghiệm (TN) Chính vì thế, nghiên cứu khả năng hỗ trợ TN của máy vi tính

là một hướng lớn trong ứng dụng CNTT trong dạy học Vật lí Ở đó, máy vi tínhđược khai thác, sử dụng như một thiết bị hỗ trợ TN đa năng Khả năng hỗ trợ TNcủa máy vi tính rất rộng, máy vi tính có thể tạo ra không gian cho các TN ảo, TN

mô phỏng, lưu trữ và trình chiếu các đoạn phim TN, hỗ trợ TN thực Trong đó, đángchú ý là những nghiên cứu về TN ghép nối với máy vi tính là một xu hướng tươngđối mới mẻ và có nhiều tiềm năng phát triển Song trên thực tế, việc khai thác khảnăng hỗ trợ TN của máy vi tính còn mang tính chất đơn lẻ và chưa có sự phối hợpcao, sử dụng TN ghép nối máy vi tính trong dạy học chưa phổ biến Vì vậy, nghiêncứu khai thác và sử dụng TN với sự hỗ trợ của máy vi tính vào quá trình dạy họcsao cho hợp lí và khoa học là vấn đề mang ý nghĩa thực tiễn cao

Phần Từ trường thuộc chương trình vật lí trung học phổ thông (THPT) cónhiều hiện tượng hấp dẫn nhưng kiến thức khá trừu tượng đối với học sinh (HS) phổthông Do đó, tổ chức hoạt động nhận thức cho HS khi dạy học phần này gặp phảimột số khó khăn Sử dụng TN với sự hỗ trợ của máy vi tính khi dạy học phần này

có thể giải quyết những khó khăn đó và mang lại hiệu quả sư phạm cao

Với những lí do nêu trên chúng tôi chọn đề tài " Khai thác và sử dụng thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tính trong tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh khi dạy học phần Từ trường"

2 Lịch sử vấn đề nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng CNTT trong dạy học nói chung và máy vi tính trong

hỗ trợ TN vật lí nói riêng những năm gần đây phát triển rất mạnh Các tác giả trongnước như Phạm Xuân Quế, Lê Công Triêm, Nguyễn Quang Lạc, Phan Gia Anh Vũ,Mai Văn Trinh, Nguyễn Xuân Thành, Vương Đình Thắng, Trần Huy Hoàng đã cónhiều đề tài, công trình nghiên cứu và công bố nhiều bài báo khoa học về vấn đềnày Những nghiên cứu trên đã làm sáng tỏ phần lớn cơ sở lí luận của ứng dụngCNTT trong dạy học vật lí Đồng thời, các nghiên cứu đó cũng đề xuất nhữngphương án, quy trình khai thác những ứng dụng CNTT và máy vi tính và dạy họcvật lí Các tác giả Phạm Xuân Quế, Phan Gia Anh Vũ tập trung vào mảng xây dựngcác phần mềm dạy học, các TN mô phỏng, TN ảo Tác giả Lê Công Triêm, NguyễnQuang Lạc đã làm sáng tỏ lí luận của ứng dụng CNTT trong dạy học vật lí Tác giảMai Văn Trinh nghiên cứu sử dụng máy vi tính và các phương tiện dạy học hiện đạivào quá trình dạy học Tác giả Vương Đình Thắng nghiên cứu sử dụng máy vi tính

và hệ thống multimedia trong dạy học vật lí ở trường trung học cơ sở Tác giảNguyễn Xuân Thành nghiên cứu sử dụng máy vi tính và phần mềm chuyên dụng đểphân tích video Tác giả Trần Huy Hoàng nghiên cứu sử TN với sự hỗ trợ của máy

vi tính trong dạy học một số kiến thức phần Cơ và Nhiệt Trong luận án tiến sĩ củamình, tác giả Trần Huy Hoàng đã hệ thống hóa cơ sở lí luận của việc sử dụng TNvới sự hỗ trợ của máy vi tính trong dạy học vật lí, làm sáng tỏ khái niệm thí nghiệm

ảo, thí nghiệm mô phỏng, đồng thời đề xuất tiến trình dạy học một số kiến thứcphần Cơ, Nhiệt theo chiến lược dạy học giải quyết vấn đề

Ngoài ra, trong nhiều luận văn thạc sĩ, các tác giả cũng đã nghiên cứu mộtcách chi tiết các ứng dụng cụ thể của máy vi tính vào dạy học vật lí Trong đó, tácgiả Nguyễn Đình Chính đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu xây dựng thí nghiệm với

sự hỗ trợ của máy vi tính trong dạy học vật lí ở trường trung học phổ thông” Đề tàinày đã nghiên cứu khai thác phần mềm Datastudio trong dạy học vật lí Đồng thờitác giả đã sử dụng phần mềm Datastudio để hỗ trợ các TN phần cơ học trongchương trình Vật lí THPT [6]

Gần đây, tác giả Lương Lệ Hằng đã thực hiện đề tài “Tổ chức hoạt độngnhận thức cho học sinh trong dạy học phần Từ trường và cảm ứng điện từ Vật lí 11THPT với sự hỗ trợ của máy vi tính” Trong đề tài này, tác giả đã nghiên cứu cơ sởtâm lí của tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh dựa trên thuyết hoạt động,thuyết xử lí thông tin và thuyết kiến tạo Đồng thời, tác giả đã xây dựng và khai tháccác tài liệu số hóa bao gồm các hình ảnh, đoạn phim, bài tập và các sơ đồ tư duy,trong đó tập trung xây dựng các sơ đồ tư duy nhằm củng cố kiến thức Tuy nhiên,trong đề tài này, tác giả chưa nghiên cứu sâu về các thí nghiệm có sự hỗ trợ củamáy vi tính

Như vậy, đã có nhiều tác giả nghiên cứu ứng dụng máy vi tính trong dạy họcvật lí Ngoài ra, vấn đề dạy học phần Từ trường trong chương trình Vật lí THPTcũng được nhiều tác giả quan tâm Tác giả Mai Khắc Dũng đã tiến hành đề tài

“Nghiên cứu thiết kế, khai thác và sử dụng thí nghiệm tự tạo nhằm tích cực hóa hoạtđộng nhận thức của học sinh khi dạy học phần Từ trường, Vật lí 11 THPT” Trong

đề tài này, tác giả đã tập trung thiết kế, khai thác và sử dụng các thí nghiệm tự tạotrong chương Từ trường

Trong khi đó, tác giả Nguyễn Thị Phương Dung lại quan tâm đến vấn đề vậndụng các phương pháp dạy học tích cực trong dạy học phần Từ trường và Cảm ứngđiện từ Vì vậy, tác giả đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu, vận dụng các phương phápdạy học theo hướng tích cực hóa hoạt động học tập của học sinh trong chương Từtrường và cảm ứng điện từ lớp 11”

Như vậy, mặc dù đã có nhiều đề tài nghiên cứu sử dụng máy vi tính trongdạy học vật lí cũng như nghiên cứu quá trình tổ chức dạy học phần Từ trường, tuy

nhiên chưa thấy tác giả nào nghiên cứu khai thác và sử dụng TN với sự hỗ trợ củamáy vi tính trong tổ chức hoạt động nhận thức cho HS khi dạy học phần Từ trường.

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Những mục tiêu chúng tôi hướng tới khi nghiên cứu đề tài là:

- Cơ sở lí luận của tổ chức hoạt động nhận thức cho HS với sự hỗ trợ củamáy vi tính trong TN;

- Các TN với sự hỗ trợ của máy vi tính trong phần Từ trường;

- Tiến trình dạy dạy học một số kiến thức phần Từ trường có sử dụng TN với

sự hỗ trợ của máy vi tính

4 Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài

Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu của đề tài, nhiệm vụ nghiên cứu được xácđịnh là:

- Hệ thống hóa cơ sở lí luận của việc sử dụng máy vi tính để hỗ trợ TN;

- Nghiên cứu cơ sở lí luận của tổ chức hoạt động nhận thức cho HS với sự hỗtrợ của máy vi tính trong các TN;

- Xây dựng và khai thác một số TN trong phần Từ trường với sự hỗ trợ củamáy vi tính;

- Thiết kế tiến trình dạy học một số bài phần Từ trường có sử dụng TN với

sự hỗ trợ của máy vi tính;

- Thực nghiệm sư phạm để kiểm tra giả thuyết và rút ra các kết luận cầnthiết

5 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu đã vạch ra ở trên, các phương phápnghiên cứu được dùng là:

- Phương pháp nghiên cứu lí thuyết nhằm hệ thống hóa, khái quát hóa cơ sở

lí luận của tổ chức hoạt động nhận thức cho HS với sự hỗ trợ của máy vi tính trongcác TN;

- Phương pháp điều tra, phỏng vấn nhằm điều tra những khó khăn gặp phảitrong dạy học phần Từ trường;

- Phương pháp thực nghiệm sư phạm nhằm kiểm chứng giả thuyết khoa học;

- Phương pháp thống kê toán học để xử lí số liệu thu thập được từ thựcnghiệm sư phạm.

6 Đối tượng nghiên cứu

Hoạt động dạy học vật lí phần Từ trường với việc sử dụng thí nghiệm có sự

hỗ trợ của máy vi tính

7 Phạm vi, giới hạn nghiên cứu

Giới hạn: Chương Từ trường trong chương trình nâng cao vật lí trung họcphổ thông (THPT)

Phạm vi: Thực nghiệm sư phạm một số trường trên địa bàn tỉnh Quảng Bình

8 Giả thuyết khoa học

Các TN với sự hỗ trợ của máy vi tính khá phong phú, đa dạng, tuy nhiên việckhai thác và sử dụng chúng trong dạy học vật lí ở trường phổ thông chưa thực sựhiệu quả Vì vậy, nếu khai thác, sử dụng TN với sự hỗ trợ của máy vi tính một cáchkhoa học và có ý đồ sư phạm tốt thì sẽ kích thích hứng thú học tập của HS và nângcao chất lượng dạy học phần Từ trường

9 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm các phần sau:

Mở đầu

Nội dung

Chương 1 Cơ sở lí luận về tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh với sự

hỗ trợ của máy vi tính trong thí nghiệm

Chương 2 Khai thác và sử dụng thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tínhtrong tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh

Chương 3 Thực nghiệm sư phạm

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

NỘI DUNG

Chương 1

CƠ SỞ LÍ LUẬN VỀ TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG NHẬN THỨC CHO HỌC SINH VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA MÁY VI TÍNH TRONG THÍ NGHIỆM 1.1 Tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh trong dạy học vật lí

1.1.1 Hoạt động nhận thức

Theo Đại từ điển tiếng Việt của Nguyễn Như Ý, nhận thức là quá trình hoặckết quả phản ánh và tái hiện hiện thực vào trong tư duy [19] Theo Từ điển Từ vàngữ Việt Nam của GS Nguyễn Lân, nhận thức là sự hiểu biết được [13]

Nhận thức là một trong ba mặt cơ bản của đời sống tâm lí con người (nhậnthức, tình cảm và hành động) Nhận thức là một quá trình Ở con người quá trìnhnày thường gắn với mục đích nhất định nên nhận thức là một hoạt động Đặc trưngnổi bật nhất của hoạt động nhận thức là phản ánh hiện thực khách quan Hoạt độngnày bao gồm nhiều quá trình khác nhau, thể hiện những mức độ phản ánh hiện thựckhác nhau (cảm giác, tri giác, tư duy, tưởng tượng) và mang lại những sản phẩm khácnhau về hiện thực khách quan (hình ảnh, hình tượng, biểu tượng, khái niệm) [27]

Như vậy, nhận thức là hoạt động phản ánh và tái hiện hiện thực khách quanvào trong tư duy của con người

Căn cứ vào tính chất phản ánh có thể chia toàn bộ hoạt động nhận thức thànhhai giai đoạn lớn: nhận thức cảm tính (gồm cảm giác và tri giác) và nhận thức lí tính(tư duy và tưởng tượng) [27]

Nhận thức cảm tính là giai đoạn đầu, sơ đẳng trong toàn bộ hoạt động nhậnthức của con người Đặc điểm chủ yếu của nhận thức cảm tính là chỉ phản ánhnhững thuộc tính bề ngoài, cụ thể của sự vật và hiện tượng đang trực tiếp tác độngvào các giác quan của con người Do đó, nhận thức cảm tính có vai trò rất quantrọng trong việc thiết lập mối quan hệ tâm lí của cơ thể người với môi trường, địnhhướng và điều chỉnh hoạt động nhận thức của con người trong môi trường đó và làđiều kiện để xây nên “lâu đài nhận thức” và đời sống tâm lí của con người [27]

Nhận thức lí tính là giai đoạn cao hơn nhận thức cảm tính Đặc điểm nổi bậtnhất của nhận thức lí tính là phản ánh những thuộc tính bên trong, những mối liên

hệ bản chất của sự vật, hiện tượng khách quan mà con người chưa biết Do đó, nhậnthức lí tính có vai trò vô cùng quan trọng trong việc hiểu biết bản chất và những mốiliên hệ có tính quy luật của sự vật, hiện tượng [27].

Hai giai đoạn nhận thức cảm tính và lí tính đều có vị trí vai trò không thểthay thế trong quá trình nhận thức Nhận thức cảm tính là cơ sở cho nhận thức lítính còn thức lí tính là sự khái quát hóa, trừu tượng hóa những thông tin thu được donhận thức cảm tính mang lại để tìm ra bản chất của sự vật hiện tượng Nếu chỉ cónhận thức cảm tính mà không có giai đoạn nhận thức lí tính thì con người chỉ cónhững kinh nghiệm, những hiểu biết không có hệ thống Ngược lại, nếu không cónhững thông tin thu được từ nhận thức cảm tính thì giai đoạn nhận thức lí tínhkhông thể diễn ra được Việc phân chia hoạt động nhận thức thành nhận thức cảmtính và lí tính như ở trên là nhằm làm rõ con đường nhận thức nói chung, trong quátrình nhận thức hai giai đoạn trên có thể diễn ra xen kẽ và thống nhất với nhau

V.I.Lênin đã vạch rõ quy luật chung nhất của hoạt động nhận thức là: “Từtrực quan sinh động đến tư duy trừu tượng và từ tư duy trừu trượng đến thực tiễn đó

là con đường biện chứng của sự nhận thức chân lí, của sự nhận thức hiện thựckhách quan” [8]

Nhận thức có liên quan rất chặt chẽ với sự học Về bản chất, sự học là mộtquá trình nhận thức Học tập là một loại hoạt động nhận thức đặc biệt của conngười Trong thực tế, sự học và nhận thức không tách rời nhau mà gắn bó chặt chẽvới nhau, đan xen vào nhau và bổ sung hoàn thiện cho nhau Sự học và nhận thứcvừa là cơ sở, vừa là điều kiện, phương tiện hình thành và phát triển của nhau [27]

Khi HS bắt đầu nghiên cứu một môn học, các em đã tích lũy được một sốbiểu tượng ban đầu do quan sát thực tiễn hoặc do trao đổi, học tập mà có Nhưngnhững biểu tượng này không đồng đều giữa các em, mức độ chính xác và sâu sắcgiữa các em cũng không giống nhau Vì vậy, để HS hiểu bài một cách chính xác vàsâu sắc thì cần phải xây dựng các khái niệm, các thuyết từ sự quan sát trực tiếp cáchiện tượng Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng dễ dàng quan sát các hiện tượngthực tiễn Do đó, trong dạy học nói chung và dạy học vật lí nói riêng, thầy giáo phải

sử dụng các phương tiện trực quan, đặc biệt là các TN vật lí [25]

Tóm lại, nhận thức là hoạt động phản ánh thế giới khách quan của con người.Kết quả của hoạt động nhận thức là con người có được các hình ảnh, biểu tượng,khái niệm về thế giới khách quan Học tập, xét trên góc độ tâm lí, là một quá trìnhnhận thức, cốt lõi của hoạt động học tập chính là hoạt động nhận thức của HS Vìvậy, trong dạy học, cần phải tổ chức hoạt động nhận thức cho HS Để bồi dưỡngnăng lực giải quyết vấn đề và tư duy khoa học, GV nên tổ chức hoạt động nhận thứcthức theo chiến lược giải quyết vấn đề.

1.1.2 Tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh trong dạy học vật lí theo chiến lược giải quyết vấn đề

Theo Nguyễn Như Ý, tổ chức là tiến hành một công việc theo cách thức,trình tự nào đó [29] Vậy, tổ chức hoạt động nhận thức có thể hiểu là việc làm củagiáo viên (GV) nhằm đảm bảo cho hoạt động nhận thức của HS diễn ra theo mộtcách thức, trình tự nào đó

Kết quả của việc học tập phụ thuộc chủ yếu vào hoạt động học của HS.Muốn tổ chức, hướng dẫn tốt hoạt động học tập vật lí của HS mà thực chất là hoạtđộng nhận thức vật lí, GV cần nắm được quy luật chung của quá trình nhận thứckhoa học, logic hình hành các kiến thức vật lí, những hành động thường gặp trongquá trình nhận thức vật lí, những phương pháp nhận thức vật lí phổ biến để hoạchđịnh những hành động, thao tác cần thiết cho HS trong quá trình chiếm lĩnh mộtkiến thức hay một kĩ năng xác định [18]

Trong dạy học vật lí, cần thiết phải bồi dưỡng các phương pháp nhận thứcvật lí cho HS Ở nhà trường phổ thông hiện nay, những phương pháp nhận thức vật

lí phổ biến thường dùng là: Phương pháp thực nghiệm, phương pháp tương tự,phương pháp mô hình, phương pháp TN lí tưởng Mỗi phương pháp nhận thức đóthích hợp cho một số trường hợp cụ thể và chúng luôn luôn được sử dụng phối hợp,

hỗ trợ lẫn nhau Tuy nhiên, để cho việc sử dụng các phương pháp đó trong quá trình

tổ chức hoạt động nhận thức cho HS đạt hiệu quả, chúng ta cần nghiên cứu một sốnét chung của quá trình tổ chức hướng dẫn HS giải quyết vấn đề [18]

Phỏng theo quá trình nghiên cứu của các nhà khoa học, trong dạy học vật lí,người ta có thể tổ chức hoạt động nhận thức cho HS theo phương pháp giải quyếtvấn đề Dạy học giải quyết vấn đề gồm ba giai đoạn: đề xuất vấn đề; nghiên cứu

giải quyết vấn đề; củng cố và vận dụng tri thức Dạy học giải quyết vấn đề khôngphải là một phương pháp dạy học cụ thể đơn nhất, nó là một hệ phương pháp dạyhọc chuyên biệt hóa, tức là một tập hợp nhiều phương pháp dạy học liên kết chặtchẽ với nhau, trong đó phương pháp xây dựng bài toán nhận thức giữ vai trò trungtâm, chủ đạo, gắn bó các phương pháp dạy học khác, tập hợp lại thành hệ thốngtoàn vẹn [28].

Dạy học giải quyết vấn đề, xét về thực chất, là quá trình GV tổ chức chỉ đạongười học nghiên cứu tự lực, tích cực để tìm ra các chân lí khoa học đã quy địnhtrong chương trình học Về bản chất, có thể nói đó là quá trình nghiên cứu khoa học

“thu nhỏ” trong khuôn khổ của sự dạy học [7]

Theo tác giả Phạm Hữu Tòng, dạy học giải quyết vấn đề là một chiến lượcdạy học trong đó GV tổ chức định hướng hành động tìm tòi sáng tạo giải quyết vấn

đề và tư duy khoa học của HS Tiến trình hoạt động giải quyết vấn đề được mô tảnhư sau: đề xuất vấn đề - suy đoán giải pháp - khảo sát lí thuyết và (hoặc) thựcnghiệm - kiểm tra, vận dụng kết quả [21]

Nói tóm lại, trong tổ chức hoạt động nhận thức cho HS, chúng ta có thể dùngnhiều phương pháp dạy học khác nhau, tuy nhiên do mỗi phương pháp có những ưuđiểm riêng và phạm vi vận dụng của mỗi phương pháp là hạn chế, vì vậy cần phốihợp các phương pháp “Chiến lược dạy học giải quyết vấn đề có thể xâm nhập vàohầu hết các phương pháp dạy học và làm cho tính chất của chúng trở nên tích cựchơn” [28] Mặt khác, “tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học vật lí thựcchất và chủ yếu là việc tổ chức, định hướng của GV để HS tích cực, tự chủ giảiquyết bài toán nhận thức trong quá trình học tập” [19] Do đó, để tổ chức hoạt độngnhận thức cho HS một cách có hiệu quả theo định hướng phát triển hoạt động họctích cực và tư duy khoa học thì GV nên vận dụng chiến lược dạy học giải quyết vấn

đề Khi đó HS sẽ được tạo điều kiện thuận lợi để phát huy sự tự chủ hành động xâydựng kiến thức Tham gia vào quá trình giải quyết vấn đề, hoạt động của HS đãđược định hướng phỏng theo tiến trình xây dựng kiến thức trong nghiên cứu khoahọc Nhờ vậy kiến thức của HS được xây dựng một cách hệ thống và vững chắc,năng lực sáng tạo của HS từng bước được phát triển

Vấn đề(đòi hỏi tìm kiếm xây dựng kiến thức)

Điều kiện cần sử dụng để đi tìm câu trả lời cho vấn đề đặt ra

Giải quyết bài toánKết luận/ Nhận địnhBÀI TOÁN

(Sơ đồ a)

(Sơ đồ b)

Vấn đề(đòi hỏi kiểm nghiệm/ ứng dụng thực tiễn kiến thức kiến thức)

Điều kiện cần sử dụng để đi tìm câu trả lời cho vấn đề đặt ra, một mặt

nhờ suy luận, mặt khác nhờ TN và quan sát

Giải quyết bài toán bằng TN và quan sát

Kết luận

BÀI TOÁNGiải quyết bài toán bằng suy

luận lí thuyếtKết luận

Sơ đồ lôgic của tiến trình khoa học giải quyết vấn đề khi xây dựng, kiểmnghiệm hoặc ứng dụng một tri thức cụ thể được tác giả Phạm Hữu Tòng đề xuấtnhư ở Hình 1.1 Trong sơ đó, vấn đề cần giải quyết được phát biểu dưới dạng mộtbài toán nhận thức Bài toán nhận thức đó có thể được giải quyết bằng phương phápsuy luận lí thuyết hoặc sử dụng thí nghiệm và quan sát Nếu bài toán có thể giảibằng cả hai phương pháp thì kết quả giải được so sánh, đối chiếu để rút ra kết luận

Hình 1.1 Sơ đồ lôgic của tiến trình khoa học giải quyết vấn đề khi xây dựng, kiểm

nghiệm hoặc ứng dụng một tri thức cụ thể [21]

1.2 Vai trò của thí nghiệm trong tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh

Theo quan điểm của lí luận nhận thức, TN trong tổ chức hoạt động nhận thứccho HS có các vai trò sau đây: là phương tiện của việc thu nhận tri thức; là phươngtiện để kiểm tra tính đúng đắn của tri thức thu nhận được; là phương tiện của việcvận dụng tri thức vào thực tiễn.

1.2.1 Thí nghiệm là phương tiện của việc thu nhận tri thức

Vật lí học là một khoa học thực nghiệm, tuy nhiên trong tự nhiên và kĩ thuật,rất ít các hiện tượng, quá trình vật lí xảy ra dưới dạng thuần khiết nên muốn nhậnthức được đối tượng vật lí, chúng ta phải tác động vào đối tượng, hiện thực kháchquan một cách có chủ định và hệ thống Đó chính là quá trình làm TN vật lí Chínhnhờ TN, ta có thể nghiên cứu các hiện tượng, quá trình trong những điều kiện có thểkhống chế được, thay đổi được, có thể quan sát và đo đạc đơn giản hơn, dễ dàng.Thông qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kếtquả của sự tác động, ta có thể thu nhận được tri thức mới [19] Trong các phươngpháp nhận thức vật lí, ở giai đoạn này hay giai đoạn khác, dù trực tiếp hay gián tiếpđều cần các cứ liệu mà TN mang lại để có thể nhận thức được các hiện tượng, quátrình vật lí Chính vì vậy, trong nhận thức khoa học vật lí nói chung và tổ chức hoạtđộng nhận thức vật lí cho HS nói riêng, TN đóng một vai trò hết sức quan trọng, làphương tiện của việc thu nhận tri thức

Trong dạy học vật lí, nhất là ở các lớp dưới và ở giai đoạn đầu của quá trìnhnhận thức một hiện tượng, một quá trình vật lí nào đó, khi HS còn chưa có hoặc cóhiểu biết ít ỏi về hiện tượng, quá trình vật lí cần nghiên cứu thì TN được sử dụng đểcung cấp cho HS những dữ liệu cảm tính (các biểu tượng, số liệu đo đạc) về hiệntượng, quá trình vật lí này [19]

Trong chiến lược dạy học giải quyết vấn đề, việc xây dựng bài toán nhận thứcđóng vai trò trung tâm, chủ đạo Để xây dựng được bài toán nhận thức này, trước hết

và chủ yếu, GV phải tìm cách tạo ra tình huống có vấn đề và đưa được HS vào tìnhhuống có vấn đề Sử dụng TN là một trong những biện pháp hữu hiệu để tạo tìnhhuống có vấn đề Qua quan sát TN, HS thấy rằng không thể dùng kiến thức cũ để giảithích hiện tượng xảy ra trong TN, thậm chí hiện tượng xảy ra trái với dự đoán banđầu của đại đa số các em Từ đó làm nảy sinh ở HS nhu cầu đi tìm câu trả lời cho vấn

đề đặt ra Thông qua việc giải quyết bài toán nhận thức này dưới sự tổ chức, hướngdẫn, chỉ đạo của GV, HS sẽ thu nhận được kiến thức mới.

Ngoài ra, trong quá trình giải quyết vấn đề, có thể bằng con đường suy luận líthuyết hoặc làm TN và tiến hành quan sát, xử lí các số liệu thu thập được để đưa racác kết luận và nhận định Ở giai đoạn này, TN cũng thể hiện rõ vai trò là mộtphương tiện chủ yếu để giải quyết bài toán nhận thức, là phương tiện để thu nhận trithức

1.2.2 Thí nghiệm là phương tiện để kiểm tra tính đúng đắn của tri thức

Theo con đường biện chứng của hoạt động nhận thức thế giới khách quan màLê-nin đã chỉ ra, kiến thức chỉ thực sự là chân lí khi nó được thực tiễn kiểm nghiệm

Vì thế, có thể nói TN là hòn đá thử vàng của tri thức nói chung và tri thức vật lí nóiriêng

Theo quan điểm của lí luận nhận thức, một trong các vai trò của TN trong dạyhọc vật lí là dùng để kiểm tra tính đúng đắn của các tri thức mà HS đã thu nhận đượctrước đó Trong nhiều trường hợp, kết quả của TN phủ định tính đúng đắn của các trithức đã biết, đòi hỏi phải đưa ra các giả thuyết khoa học mới và lại phải kiểm tra nó ởcác TN khác Nhờ vậy, thường ta sẽ thu được những tri thức có tính khái quát hơn,bao hàm các tri thức đã biết trước đó như là những trường hợp riêng, trường hợp giớihạn [19]

Trong dạy học vật lí ở trường phổ thông, có một số kiến thức đã được rút rabằng suy luận lôgic chặt chẽ từ các kiến thức đã biết Trong trường hợp này, cần phảitiến hành các TN để kiểm nghiệm lại chúng Việc tiến hành các thí nghiệm đó vừa làyêu cầu mang tính bắt buộc do đặc điểm thực nghiệm của khoa học vật lí, đồng thời

nó còn có tác dụng xây dựng và củng cố lòng tin của HS vào kiến thức thu được

Ví dụ khi khảo sát dao động biên độ bé của con lắc lò xo nằm ngang, bằng líthuyết, từ định luật II Niu-tơn và phương trình vi phân có thể rút ra biểu thức li độcủa con lắc là một hàm điều hòa dạng sin Để kiểm nghiệm kết quả này, GV cần sửdụng TN ghép nối với máy vi tính để HS quan sát đồ thị li độ của của dao động Saukhi kiểm nghiệm, HS nhận thấy đồ thị dao động có dạng hình sin, từ đó các em mớitin tưởng vào kết quả thu nhận từ suy luận lí thuyết [9]

Ngoài ra, trong dạy học vật lí, do trình độ toán học của HS còn hạn chế hoặc

do các thiết bị TN ở trường phổ thông không cho phép tiến hành các TN phức tạp,với các phép đo định lượng chính xác cao trong khuôn khổ thời gian của tiết học nênmột số kiến thức khó có thể xây dựng bằng con đường lí thuyết cũng như thựcnghiệm Trong những trường hợp này, GV phải đưa ra những kết luận khái quát hóa

do các nhà khoa học đã tìm ra và thông báo cho HS Tuy nhiên, để giảm tính áp đặt,

GV có thể tiến hành TN để minh họa kiến thức đã đưa ra trong một trường hợp cụ thểđơn giản [19]

Ví dụ, khi dạy bài định luật I Niu-tơn, về mặt nguyên tắc, chúng ta không thểlàm được các TN đủ tư cách để từ đó rút ra nội dung định luật mà buộc HS thừa nhậnnhư một nguyên lí sau khi dùng phương pháp TN lí tưởng và suy luận tương tự từ TNmáng nghiêng của Galilê [22] Sau đó, GV dùng TN xe trượt trên đệm không khí cóghép nối với máy vi tính để kiểm nghiệm, minh họa nội dung định luật

Ở ví dụ khác, khi dạy nội dung định luật về hiện tượng điện phân củaFarađây, trong điều kiện lớp học, GV khó có thể dựa vào TN để thiết lập công thứcđịnh lượng của định luật Farađây GV có thể tiến hành TN minh họa một cách địnhtính cho HS thấy được khi điện phân dung dịch đồng sunfat (CuSO4) thì các iôn đồngđến bám vào điện cực dương của bình điện phân tăng theo thời gian [19]

Như vậy, trong tổ chức hoạt động nhận thức cho HS khi dạy học vật lí, trongđiều kiện có thể, các kiến thức thu nhận được, đặc biệt là bằng con đường suy luận líthuyết, phải được làm TN kiểm tra

1.2.3 Thí nghiệm là phương tiện của việc vận dụng tri thức vào thực tiễn

Trong tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học vật lí, việc vận dụngtri thức là khâu cuối cùng Nếu cuối mỗi hoạt động nhận thức, HS giải quyết đượccác bài tập, giải thích được các hiện tượng hay dự đoán được kết quả các TN có liênquan đến kiến thức vừa học thì chứng tỏ HS đã nắm được kiến thức Theo bảng cácmức độ nhận thức của Bloom, mức độ vận dụng là một mức độ cao của việc lĩnh hộikiến thức

Khi vận dụng tri thức, GV có thể cho HS giải quyết các bài tập tương tự, giảithích các hiện tượng liên quan hay dự đoán kết quả các TN trong đó đòi hỏi HS phải

sử dụng tri thức vừa học để lập luận, suy đoán Ở đó, TN là một phương tiện để HSvận dụng tri thức vừa học.

Ngoài ra, một số ứng dụng của vật lí trong kĩ thuật cũng được sách giáo khoatrình bày Khi đó, cần thiết phải tiến hành các TN để HS hiểu được các ứng dụng củanhững kiến thứ đã học vào thức tiễn TN không những cho HS thấy được sự vận dụngtrong thực tiễn của kiến thức vật lí mà còn là bằng chứng về sự đúng đắn của các kiếnthức này [19]

Ví dụ, khi dạy bài Định luật Bec-nu-li, để HS biết được các ứng dụng nhưnguyên lí hoạt động của bộ chế hòa khí, GV nên sử dụng thí nghiệm để trình bày,minh họa cho nội dung này Bởi vì nếu không sử dụng các thí nghiệm, HS sẽ rất khóhình dung hoạt động của bộ chế hòa khí trong thực tế Các TN như vậy sẽ giúp HS dễtiếp thu kiến thức và hứng thú hơn trong học tập, góp phần xây dựng động cơ học tậpđúng đắn cho HS

Trên đây là những vai trò quan trọng nhất của TN trong tổ chức hoạt độngnhận thức cho HS trong dạy học vật lí Ngoài ra, về mặt phương pháp luận, TN có vaitrò là một bộ phận của các phương pháp nhận thức vật lí được dùng trong tổ chứchoạt động nhận thức cho HS Về mặt tạo động cơ, hứng thú học tập, TN là phươngtiện kích thích hứng thú học tập, làm cho các em tích cực và sáng tạo hơn trong quátrình nhận thức

Như vậy, qua phân tích ở trên chúng ta làm rõ vai trò hết sức quan trọng của

TN trong tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học vật lí Tuy nhiên, vẫncòn những khó khăn nhất định trong việc sử dụng TN để tổ chức hoạt động nhận thứccho HS Phần tiếp theo, chúng tôi sẽ tìm hiểu những khó khăn này và nghiên cứu khảnăng hỗ trợ TN của máy vi tính nhằm khắc phục những khó khăn đó

1.3 Khả năng hỗ trợ thí nghiệm của máy vi tính

1.3.1 Những khó khăn và hạn chế của các thí nghiệm truyền thống trong tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh

Theo các tác giả Phạm Xuân Quế, Nguyễn Xuân Thành, việc tổ chức hoạtđộng nhận thức của HS phỏng theo con đường tìm tòi của các nhà khoa học thường

gặp khó khăn trong các giai đoạn như: đề xuất mô hình-giả thuyết trừu tượng, xâydựng phương án thực nghiệm và tiến hành thực nghiệm để kiểm tra hệ quả [15].

Để có cơ sở đề xuất mô hình - giả thuyết trừu tượng, vấn đề hết sức quantrọng là làm thế nào có thể thu thập được các thông tin liên quan đến đối tượng cầnnghiên cứu (với tư cách là các sự kiện xuất phát), để tạo điều kiện cho tư duy trựcgiác, đưa ra mô hình - giả thuyết trừu tượng Trong dạy học vật lí, tuỳ theo các đốitượng nghiên cứu cụ thể mà các phương tiện dạy học truyền thống có thể hoặckhông thể hỗ trợ cho việc thu thập các thông tin này Ví dụ như khi nghiên cứu về

hệ thức giữa thể tích và áp suất của chất khí khi nhiệt độ không đổi, thì với việc sửdụng nhiều bộ TN khác nhau đều có thể thu được các số liệu về sự biến đổi thể tích

và sự biến đổi về áp suất tương ứng của khối khí đang xét Nghiên cứu bảng số liệunày, có thể đề xuất dự đoán về mối quan hệ giữa áp suất và thể tích của lượng khí.Tuy nhiên, đối với nhiều đối tượng nghiên cứu khác, ví dụ như: va chạm của các vậttrong hệ kín khi nghiên cứu định luật bảo toàn động lượng, hay chuyển động rơi cósức cản của không khí, chuyển động của các hành tinh trong hệ Mặt trời…thì hiệnnay, việc thu thập các số liệu thực nghiệm nhờ các thiết bị TN truyền thống hoặc rấtkhó, mất rất nhiều thời gian (với TN va chạm) hoặc không thể thực hiện được (với

TN về chuyển động rơi có sức cản không khí) [15]

Ngoài khó khăn trên, trong công việc kiểm tra tính đúng đắn của các mô hình

- giả thuyết trừu tượng cũng thường gặp khó khăn nếu chỉ dựa vào các TN vàphương tiện dạy học truyền thống Bởi vì việc kiểm tra xem dự đoán nào đúng, dựđoán nào sai sẽ phải thực hiện nhiều TN và tiến hành quá nhiều phép tính toán.Điều đó dường như là không thể tiến hành trong khuôn khổ thời gian qui định củatiết học

Những phân tích trên cho thấy, trong nhiều trường hợp, nếu chỉ sử dụng cácphương tiện dạy học truyền thống thì việc yêu cầu cao tính tích cực, tự lực của HStham gia vào việc giải quyết các vấn đề học tập sẽ bị hạn chế, do đó, việc áp dụngcác phương pháp dạy học nhằm tích cực hoá người học cũng hạn chế Ngoài ra,trong nhiều trường hợp, với phương tiện dạy học truyền thống, không thể quan sát,thu thập được thông tin về đối tượng cần nghiên cứu, (ví dụ như vật rơi có sức cản

không khí ) nên nhiều quá trình vật lí không thể đưa vào trong chương trình vật líphổ thông [15]

Nói tóm lại, vẫn còn những khó khăn và hạn khi sử dụng TN và các phươngtiện dạy học truyền thống trong tổ chức hoạt động nhận thức cho HS Cụ thể là ởphổ thông thiếu những TN định lượng với độ chính xác cao, do hạn chế về thời giantrong khuôn khổ tiết học, do hiện tượng khảo sát quá phức tạp, không dễ gì đơngiản hóa được, hay các hiện tượng vật lí xảy ra quá nhanh hoặc quá chậm, tính trựcquan một số TN chưa cao gây khó khăn cho việc quan sát, thu thập số liệu Vì vậy,việc nghiên cứu khai thác, sử dụng TN với sự hỗ trợ của các phương tiện dạy họckhác, trong đó có máy vi tính hoặc phối hợp TN với các phương tiện dạy học là cầnthiết để tổ chức hoạt động nhận thức cho HS có hiệu quả hơn

1.3.2 Các chức năng của máy tính trong hỗ trợ thí nghiệm

Do có những tính năng mới và ưu việt nên máy vi tính ngày càng được sửdụng rộng rãi trong dạy học Trong dạy học vật lí ở trường phổ thông, máy vi tính cóthể sử dụng với nhiều mục đích khác nhau Đối với TN vật lí, có thể khái quát nhữngkhả năng hỗ trợ của máy vi tính như sau:

Thứ nhất, máy vi tính có thể hỗ trợ các TN thực thông qua các cảm biến, bộghép nối và phần mềm chuyên dụng Các chức năng hỗ trợ TN thực bao gồm hỗ trợthu thập, lưu trữ, xử lí số liệu và biểu diễn kết quả thí nghiệm dưới dạng các bảng, đồthị [9]

Thứ hai, với khả năng đồ họa và hỗ trợ thiết kế của các phần mềm chuyêndụng, máy vi tính có thể tạo ra những TN ảo, TN mô phỏng trên cơ sở các mối liên hệgiữa các đại lượng vật lí có trong hiện tượng, quá trình cần nghiên cứu Những TNnày có thể được dùng thay thế (đối với các TN nguy hiểm, không thể tiến hành TNthật được) hay phối hợp với các TN thật ở một số giai đoạn trong quá trình tổ chứchoạt động nhận thức cho HS

Thứ ba, máy vi tính có thể được sử dụng để trình bày lại các TN thực đã đượcchụp ảnh hoặc quay phim Nhờ việc xây dựng các chương trình phù hợp ta có thể sửdụng thư viện các trạnh ảnh và phim TN này theo những mục đích dạy học mongmuốn mà các phương tiện khác trước đây không thể làm được [24]

Như vậy, đối với các TN cần khảo sát định lượng, máy vi tính có thể hỗ trợtrong giai đoạn thu thập, lưu trữ số liệu; tính toán xử lí số liệu; biểu diễn, hiển thị kếtquả của TN một cách nhanh chóng, trực quan, khoa học Còn đối với các TN địnhtính, máy vi tính có thể hỗ trợ nhằm trực quan hóa hoặc mô phỏng lại hiện tượng xảy

ra trong TN

Trong dạy học vật lí, máy vi tính không chỉ hỗ trợ TN một cách thuần túy nhưtrên mà còn được sử dụng phối hợp với bài giảng điện tử và các phương tiện dạy họchiện đại khác Do đó, máy vi tính vừa hỗ trợ TN vừa hỗ trợ cho chính GV và HStrong quá trình hoạt động nhận thức

Tùy thuộc vào mục tiêu, nội dung dạy học cụ thể, phương pháp và hình thức tổchức dạy học của GV mà máy vi tính có thể được sử dụng để hỗ trợ TN vật lí theo 3hình thức sau đây:

- Sử dụng máy vi tính hỗ trợ các TN thực trong việc tiến hành TN và tổ chứchoạt động nhận thức;

- Sử dụng TN ảo và mô phỏng;

- Sử dụng máy vi tính trong trực quan hóa các TN truyền thống, khó quan sát [9].Sau đây, chúng tôi sẽ tìm hiểu cụ thể hơn các loại TN với sự hỗ trợ của máy vitính và khả năng sử dụng nó trong dạy học vật lí ở trường phổ thông

1.3.3 Các loại thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tính

1.3.3.1 Thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo

TN mô phỏng và TN ảo là những thuật ngữ mới được đưa vào dạy học trongnhững năm gần đây Trên thực tế tồn tại những cách hiểu khác nhau về các kháiniệm này Để hiểu đúng đặc điểm, chức năng và quan trọng hơn là để sử dụng đúng,khai thác có hiệu quả chức năng của chúng trong tổ chức hoạt động nhận thức cho

HS, trước hết, các khái niệm này cần được làm rõ

a Các khái niệm thí nghiệm mô phỏng, thí nghiệm ảo

Theo Đại từ điển Tiếng Việt của Nguyễn Như Ý, mô phỏng là phỏng theo, lấylàm mẫu để tạo ra cái tương tự [29]

Trong vật lí, nhờ sự phát triển công nghệ máy tính và các công cụ tính toán,bên cạnh các phương pháp nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm, người ta đã xây dựngcác chương trình trên máy tính để mô phỏng các đối tượng nghiên cứu Việc mô

phỏng các đối tượng vật lí trong giai đoạn đầu cũng giống như phương pháp lí thuyết,nghĩa là cũng phải xây dựng mô hình giả định về đối tượng nghiên cứu Trongphương pháp nghiên cứu lí thuyết, mô hình giả định này bao gồm các mối quan hệgiữa các thuộc tính, đại lượng (cũng như phạm vi tồn tại của chúng…) của đối tượngnghiên cứu, chúng được mô tả bằng các tiên đề, các phương trình toán lí…Để biếtliệu các mô hình có phù hợp với đối tượng quan sát (trong thực tiễn) không, chúng taphải nắm được sự vận hành của mô hình và những tiên đoán cho biết từ mô hình.Từcác tiên đề, phương trình này, bằng suy luận, tính toán, người ta rút ra được các kếtluận, tiên đoán khoa học Tuy nhiên, trong rất nhiều trường hợp, ở phương phápnghiên cứu lí thuyết này, hoặc do công cụ, phương pháp hay thời gian còn hạn chếnên việc tính toán trên các biểu thức giải tích cho ta các kết quả biểu thị bằng các biểuthức giải tích phức tạp, không trực quan Trong trường hợp như vậy, thay cho tínhtoán lí thuyết trên các biểu thức giải tích, người ta xây dựng các chương trình để tínhtoán (và hiển thị kết quả) trên máy tính Ta gọi sự áp dụng tính toán (và hiển thị trênmáy tính) là mô phỏng bằng máy tính hay gọi tắt là mô phỏng Mô phỏng về thựcchất là quá trình xây dựng, đưa ra các kết quả có tính giả thuyết thông qua các “thínghiệm” trên mô hình, ở bình diện mô hình, nhờ máy tính [16].

Như vậy, mô phỏng có thể hiểu là một đối tượng hoặc hệ thống các đối tượngđược tạo ra trên máy vi tính mang đầy đủ các thuộc tính của một đối tượng hay hệthống đối tượng thực mà khi thao tác lên các đối tượng đó thì sẽ làm xuất hiện cácthuộc tính bên trong từng đối tượng hay mối quan hệ giữa các đối tượng đó Nhờ đó

mà người nghiên cứu hiểu được đối tượng riêng lẻ hoặc hệ thống đối tượng cầnnghiên cứu [9]

Tùy theo cơ sở xuất phát khác nhau mà kết quả mô phỏng sẽ khác nhau Nếuxuất phát từ các tiên đề hay mô hình được viết dưới dạng toán học (một cách địnhlượng) thì việc mô phỏng sẽ cho kết quả hoàn toàn định lượng Nếu xuất phát từ cácmối quan hệ có tính chất định tính thì kết quả chỉ mang ý nghĩa định tính Những kếtquả rút ra khi nghiên cứu trên các mô hình thông qua chương trình mô phỏng trênmáy tính là kết quả rút ra trong điều kiện lí tưởng Các điều kiện này được quy địnhkhi xây dựng nên mô hình [16]

Từ các quan niệm trên, TN mô phỏng được hiểu là các TN được xây dựng từcác dụng cụ và đối tượng mô phỏng trên cơ sở các đối tượng thực Khi tiến hành TNtrên các đối tượng mô phỏng đó sẽ thu được kết quả phù hợp với các quy luật nhưtrong các TN thực Do vậy, khi tiến hành các TN này, HS có thể khám phá đượcnhững thuộc tính, hay các mối quan hệ giữa các đối tượng [9].

Hình 1.2 TN mô phỏng đường sức từ

Theo Đại từ điển Tiếng Việt của Nguyễn Như Ý, ảo là giống như thật nhưngkhông phải là thật [29]

Hình 1.3 TN ảo nghiên cứu cặp nhiệt điện [26]

TN ảo là một loại sản phẩm đa phương tiện (multimedia), một loại phần mềmdạy học mô phỏng TN về hiện tượng, quá trình vật lí, hóa học, sinh học…nào đó xảy

ra trong tự nhiên, trong phòng TN, được tạo ra bởi sự tích hợp các dữ liệu dạng số

trên máy vi tính, có khả năng tương tác với người sử dùng và có giao diện thân thiệnvới người dùng [24].

Cũng như TN mô phỏng, TN ảo phải được hiểu đó là các dụng cụ TN ảo, cácđối tượng ảo như thực được tạo ra trong môi trường ảo của máy vi tính Khi tiếnhành làm TN trên các đối tượng ảo đó sẽ thu được kết quả như trong các TN thực.Nói ngắn gọn, TN ảo là TN vật lí tồn tại thực trong môi trường ảo do máy vi tínhtạo ra” [9], [24]

Về phương diện nào đó, có thể đồng nhất hai khái niệm TN mô phỏng với TN

ảo là một, bởi chúng đều là sản phẩm của các phần mềm trên máy vi tính và cùngchung mục đích là mô phỏng các TN thực xảy ra trong thế giới tự nhiên Suy chocùng, các đối tượng hay hệ thống đối tượng đó đều mô phỏng các đối tượng thựctrong thế giới tự nhiên Tuy nhiên, hình thức mô phỏng hoàn toàn khác nhau Các đốitượng trong TN mô phỏng chỉ là các kí hiệu, mô hình khác xa đối tượng thực Cácđối tượng đó chỉ đủ sức tạo ra một “vi thế giới” chứ chưa đử sức để tạo ra một thếgiới ảo Ngược lại, các đối tượng, thiết bị, các dụng cụ được sử dụng trong TN ảo rấtgiống hoặc gần giống với các đối tượng, thiết bị, dụng cụ trong thực tế Chính vì vậy,

sự phân biệt hai khái niệm: TN mô phỏng, TN ảo vẫn là cần thiết trong dạy học TN

ảo rất cần cho HS tiểu học và trung học cơ sở khi mà trình độ tư duy của HS chưathật cao [9], [24]

Tóm lại, tiêu chí để phân biệt TN ảo với TN mô phỏng đó là TN ảo phải đạttrình độ mô phỏng như thật, không những mô tả chính xác mối quan hệ cả định tính

và định lượng như trong TN thật mà còn ở phương diện đồ họa phải giống như thật

Như vậy, khái niệm TN mô phỏng, TN ảo đã được tìm hiểu và phân biệt TN

mô phỏng và TN ảo được sử dụng ngày càng nhiều trong dạy học vật lí, chúng cónhững vai trò nhất định trong tổ chức hoạt động nhận thức cho HS

b Sử dụng thí nghiệm mô phỏng, thí nghiệm ảo trong dạy học vật lí

TN ảo và TN mô phỏng về nguyên tắc không thể thay thế được TN thực trongquá trình dạy học Tuy nhiên, đây là một trong các giải pháp ứng dụng CNTT vàodạy học vật lí rất hiệu quả được nhiều nước đang dùng [9], [24] Như đã trình bày ởtrên, TN ảo và TN mô phỏng thực chất đều là các mô phỏng trong môi trường ảo củamáy vi tính về các TN thực Chúng chỉ khác nhau về trình độ mô phỏng, còn về bản

chất, có thể phân làm hai loại: mô phỏng định tính và mô phỏng định lượng Ứng vớitừng loại TN mô phỏng, trong dạy học vật lí, người ta sử dụng chúng với những mụcđích khác nhau.

TN mô phỏng định lượng có thể sử dụng nhằm hai mục đích:

- Minh họa các hiện tượng, quá trình, trạng thái vật lí …của đối tượng nghiêncứu không thể quan sát hay khó tưởng tượng một cách trực quan để HS hình dungđúng, chính xác hiện tượng, quá trình, mối liên hệ vật lí…cần nghiên cứu;

- Mô phỏng các hiện tượng, quá trình, trạng thái vật lí…của đối tượng nghiêncứu trong phạm vi mà phương pháp nghiên cứu lí thuyết hay thực nghiệm chưa thểnghiên cứu được (vì lí do nào đó), để dự đoán các hiện tượng, quá trình, trạng thái vật

lí mới [16]

TN mô phỏng định tính trong dạy học vật lí chỉ nhằm mục đích minh họa cáchiện tượng, quá trình, trạng thái vật lí…của đối tượng nghiên cứu không thể quan sáthay khó tưởng tượng một cách trực quan, qua đó giúp HS hình dung đúng hiệntượng, quá trình, mối liên hệ vật lí…cần nghiên cứu [16]

Trong dạy học vật lí, sử dụng TN ảo và mô phỏng với những mục đích rõ ràngnhư trên sẽ khai thác được khả năng và phát huy được những ưu thế của các TN này

Trước hết, TN ảo và TN mô phỏng giúp GV và HS tiến hành các TN một cáchchủ động và rất tiện lợi trong quá trình tự học của HS vì không phải vào phòng TN.Các TN đó có thể thực hiện ngay trên lớp học, trong giờ học ngoại khóa hoặc thưviện, ở nhà…[9], [24]

Để thực hiện TN, GV và HS không phải mất nhiều thời gian chuẩn bị như khithực hiện các TN thực ở phòng TN Tất cả các TN đều bảo đảm thành công ngay.Tính thân thiện của các TN ảo và mô phỏng được tiết kế ngày càng phù hợp vớingười sử dụng [9], [24]

Việc sử dụng TN ảo và mô phỏng tỏ ra rất có hiệu quả trong các điều kiệnthiếu trang thiết bị TN; các thiết bị TN đắt tiền, dễ hỏng, các thiết bị nguy hiểm nhưcháy, nổ, điện áp cao, phóng xạ…; các TN mà thời gian quán sát quá dài hoặc quángắn; các TN mà rất khó thực hiện thành công…[9], [24]

Ngoài ra, đối với GV, TN ảo và mô phỏng có thể sử dụng ở các giai đoạn khácnhau của quá trình tổ chức hoạt động nhận thức cho HS Chẳng hạn như giai đoạn đềxuất vấn đề, tìm tòi giải quyết vấn đề (phần mềm mô phỏng có thể được xây dựng để

HS nghiên cứu tương tự như tiến hành TN thực và qua đó giúp HS đưa ra giả thuyết),giai đoạn củng cố và vận dụng kiến thức mới Lúc đó, việc sử dụng TN ảo và môphỏng sẽ tiết kiệm thời gian, HS có được sự hình dung trực quan, rõ ràng, hứng thú họctập của các em được kích thích

Mặc dù với sự phát triển nhanh của CNTT, các TN ảo và mô phỏng được thiết

kế ngày càng linh hoạt và mềm dẻo, đảm bảo tính thẩm mĩ, khoa học, sư phạm…nhưng dù sao nó vẫn chỉ là các mô phỏng máy tính Các TN ảo và mô phỏng phù hợpvới sự phát triển các kĩ năng thao tác trí tuệ TN ảo không phản ánh hết các biến cố của

TN thực và không thao tác trên các dụng cụ có thật nên TN ảo khó hình thành kĩ năng,

kĩ xảo thực hành cho HS và không thể thay thế hoàn toàn TN thật Việc sử dụng TN

mô phỏng, TN ảo vào dạy học vật lí không phải bao giờ cũng tạo được niềm tin vữngchắc cho HS [9], [24] Vì vậy, chúng ta cần tuân thủ nguyên tắc là chỉ sử dụng TN ảo

và mô phỏng khi nào TN thực không thể tiến hành được Ngoài ra, việc sử dụng phốihợp TN thực với TN ảo và TN mô phỏng cần được nghiên cứu nhằm phát huy ưu thếcủa các loại TN để hỗ trợ, bổ sung cho nhau trong quá trình dạy học

1.3.3.2 Thí nghiệm ghép nối với máy vi tính

Trong các ứng dụng của máy vi tính vào dạy học vật lí thì việc sử dụng máy vitính hỗ trợ các TN vật lí thực được ghép nối với máy vi tính là một trong các ứngdụng đặc trưng nhất của nó Hình 1.4 biểu thị một thiết bị TN được ghép nối với máy

vi tính để nghiên cứu từ trường Trái Đất

Hình 1.4 TN đo từ trường Trái Đất

Đối tượng đo

(Thí nghiệm)

Bộ cảm biến(Sensor) Bộ ghép tương thích (Interface)Máy vi tính và phần mềmMàn hình hiển thị

Để hỗ trợ được các TN vật lí thì máy vi tính cần được ghép nối với các thiết

bị TN Dưới đây là sơ đồ hệ thống thiết bị TN ghép nối với máy vi tính về mặtnguyên tắc

Hình 1.5 Sơ đồ khối TN vật lí ghép nối máy vi tính [15]

Theo sơ đồ này, việc thu thập các số liệu đo về đối tượng nghiên cứu đượcđảm nhiệm bởi bộ cảm biến Nguyên tắc làm việc của bộ cảm biến như sau: trong

bộ cảm biến, các tương tác của đối tượng đo lên bộ cảm biến dưới các dạng khácnhau như cơ, nhiệt, điện, quang, từ…đều được chuyển thành tín hiệu điện Mỗi một

bộ cảm biến nói chung chỉ có một chức năng hoặc chuyển tín hiệu cơ sang tín hiệuđiện hoặc chuyển tín hiệu quang sang tín hiệu điện Vì vậy, ứng với từng phép đokhác nhau mà người ta phải dùng các bộ cảm biến khác nhau

Sau khi tín hiệu điện được hình thành tại bộ cảm biến, nó sẽ được chuyểnqua dây dẫn đến bộ phận tiếp theo là bộ ghép tương thích Tại thiết bị ghép tươngthích này, các tín hiệu điện sẽ được số hoá một cách hợp lí để đưa vào máy vi tính.Các tín hiệu đă được số hoá này được coi là cơ sở dữ liệu và có thể lưu trữ lâu dàitrong máy vi tính

Sau khi các tín hiệu đã được số hoá, có thể sử dụng máy vi tính (đã cài đặtphần mềm thích hợp) để tính toán, xử lí các tín hiệu số này theo mục đích của ngườinghiên cứu Ví dụ như ta có thể lập bảng số liệu về mối quan hệ giữa các đại lượng

mà bộ cảm biến đã thu thập được hay vẽ đồ thị về mối quan hệ này, hoặc xử lí tùytheo ý muốn nếu phần mềm cho phép Thường thì các chuyên gia khi viết phầnmềm đã lường hết tất cả các thuật toán mà người nghiên cứu có thể dùng đến để đưa

nó vào nội dung của phần mềm cài đặt trong máy vi tính

Các bước tiến hành một TN ghép nối với máy vi tính như sau:

- Tiến hành TN để có thể quan sát được (bằng mắt hay bằng các phương tiện

hỗ trợ) hiện tượng, quá trình vật lí cần nghiên cứu;

- Thu thập số liệu đo;

- Xử lí số liệu đo (thông qua tính toán, đối chiếu, so sánh ) và trình bày kếtquả xử lí;

- Từ các kết quả xử lí đó, tìm ra (trong TN khảo sát) hay chứng tỏ (trong TNminh hoạ) sự tồn tại các mối quan hệ có tính qui luật trong hiện tượng, quá trìnhđang nghiên cứu [15]

Cùng có một tiến trình như nhau, song trong TN được hỗ trợ bằng máy vitính có nhiều công việc được tiến hành hoàn toàn tự động theo một chương trình đãđịnh sẵn Do đó, TN được hỗ trợ bằng máy vi tính có một số ưu điểm sau:

- Có tính trực quan cao hơn trong việc trình bày số liệu đo, hiển thị kết quả;

- Tiết kiệm thời gian do thu thập, xử lí số liệu hoàn toàn tự động;

- Cho phép thu thập nhiều bộ dữ liệu thực nghiệm trong thời gian rất ngắn(đó là một yều cầu quan trọng trong nghiên cứu thực nghiệm);

- Độ chính xác cao của các số liệu đo cũng như kết quả tính toán cuối cùng

do sử dụng các thiết bị hiện đại và phương pháp tính hiện đại [15]

Trong dạy học vật lý, TN vật lý là một khâu quan trọng không thể thiếuđược Khi tiến hành TN nhằm nghiên cứu một định luật, quá trình vật lý nào đó thì

đồ thị thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng trong định luật, quátrình đó có vai trò hết sức quan trọng Dựa vào đồ thị, chúng ta không những có thểgiải thích được diễn biến của hiện tượng, quá trình vật lý mà điều quan trọng hơn làchúng ta có thể dễ dàng phát hiện và dự đoán mối quan hệ có tính quy luật giữa cácđại lượng Trong nhiều trường hợp, mối quan hệ này có thể được biểu diễn bởi cáchàm số toán học đã biết và có thể phát biểu thành định luật vật lý Để có thể vẽđược đồ thị thực nghiệm thì đòi hỏi phải thu thập được một số lượng lớn dữ liệu từviệc đo đạc, tính toán và đòi hỏi rất nhiều thời gian vì vậy mà cho dù có muốn thìcũng không thể thực hiện được trên lớp trong giờ học chính khóa với các dụng cụ

TN truyền thống Vì vậy, để có thể tạo điều kiện tổ chức cho HS hoạt động hoạtđộng tự chủ chiếm lĩnh kiến thức đòi hỏi phải có các phương tiện dạy học giúp HS

có thể nhanh chóng thu thập được dữ liệu thực nghiệm, vẽ được đồ thị biểu diễnmối quan hệ giữa các đại lượng làm cơ sở cho hoạt động tư duy như phân tích, sosánh, khái quát hóa và dự đoán xây dựng giả thuyết [15] TN với sự hỗ trợ của máy

vi tính là một phương án khả thi và hiệu quả để giải quyết khó khăn trên

Ngoài ra, do việc thu thập và xử lý số liệu, hiển thị kết quả của các TN ghépnối với máy tính rất nhanh chóng nên tạo điều kiện về mặt thời gian để tăng cườngcác hoạt động tư duy sáng tạo của HS như đề xuất dự đoán, xây dựng giả thuyết.

Như vậy, TN ghép nối với máy vi tính là một giải pháp hỗ trợ TN khá toàndiện và hữu hiệu Đây là một hướng hỗ trợ TN được nhiều nước trên thế giới nghiêncứu, thử nghiệm và áp dụng vào dạy học vật lí Ở nước ta, đây là vấn đề tương đốimới mẻ và chưa được ứng dụng đại trà trong dạy học vật lí ở trường phổ thông Vìvậy, việc nghiên cứu khả năng và sử dụng TN ghép nối với máy vi tính vào quátrình tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học vật lí ở trường phổ thông làvấn đề có ý nghĩa thực tiễn Đặc biệt là trong xu thế hội nhập và toàn cầu hóa hiệnnay, HS Việt Nam cần được tiếp cận những thành tựu mới của khoa học kĩ thuậttiên tiến Sử dụng TN ghép nối với máy vi tính sẽ góp phần giúp các em làm quenvới các phương pháp, phương tiện khảo sát, đo đạc, các thiết bị TN hiện đại

1.3.3.3 Trực quan hóa thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tính

Theo Từ điển Từ và ngữ Việt Nam của GS Nguyễn Lân, trực quan là nói đếnphương pháp giảng dạy dùng những vật cụ thể để tác động trực tiếp đến các giácquan của HS [13] Do đó, có thể hiểu vắn tắt, trực quan là nói đến tính chất tác độngtrực tiếp lên các giác quan Phương tiện trực quan là phương tiện dạy học tác độngtrực tiếp lên giác quan HS

Trực quan hóa, theo Đại từ điển Tiếng Việt của Nguyễn Như Ý, là làm cho cótính trực quan, trở nên trực quan, trực tiếp [29]

TN là một phương tiện trực quan Tuy nhiên, trong một số trường hợp tínhtrực quan của nó chưa đáp ứng được hoặc chưa cao, ví dụ các TN diễn ra trên mặtphẳng ngang (TN giao thoa sóng nước, từ phổ…), TN nhỏ, khó quan sát (TN kimkhâu nổi trên mặt nước, sự định hướng kim nam châm, tương tác giữa hai dây dẫnmang dòng điện …); TN xảy ra trong điều kiện đặc biệt mà ở lớp học rất khó hoặckhông thể tiến hành được (các TN quang học trong buồng tối, TN về từ trường dòngđiện ba pha…) Trong những trường hợp như vậy, việc sử dụng máy vi tính kết hợpvới các phương tiện dạy học khác như camera, máy chiếu đa chức năng…có thể trựcquan hóa hoặc nâng cao tính trực quan của TN Điều đó giúp cho HS quán sát các đốitượng, diễn biến của TN rõ ràng hơn

Hình 1.6 Từ phổ của dòng điện trong ống dây

Máy vi tính cho phép người sử dụng thâm nhập vào các quá trình trực quanhóa như làm nhanh, làm chậm, phóng to, thu nhỏ, chuyển từ nội dung này sang nộidung khác…và các hiệu ứng về màu sắc, âm thanh…Máy vi tính có thể giúp GV lặplại, trình chiếu các hình ảnh, video clip với số lần tùy ý, điều đó tạo ra khả năng linhhoạt trong dạy học Máy vi tính không chỉ tạo ra các hình ảnh, các vật thật mang tínhtrực quan gây ấn tượng mạnh mẽ và cuốn hút HS mà còn tạo tính trực quan từ các TNthực hoặc TN ảo, TN mô phỏng do chính máy vi tính tạo ra Khi các yếu tố không cơbản được gạt bỏ, HS sẽ dễ dàng phát hiện bản chất của sự vật, hiện tượng cần nghiêncứu [9]

Ngoài ra, việc trực quan hóa TN vật lí không chỉ trong lúc tiến hành TN mà còn ởgiai đoạn giới thiệu dụng cụ TN, bố trí TN Với máy vi tính và máy chiếu đa chứcnăng, GV có thể giới thiệu nhanh, gọn, rõ ràng các dụng cụ TN cũng như việc bố trí

TN để cả lớp có thể theo dõi Do đó, HS được tạo điều kiện thuận lợi để hiểu vai trò,tác dụng của các dụng cụ TN và việc lắp ráp chúng trong TN Điều này rất là hiệuquả trong những trường hợp GV hướng dẫn hoặc làm mẫu TN, HS tiến hành TNđồng loạt

Như vậy, với sự hỗ trợ của máy vi tính và các phương tiện dạy học khác, sẽlàm tăng tính trực quan của TN vật lí Sự hỗ trợ đó góp phần giúp cho TN làm tốt hơncác chức năng của mình trong tổ chức hoạt động nhận thức cho HS Bên cạnh đó,trực quan hóa TN tạo điều kiện cho HS dễ nắm bắt hiện tượng, quá trình diễn ra trong

TN, kích thích hứng thú học tập của các em

Vận dụng

Sử dụng TN với sự hỗ trợ của máy vi tính đề xuất vấn đề

Sử dụng TN với sự hỗ trợ của máy vi tính giải quyết

vấn đề

Sử dụng TN với sự hỗ trợ của máy vi tính củng cố, vận dụng kiến thức

1.4 Tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh với việc sử dụng thí nghiệm có

sự hỗ trợ của máy vi tính trong dạy học vật lí

Trên cơ sở nghiên cứu lí luận về tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh

trong dạy học vật lí, chức năng của thí nghiệm và khả năng hỗ trợ thí nghiệm của

máy vi tính, chúng tôi xin đề xuất tiến trình tổ chức hoạt động nhận thức cho học

sinh với việc sử dụng thí nghiệm có sự hỗ trợ của máy vi tính như sau:

Hình 1.7 Tiến trình dạy học kiến thức vật lí có sử dụng thí nghiệm với sự hỗ trợ

của máy vi tínhTrong tiến trình trên, hoạt động dạy học được tổ chức theo chiến lược giải

quyết vấn đề TN với sự hỗ trợ của máy vi tính được sử dụng trong các giai đoạn đề

xuất vấn đề, giải quyết vấn đề và củng cố, vận dụng kiến thức Ở giai đoạn đề xuất

vấn đề, GV có thể sử dụng các TN được trực quan hóa Giai đoạn giải quyết vấn đề,

GV nên sử dụng các TN ghép nối máy tính hoặc TN được trực quan hóa còn TN ảo

và mô phỏng nên hạn chế sử dụng Giai đoạn củng cố và vận dụng kiến thức, GV có

thể dùng TN được trực quan hóa, TN ảo và mô phỏng vì có nhiều ưu thế

Tùy vào nội dung kiến thức cần xây dựng mà có thể sử dụng TN với sự hỗ

trợ của ở một vài hoặc tất cả các giai đoạn trên Ngoài ra, GV cũng nên phối hợp

TN với sự hỗ trợ của máy vi tính với TN thực nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng thínghiệm trong dạy học.

1.5 Kết luận chương 1

Trong chương 1, trên cơ sở của tâm lí học và lí luận dạy học, chúng tôi đãtiến hành bổ sung và hệ thống hóa cơ sở lí luận về tổ chức hoạt động nhận thức cho

HS trong dạy học vật lí với sự hỗ trợ của máy vi tính trong TN Cụ thể là:

- Chúng tôi đã tìm hiểu khái niệm, đặc điểm của hoạt động nhận thức nóichung, mối liên hệ giữa sự học và hoạt động nhận thức của HS Cốt lõi của hoạtđộng học ở học ở HS chính là hoạt động nhận thức Vì vậy muốn cho quá trình họctập của HS có diễn ra có chất lượng cần thiết phải tổ chức hoạt động nhận thức cho

HS trong quá trình dạy học

- Nghiên cứu cơ sở khoa học của việc tổ chức hoạt động nhận thức cho HS,

đó chính là sự vận dụng chu trình sáng tạo khoa học của các nhà khoa học vào dạyhọc Trên cơ sở đó tìm hiểu việc tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy họcvật lí theo chiến lược dạy học giải quyết vấn đề Bởi vì chiến lược dạy học giảiquyết vấn đề có thể xâm nhập vào hầu hết các phương pháp dạy học và làm cho tínhchất của chúng trở nên tích cực hơn Tổ chức hoạt động nhận thức theo chiến lượcgiải quyết vấn đề nhằm từng bước phát triển hoạt động học tích cực, tự chủ và nănglực sáng tạo của HS

- Trong tổ chức hoạt động nhận thức cho HS, TN vật lí đóng vai trò đặc biệtquan trọng, không thể thay thế Tuy nhiên, vẫn còn những khó khăn và hạn chế nhấtđịnh khi sử dụng TN trong tổ chức hoạt động nhận thức cho HS Những khó khăn

đó là thiếu những TN định lượng với độ chính xác cao; sự hạn chế về thời giantrong khuôn khổ tiết học không cho phép làm đầy đủ các TN; do hiện tượng khảosát quá phức tạp, không dễ gì đơn giản hóa được, hay các hiện tượng vật lí xảy raquá nhanh hoặc quá chậm, tính trực quan một số TN chưa cao gây khó khăn choviệc quan sát, thu thập số liệu Vì vậy, việc nghiên cứu khai thác, sử dụng TN với

sự hỗ trợ của máy vi tính là cần thiết

- Máy vi tính và các phần mềm tin học với những khả năng ưu việt và ngàycàng mở rộng, có thể được dùng để hỗ trợ TN vật lí Đối với các TN cần khảo sátđịnh lượng, máy vi tính có thể hỗ trợ trong giai đoạn thu thập, lưu trữ số liệu; tính

toán xử lí số liệu; biểu diễn, hiển thị kết quả của TN một cách nhanh chóng, trựcquan, khoa học Với các TN định tính, máy vi tính có thể hỗ trợ nhằm trực quan hóahoặc mô phỏng lại hiện tượng xảy ra trong TN Những hình thức hỗ trợ TN của máy

vi tính trong dạy học vật lí là TN ghép nối máy tính, TN ảo và mô phỏng, trực quanhóa các TN

- Về mặt nguyên tắc, không gì có thể thay thế hoàn toàn TN thực trong dạyhọc vật lí, ngay cả những TN ảo được thiết kế tốt nhất TN với sự hỗ trợ của máy vitính được khai thác, sử dụng có thể góp phần khắc phục các khó khăn và hạn chếkhi sử dụng TN và các phương tiện dạy học truyền thống trong tổ chức hoạt độngnhận thức cho HS Ngoài ra, nó còn có tác dụng kích thích hứng thú học tập, tíchcực hóa hoạt động nhận thức HS

- Có thể tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học vật lí với việc sửdụng TN với sự hỗ trợ của máy vi tính ở trong các giai đoạn đề xuất vấn đề, giảiquyết vấn đề và củng cố, vận dụng kiến thức

Chương 2 KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA MÁY VI TÍNH TRONG TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG NHẬN THỨC

CHO HỌC SINH 2.1 Đặc điểm phần Từ trường trong chương trình vật lí nâng cao THPT

2.1.1 Cấu trúc chương và chuẩn kiến thức, kĩ năng

Cấu trúc chương Từ trường gồm 12 bài học, trong đó 9 bài học lí thuyết, 2bài học bài tập và 1 bài học thực hành Các bài đó được giảng dạy trong 14 tiết, gồm

11 tiết lí thuyết, 2 tiết bài tập và 1 tiết thực hành

Hình 2.1 Cấu trúc lôgic chương Từ trườngChuẩn kiến thức, kĩ năng của chương Từ trường chỉ ra mức độ cần đạt của

HS như sau:

Về kiến thức:

- Nêu được từ trường tồn tại ở đâu, có tính chất gì;

- Nêu được các đặc điểm của từ đường sức từ của thanh nam châm thẳng, của namchâm chữ U, của dòng điện thẳng dài, của ống dây có dòng điện chạy qua;

- Phát biểu được định nghĩa và nêu được phương, chiều của cảm ứng từ tại mộtđiểm của từ trường Nêu được đơn vị đo cảm ứng từ.

- Viết được công thức tính cảm ứng từ tại một điểm của từ trường gây bởi dòng điệnthẳng dài vô hạn, tại tâm của dòng điện tròn và tại một điểm trong lòng ống dây códòng điện chạy qua;

- Viết được công thức tính lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng có dòng điệnchạy qua đặt trong từ trường đều;

- Nêu được lực Lo-ren-xơ là gì và viết được công thức tính lực này [12]

- Xác định được vectơ lực từ tác dụng lên một đoạn dây dẫn thẳng có dòng điện chạyqua được đặt trong từ trường đều;

- Xác định được độ lớn và chiều của mômen lực từ tác dụng lên một khung dây dẫnhình chữ nhật (các cạnh của khung dây này vuông góc với các đường sức từ) có dòngđiện chạy qua được đặt trong từ trường đều;

- Xác định được độ lớn, phương, chiều của lực Lo-ren-xơ tác dụng lên một điện tích

q chuyển động với vận tốc v trong mặt phẳng vuông góc với các đường sức củamột từ trường đều [12]

2.1.2 Những khó khăn gặp phải khi dạy học phần Từ trường

Theo các tác giả Nguyễn Phúc Thuần [20], Lê Công Triêm, Nguyễn ThúcTuấn [22], phần Từ trường có những nội dung kiến thức trừu tượng (khái niệm từtrường, nguyên lí chồng chất từ trường), khó (cảm ứng từ, lực từ, lực Lo-ren-xơ…),những kiến thức về ứng dụng vật lí khá phức tạp (điện kế khung quay, động cơ điện,lái chùm tia điện tử…) Do đó, việc xây dựng, hình thành các kiến thức gặp nhiềukhó khăn Để tìm hiểu cụ thể những khó khăn đó, chúng tôi đã thiết kế bộ câu hỏiđiều tra và tiến hành điều tra đối với giáo viên vật lí Trường THPT Chuyên Quảng

Bình và Trường THPT Trần Hưng Đạo Nội dung điều tra tập trung vào hai vấn đề:những khó khăn gặp phải khi dạy học phần Từ trường và thực trạng việc khai thác, sửdụng thí nghiệm khi dậy học phần Từ trường Kết quả điều tra cho thấy :

Thứ nhất, có những khái niệm (chẳng hạn như cảm ứng từ, lực từ) không thểhoàn chỉnh trong nội dung một bài học mà phải trải qua nhiều giai đoạn, ở nhiều bàihọc khác nhau Thế nên việc tiếp thu khái niệm của HS không thể hoàn thành trongphạm vi một tiết học, bài học HS cần phải có tư duy tổng hợp và khái quát hóa tốtmới hiểu đầy đủ về khái niệm Vì vậy, trong tổ chức hoạt động nhận thức cho HS,

GV phải rất chú ý đến lô gic hình thành kiến thức xuyên suốt trong nhiều bài học.Trong mỗi bài học, GV phải biết vận dụng dạy học giải quyết vấn đề từng phần nhằmxây dựng từng bước khái niệm

Thứ hai, do nội dung kiến thức trừu tượng nên cần khai thác tối đa các phươngtiện, TN để hỗ trợ trực quan Một số khái niệm cần được hoàn chỉnh về mặt địnhlượng, do đó phải tiến hành các TN khảo sát định lượng Tuy nhiên, các TN nàykhông phải lúc nào cũng có thể đáp ứng được Phần vì hiện tượng khó hoặc khôngthể xảy ra trong lớp học (hiện tượng cực quang), phần vì yêu cầu cao về mặt côngnghệ chế tạo (TN khảo sát lực từ, đo từ trường Trái đất), phần vì giới hạn thời giancủa tiết học không cho phép hoặc do tính trực quan của TN chưa cao… Thực chấtkhó khăn này là do tính trừu tượng và phức tạp của kiến thức gây ra Vì vậy, cần sự

hỗ trợ của máy vi tính trong các TN nhằm đơn giản hóa hiện tượng, trực quan hóa

TN, hỗ trợ đo và xử lí số liệu nhanh chóng, chính xác

Thứ ba, có nhiều TN trong sách giáo khoa (SGK) có đề cập đến nhưng trênthực tế không được trang bị GV chỉ có thể tự tạo một số TN, vì thế vẫn còn nhữngnội dung dạy chay, mô tả lại SGK Bên cạnh đó, có những kiến thức không thể hìnhthành bằng con đường lí thuyết (vì cần các công cụ tính toán cao cấp, phức tạp) màcũng khó có thể khảo sát thực nghiệm để đưa ra các biểu thức giải tích Các TN minhhọa hoặc kiểm chứng trong trường hợp này sẽ củng cố niềm tin về kiến thức cho các

em Ví dụ kiến thức từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giản, biểu thức cảmứng từ đưa ra ở đây buộc HS phải thừa nhận Để giảm tính áp đặt này, sau khi đưa rabiểu thức cảm ứng từ, nên có các TN minh họa Tuy nhiên, ở trường phổ thông, chưa

có TN nào có thể đo trực tiếp độ lớn cảm ứng từ Tóm lại, khó khăn này là nội dung

kiến thức được trình bày trong SKG theo kiểu có TN nhưng trong thực tế dạy học,

TN đó không được trang bị

Trên đây là những khó khăn gặp phải khi hình thành kiến thức cho HS, bêncạnh đó, việc hình thành, rèn luyện hệ thống kĩ năng của chương cũng có nhữngkhó khăn nhất định

Như đã chỉ ra ở Mục 2.1.1, các kĩ năng của chương này chủ yếu là việc xácđịnh phương, chiều của cảm ứng từ, lực từ và việc biểu diễn đường sức từ Những

kĩ năng này đòi hỏi HS cần có được sự hình dung về mặt không gian, nhớ và vậndụng được các quy tắc vào từng trường hợp cụ thể Bởi vì với các dòng điện (haynam châm) có dạng khác nhau thì cảm ứng từ của chúng, nói chung cũng được xácđịnh bới những quy tắc khác nhau Trong thực tế, nhiều HS học thuộc lòng các địnhnghĩa, quy tắc nhưng khi vận dụng để xác định phương, chiều của cảm ứng từ, lực

từ thì lại lúng túng, thậm chí không xác định được Vì vậy, trong dạy học, HS cầnđược giới thiệu các quy tắc một cách trực quan, có các TN minh họa để HS tintưởng vào các quy tắc và vận dụng được quy tắc

2.1.3 Khả năng hỗ trợ thí nghiệm của máy vi tính trong phần Từ trường

Trên cơ sở thực tiễn dạy học của bản thân và kết quả điều tra đối với GV,chúng tôi đã nêu ra một số khó khăn gặp phải khi dạy học phần Từ trường Trướcnhững khó khăn đó, chúng tôi thấy rằng, sử dụng máy vi tính vào quá trình dạy họcnói chung hay dùng để hỗ trợ TN có thể góp phần khắc phục một số khó khăn trên

2.1.3.1 Dùng máy vi tính trực quan hóa thí nghiệm

Các TN khó tiến hành trên lớp hoặc các TN khó quan sát có thể dùng camera

để chụp ảnh, quay phim và dùng máy chiếu để trình chiếu Một số TN ở trường phổthông không trang bị, GV khai thác và trình chiếu hình ảnh, video clip TN đó cho HSquan sát Trong phần Từ trường, các TN này là: TN tương tác hai dây dẫn mang dòngđiện, TN tạo tình huống để nghiên cứu phương chiều lực từ, TN về phương và chiềulực từ tác dụng lên đoạn dòng điện, TN từ phổ, hiện tượng cực quang, TN lực Lo-ren-

xơ, TN về sự tồn tại nhiệt độ Quy-ri…

Dùng máy vi tính hỗ trợ giới thiệu dụng cụ, bố trí các TN cũng như trình bàyquy tắc bàn tay trái, quy tắc bàn tay phải một cách trực quan

2.1.3.2 Dùng máy vi tính xây dựng, trình chiếu các thí nghiệm mô phỏng, thí nghiệm ảo

Về việc xây dựng đường sức từ, nếu không dùng TN thì HS không hiểu ýnghĩa và cách xây dựng Tuy nhiên để tiến hành TN này, GV phải tiến hành rất côngphu và phức tạp nhưng HS cũng khó hình dung rõ ràng vì thiếu các đường sức từ vẽ

ra trong không gian Do đó, có thể sử dụng TN mô phỏng để minh họa cho HS cáchxây dựng

Tương tự, khi nghiên cứu lực từ tác dụng lên khung dây dẫn mang dòng điện,

HS cũng khó vẽ các lực từ tác dụng lên khung dây Nếu dùng TN thật thì chiều dòngđiện cũng không trực quan, do đó dùng TN mô phỏng ở đây để mô tả lực từ tác dụnglên khung dây ở tất cả các vị trí một cách rõ ràng

Ngoài ra có thể mô phỏng lại các tương tác từ, cấu tạo và nguyên lí hoạt độngcủa động cơ điện một chiều…thông qua các TN mô phỏng

2.1.3.3 Dùng máy vi tính xây dựng các thí nghiệm thực ghép nối máy vi tính

Sử dụng bộ thí nghiệm của hãng Passco và phần mềm DataStudio, có thể xâydựng các thí nghiệm ghép nối máy vi tính Trong phần Từ trường, có thể dùng máy vitính hỗ trợ TN khảo sát lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện, TN khảo sát từtrường của Trái Đất

TN khảo sát lực từ tác dụng lên đoạn dây dẫn mang dòng điện với sự hỗ trợcủa máy vi tính giúp cho quá trình thu thập và xử lí số liệu nhanh chóng, hiển thị kếtquả dưới dạng các bảng số liệu và đồ thị trực quan Vì vậy, HS dễ dàng phát hiện quyluật vật lí trong đó, đặc biệt là quy luật về sự phụ thuộc vào góc giữa cảm ứng từ vàhướng dòng điện

TN khảo sát từ trường Trái đất với sự hỗ trợ của máy vi tính có độ chính xáccao và thu được thông tin khá đầy đủ về từ trường Trái đất tại nơi làm TN, điều mà

bộ TN ở trường phổ thông chưa làm được

2.2 Quy trình khai thác và sử dụng thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tính trong tổ chức hoạt động nhận thức cho sinh

Để khai thác và sử dụng TN với sự hỗ trợ của máy vi tính, đầu tiên, chúng taphải xác định mục tiêu bài học thông qua nghiên cứu SGK và chuẩn kiến thức kĩ

Giảng dạy với tiến trình dạy học đã thiết kế

Nghiên cứu SGK, chuẩn kiến thức, kĩ năng để xác định mục tiêu của bài học

Dự kiến những khó khăn gặp phải trong dạy học và trong các TN

Nghiên cứu khả năng hỗ trợ của máy vi tính trong các TN cụ thể cũng như trong quá trình tổ chức hoạt động nhận thức cho HS

Khai thác (hoặc xây dựng) các TNThiết kế tiến trình dạy học trong đó có sử dụng các TN với sự hỗ trợ của máy vi tính

Xác định các TN cần sử dụng trong bài học

năng Tiếp theo, GV phải xác định các TN cần sử dụng trong bài học Sau đó, dự kiến

những khó khăn gặp phải khi thực hiện mục tiêu đó, đặc biệt là các khó khăn trong

khai thác và sử dụng TN Tiếp đến, GV nghiên cứu khả năng hỗ trợ của máy vi tính

trong các TN cũng như trong quá trình tổ chức hoạt động nhận thức cho HS Trên cơ

sở những khả năng đó, GV khai thác hoặc xây dựng các TN với sự hỗ trợ của máy vi

tính và thiết kế tiến trình dạy học tương ứng để sử dụng các TN đó Cuối cùng, GV

giảng dạy theo tiến trình đã thiết kế Sau tiết dạy, GV có thể bổ sung những khó khăn

gặp phải trong thực tế, từ đó xây dựng, khai thác thêm các TN khác hoặc điều chỉnh

tiến trình dạy học cho các tiết dạy sau tốt hơn Quy trình khai thác và sử dụng TN với

sự hỗ trợ của máy vi tính trong tổ chức hoạt động nhận thức cho HS có thể tóm tắt

bằng sơ đồ sau:

Hình 2.2 Quy trình khai thác, sử dụng TN với sự hỗ trợ của máy vi tính trong dạy

học vật lí

Hình 2.3 TN tương tác giữa hai dây dẫn mang dòng điện

Với quy trình trên, sau khi nghiên cứu khả năng hỗ trợ của máy vi tính trongcác TN chương Từ trường, chúng tôi đã tiến hành xây dựng và khai thác được một số

TN Nguồn khai thác các TN mô phỏng và trực quan hóa nhờ máy tính đó là cáctrang web trên Internet, kho dữ liệu của các phần mềm, nguồn tư liệu của đồngnghiệp và các thầy giáo Các TN thực với sự hỗ trợ của máy vi tính được chúng tôixây dựng với bộ TN của hãng Passco và phần mềm DataStudio

2.3 Xây dựng, khai thác thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tính

2.3.1 Khai thác các thí nghiệm trực quan hóa nhờ máy vi tính

Vận dụng quy trình đã nêu trên, chúng tôi đã tiến hành khai thác được hơn 16hình ảnh TN và 58 video clip TN Sau đây là một số TN khai thác được và phương án

sử dụng chúng trong dạy học:

2.3.1.1 Thí nghiệm 1: Tương tác giữa hai dây dẫn mang dòng điện

a Mục tiêu sử dụng thí nghiệm: TN này nhằm mục đích khảo sát sự tương tác giữa

hai dây dẫn song song mang dòng điện đặt gần nhau Cụ thể, mục tiêu của TN là giúp

HS trả lời các câu hỏi:

1- Giữa hai dây dẫn mang dòng điện đặt gần nhau có tương tác hay không?

2- Chiều của lực tương tác đó phụ thuộc vào yếu tố nào?

b Phương án sử dụng thí nghiệm: TN được sử dụng để tổ chức cho HS tìm hiểu

khái niệm tương tác từ Với

sự hỗ trợ của máy vi tính,

đoạn phim TN được GV

điều khiển chiếu và dừng

đúng chỗ để giới thiệu dụng

cụ TN, yêu cầu HS dự đoán

hiện tượng, sau đó chiếu cho

HS quan sát Sau khi quan

sát, HS sẽ biết được là giữa

hai dây dẫn mang dòng điện

có tương tác, chiều của lực

tương tác đó phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy qua hai dây dẫn