thiết kế bộ thí nghiệm cơ học dùng cảm biến sonar và sử dụng trong dạy học chương “các định luật bảo toàn” lớp 10 trung học phổ thông

D ạng khái quát của sơ đồ biểu đạt logic của tiến trình khoa học KẾT LUẬN Thu được nhờ suy luận lí thuyết Thu được nhờ quan sát và thí nghiệm KẾT LUẬN Sơ đồ 2 Gi ải bài toán bằng suy

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

Lê Hoàng Anh Linh

THI ẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG

L ỚP 10 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS PHAN GIA ANH VŨ

Thành ph ố Hồ Chí Minh – 2013

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

Lê Hoàng Anh Linh

THI ẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG

L ỚP 10 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

Chuyên ngành: Lí lu ận và phương pháp dạy học môn Vật lí

Mã s ố: 60.14.10

N GƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS PHAN GIA ANH VŨ

Thành ph ố Hồ Chí Minh – 2013

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và

chưa từng được ai công bố trong bất kỳ luận văn nào khác

Người viết cam đoan

Lê Hoàng Anh Linh

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này, tác giả đã nhận được

sự quan tâm và giúp đỡ rất lớn từ quý Thầy cô, đồng nghiệp và gia đình Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến:

Thầy TS Phan Gia Anh Vũ – người trực tiếp hướng dẫn về mặt chuyên môn,

đã rất tận tâm chỉ dạy, truyền đạt kinh nghiệm và giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Thạc sĩ Phan Minh Tiến – người đóng góp ý kiến, giúp đỡ và tạo mọi điều

kiện thuận lợi về cơ sở vật chất để tôi hoàn thành luận văn này

Quý Thầy cô phản biện và hội đồng chấm luận văn đã đọc và có những nhận xét cũng như những góp ý quý giá về luận văn

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với gia đình, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn

LÊ HOÀNG ANH LINH

M ỤC LỤC

Trang Trang phụ bìa

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục các chữ viết tắt trong luận văn

Danh mục các hình vẽ, đồ thị trong luận văn

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN 5

1.1 Tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học Vật lí 5

1.1.1 Cơ sở tâm lí học của hoạt động nhận thức 5

1.1.2 Cơ sở khoa học của việc tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh trong dạy học Vật lí 8

1.2 Những vấn đề lí luận về thí nghiệm Vật lí 12

1.2.1 Thí nghiệm Vật lí 12

1.2.2 Vai trò của thí nghiệm Vật lí trong dạy học Vật lí 13

1.2.3 Quy trình xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lí 14

1.2.3.1 Quy trình xây dựng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lí 14

1.2.3.2 Qui trình sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lý 17

1.2.4 Sử dụng máy vi tính hỗ trợ TN Vật lí [2] 21

1.2.5 Thí nghiệm vật lí trong tiến trình dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề 24

1.3 Kết luận chương 1 29

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG CẢM BIẾN SONA R VÀ THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” LỚP 10 THPT 31

2.1 Nội dung kiến thức phần cơ học trong chương trình Vật lí THPT 31

2.2 Thực trạng của việc sử dụng thí nghiệm và thực trạng dạy học phần Cơ học ở trường THPT 32

2.2.1 Thuận lợi 32

2.2.2 Khó khăn 33

2.2.3 Ưu điểm của bộ thí nghiệm Cơ học dùng cảm biến SONAR 35

2.3 Xây dựng bộ thí nghiệm Cơ học dùng cảm biến SONAR 36

2.3.1 Giới thiệu về cảm biến Go! Motion của Vernier 37

2.3.2 Xây dựng các thí nghiệm cơ học dùng cảm biến SONAR với xe động lực 41

2.3.3 Xây dựng các thí nghiệm cơ học dùng cảm biến SONAR với bộ thí nghiệm đệm không khí 54

2.3.4 Xây dựng thí nghiệm sự rơi tự do dùng cảm biến SONAR 64

2.3.5 Xây dựng các thí nghiệm về dao động của con lắc lò xo và con lắc đơn dùng cảm biến SONAR 65

2.4 Thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức thuộc chương “Các định luật bảo toàn” – Vật lí 10 THPT 77

2.4.1 Phân tích cấu trúc và nội dung kiến thức của chương “Các định luật bảo toàn” 77

2.4.2.Tiến trình dạy học bài “Động lượng Định luật bảo toàn động lượng” 81

2.4.3 Tiến trình dạy học bài “Cơ năng” 86

2.5 Kết luận chương 2 92

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 94

3.1 Mục đích, đối tượng, phương pháp và nội dung thực nghiệm 94

3.1.1 Mục đích thực nghiệm 94

3.1.2 Đối tượng thực nghiệm sư phạm 94

3.1.3 Phương pháp thực nghiệm 95

3.1.4 Nội dung thực nghiệm 95

3.2 Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm 95

3.2.1 Đánh giá tính khả thi của tiến trình dạy học đã thiết kế được 96

3.2.2 Phân tích định lượng kết quả kiểm tra 104

3.2.2.1.Tính toán các số liệu cần thiết [12] 104

3.2.2.2.Kết quả tính toán 105

3.2.3 Kiểm định giả thuyết thống kê 108

3.2.4 Bước đầu đánh giá hiệu quả của tiến trình dạy học đã thiết kế được trong việc nâng cao tính hứng thú, tích cực, sáng tạo của HS trong học tập 109 3.2.5 Ưu điểm, nhược điểm của bộ TN cơ học dùng cảm biến SONAR trong dạy học chương “ Các định luật bảo toàn” 110

3.3 Kết luận chương 3 110

K ẾT LUẬN 112

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 114

DANH M ỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

Giáo viên

Học sinh Thí nghiệm

TN

ĐC

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ

Trang

Hình 1.1 Chu trình sáng tạo khoa học 9

Hình 1.2 Sơ đồ tiến trình xây dựng, bảo vệ tri thức mới trong nghiên cứu khoa học 10

Hình 1.3 Dạng khái quát của sơ đồ biểu đạt lôgic của tiến trình khoa học giải quyết vấn đề khi xây dựng, kiêm nghiệm, ứng dụng một giá trị cụ thể 11

Hình 1.4 Sơ đồ TN vật lí với sự hỗ trợ của máy vi tính 22

Hình 1.5 Sơ đồ khái quát của tiến trình xây dựng kiến thức theo kiểu DH PH & GQ VĐ 24

Hình 1.6 Sơ đồ khái quát tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường lí thuyết của kiểu DH PH & GQ VĐ 25

Hình 1.7 Sơ đồ khái quát tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường thực nghiệm của kiểu DH PH & GQ VĐ 26

Hình 2.1 Nguyên lí TOF 38

Hình 2.2 Cảm biến Go! Motion của Vernier 38

Hình 2.3 Giao diện phần mềm Logger Pro 39

Hình 2.4 Góc quét của cảm biến 29

Hình 2.5 Các ưu điểm của Go! Motion 40

Hình 2.6 Xe động lực và vật nặng 41

Hình 2.7 Bộ TN xe động lực 41

Hình 2.8 Sơ đồ bố trí TN chuyển động thẳng đều của xe động lực 42

Hình 2.9 Đồ thị tọa độ và vận tốc của vật chuyển động thẳng đều theo thời 43

Hình 2.10 Cửa sổ Cruve Fit 44

Hình 2.11 Kết quả phân tích đồ thị của vật chuyển động thẳng đều 44

Hình 2.12 Bố trí TN của vật chuyển động thẳng biến đổi đều 45

Hình 2.13 Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều theo thời gian 46

Hình 2.14 Bố trí TN của vật chuyển động thẳng biến đổi đều 47

Hình 2.15 Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều

theo thời gian 48

Hình 2.16 Sơ đồ bố trí TN va chạm mềm của hai xe cùng khối lượng 49

Hình 2.17 Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe va chạm mềm trước và sau tương tác 50

Hình 2.18 Sơ đồ bố trí TN 2 xe động lực cùng khối lượng va chạm đàm hồi 51

Hình 2.19 Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe trước và sau tương tác đàn hồi 52

Hình 2.20 Sơ đồ bố trí TN 2 xe động lực đứng yên, sau đó tương tác với nhau 52 Hình 2.21 Đồ thị vận tốc hai xe trước và sau tương tác 53

Hình 2.22 Ray đệm không khí 54

Hình 2.23 Bộ cấp khí 54

Hình 2.24 Xe trượt 54

Hình 2.25 Các phụ kiện của bộ đệm khí 54

Hình 2.26 Bố trí TN chuyển động thẳng đều trên đệm không khí của xe trượt 55

Hình 2.27 Đồ thị tọa độ và vận tốc của vật chuyển động thẳng đều theo thời gian 56

Hình 2.28 Bố trí TN xe trượt chuyển động trên mặt phẳng nghiêng của đệm khí 57 Hình 2.29 Đồ thị tọa độ và vận tốc theo thời gian của xe trượt trên mặt phẳng nghiêng 58

Hình 2.30 Bố trí TN xe trượt chuyển động thẳng biến đổi đều trên đệm khí 59

Hình 2.31 Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều theo thời gian 60

Hình 2.32 Bố trí TN hai xe trượt cùng khối lượng va chạm mềm trên đệm không khí 61

Hình 2 33 Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe trượt trước và sau tương tác 62

Hình 2.34 Bố trí TN hai xe trượt cùng khối lượng va chạm đàn hồi trên đệm không khí 62

Hình 2 35 Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe trước và sau tương tác 63

Hình 2.36 Sơ đồ bố trí TN rơi tự do 64

Hình 2.37 Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật rơi tự do theo thời gian 65

Hình 2.38 Sơ đồ bố trí TN con lắc lò xo dao động thẳng đứng 66

Hình 2.39 Đồ thị tọa đô, vận tốc của con lắc lò xo dao động thẳng đứng theo thời gian 67

Hình 2.40 Cửa sổ phần mềm Calculated Column Options 68

Hình 2.41 Mục Option ở cửa sổ phần mềm Calculated Column Options 69

Hình 2.42 Mục Column Option ở cửa sổ phần mềm Calculated Column Options khi thiết lập hàm động năng 69

Hình 2.43 Mục Column Option ở cửa sổ phần mềm Calculated Column Options khi thiết lập hàm cơ năng 70

Hình 2.44 Đồ thị động năng, thế năng và cơ năng theo thời gian của con lắc lò xo dao động theo phương thẳng đứng 70

Hình 2.45 Bố trí TN con lắc lò xo dao động theo phương ngang 71

Hình 2.46 Bố trí TN con lắc lò xo dao động trên mặt phẳng nghiêng 72

Hình 2.47 Đồ thị li độ, vận tốc của con lắc lò xo dao động theo phương nằm ngang theo thời gian 73

Hình 2.48 Đồ thị li độ, vận tốc của con lắc lò xo dao động theo phương nghiêng theo thời gian 73

Hình 2.49 Sơ đồ bố trí TN dao động của con lắc đơn 74

Hình 2.50 Đồ thị li độ và vận tốc của con lắc đơn dao động theo thời gian 75

Hình 2.51 Đồ thị động năng, thế năng và cơ năng của con lắc đơn dao động theo

thời gian 76

Hình 2.52 Sơ đồ cấu trúc kiến thức chương “Các định luật bảo toàn” 77

Hình 3.1 Đồ thị vận tốc theo thời gian của hệ hai vật cùng khối lượng va chạm

mềm 97

Hình 3.2 Đồ thị vị trí và vận tốc theo thời gian của vật rơi tự do 101

Hình 3.3 Đồ thị vị trí và vận tốc theo thời gian của con lắc lò xo dao động thẳng đứng 101

Hình 3.4 Đồ thị cơ năng theo thời gian của con lắc lò xo dao động thẳng đứng 102

Hình 3.5 Đồ thị phân bố tần suất của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng 106 Hình 3.6 Đồ thị phân bố tần suất tích lũy của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng

106

MỞ ĐẦU

1 Lí do ch ọn đề tài

Hiện nay, chúng ta đang thực hiện việc đổi mới toàn diện nội dung và phương pháp dạy học ở trường trung học phổ thông Đối với các môn khoa học thực nghiệm nói chung và môn Vật lí nói riêng thì việc đổi mới đó phải gắn liền với việc

phải tăng cường sử dụng thí nghiệm trong quá trình dạy học

Cơ học, nội dung đầu tiên được đưa vào giảng dạy ở cấp Trung học phổ thông, khảo sát những quá trình đơn giản nhất của Vật lí học: chuyển động cơ Chuyển động cơ có mặt ở khắp mọi nơi trong thực tiễn cuộc sống Do đó, các hiện tượng của phần cơ học gắn liền với thực tế một cách sâu sắc và có tính trực quan rất cao nhưng các đại lượng vật lý trong cơ học lại rất trừu tượng và khó tiếp thu đối

với học sinh Do đó, việc dùng thí nghiệm trong tiến trình dạy các kiến thức của

phần cơ học là rất cần thiết, nhằm phát triển tư duy và năng lực sáng tạo cho học sinh Khi tìm hiểu cấu trúc, nội dung kiến thức và thực trạng dạy học phần kiến thức

cơ học trong chương trình Vật lí phổ thông hiện nay, tôi nhận thấy việc sử dụng các thí nghiệm trong các tiết học còn hạn chế Kết quả thu được từ các thí nghiệm này

có sai số khá lớn và cần phải có khá nhiều thời gian để thực hiện nên làm ảnh hưởng đến tiến trình dạy học Vì vậy, một thực tế đặt ra là cần cải tiến hoặc xây

dựng mới các thí nghiệm cơ học có độ chính xác cao hơn và tốn ít thời gian hơn để giúp giáo viên có điều kiện để tiến hành thí nghiệm khi giảng dạy các kiến thức cơ

học

Ngày nay, trong nghiên cứu và giảng dạy Vật lí, ta có thể sử dụng các cảm

biến để thu thập các số liệu thực nghiệm một cách nhanh chóng và chính xác Các

số liệu thực nghiệm và kết quả xử lí được hiển thị trên bộ chỉ thị hiện số hoặc được

kết nối với máy vi tính để hiển thị, phân tích trên màn hình Các cảm biến và bộ ghép nối hiện số được coi như các dụng cụ đo hiện số có độ nhạy tốt, độ chia nhỏ và thang đo rộng Một trong các loại cảm biến thường dùng trong các thí nghiệm cơ

học nhưng ít được sử dụng trong chương trình vật lý phổ thông là cảm biến SONAR

Xuất phát từ những phân tích trên, tôi nhận thấy: Nếu xây dựng bộ thí nghiệm cơ học trong chương trình Vật lí phổ thông dùng cảm biến SONAR sẽ

khắc phục được các hạn chế về độ chính xác và thời gian thí nghiệm của các bộ thí nghiệm đã có Nếu xây dựng thành công bộ thí nghiệm cơ học này thì có thể sử

dụng nó một cách hiệu quả trong quá trình dạy học chương trình Vật lí trung học

phổ thông

Với các lí do trên, tôi lựa chọn và nghiên cứu đề tài: Thiết kế bộ thí nghiệm

cơ học dùng cảm biến SONAR và sử dụng trong dạy học chương “Các định luật

b ảo toàn” lớp 10 trung học phổ thông

2 M ục đích nghiên cứu

- Thiết kế một số bài thí nghiệm cơ học trong chương trình Vật lí phổ thông

có sử dụng cảm biến SONAR

- Thiết kế tiến trình dạy học có sử dụng bộ thí nghiệm đã xây dựng trong dạy

học chương “Các định luật bảo toàn” lớp 10 trung học phổ thông

3 Gi ả thuyết nghiên cứu

Nếu thiết kế được bộ thí nghiệm cơ học dùng cảm biến SONAR đáp ứng các yêu cầu về mặt sư phạm và sử dụng các thí nghiệm một cách hợp lí vào quá trình dạy học nội dung “Các định luật bảo toàn”, lớp 10, chương trình vật lí phổ thông thì có thể nâng cao hiệu quả của việc dạy học

4 Nhi ệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu lí luận dạy học hiện đại về các phương pháp, hình thức dạy

học nhằm tăng cường tính tích cực, sáng tạo của học sinh trong học tập

- Phân tích nội dung phần “Các định luật bảo toàn” trong Vật lý 10 Trung

học phổ thông nhằm tìm hiểu nội dung và đặc điểm các kiến thức cần xây dựng

- Tìm hiểu thực tế dạy học phần “Các định luật bảo toàn” ở lớp 10, trường trung học phổ thông nhằm làm rõ những khó khăn và nguyên nhân của những khó khăn ấy trong việc tổ chức hoạt động nhận thức của học sinh theo hướng tích cực, sáng tạo

- Nghiên cứu các thí nghiệm cơ học đã có trong phòng thí nghiệm Vật lí phổ thông để tìm ra những ưu điểm và nhược điểm của chúng

- Tìm hiểu cảm biến sonar để đo khoảng cách, bộ ghép nối và các phần mềm tương ứng

- Thiết kế các thí nghiệm cơ học trong chương trình Vật lí phổ thông dùng

cảm biến sonar

- Thiết kế tiến trình dạy học các kiến thức của chương “Các định luật bảo toàn” Vật lí 10 trung học phổ thông có dùng các thí nghiệm mới xây dựng

- Thực nghiệm sư phạm để đánh giá tính khả thi, hiệu quả của tiến trình dạy

học đã thiết kế và phân tích các ưu nhược điểm của các thí nghiệm mới xây dựng

5 Đối tượng nghiên cứu

- Nội dung và phương pháp dạy học phần cơ học trong chương trình Vật lí

phổ thông

- Các cảm biến sonar dùng trong các thí nghiệm cơ học của chương trình

Vật lí phổ thông

6 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý luận: nghiên cứu lí luận dạy học, tâm lí học, cơ sở lý luận

về đổi mới phương pháp dạy học, các tài liệu, sách, báo, các văn kiện, các nghị quyết của Trung ương Đảng về lĩnh vực giáo dục

- Nghiên cứu thực tiễn: sử dụng phương pháp phỏng vấn, điều tra ngắn

nhằm thu thập thông tin về tính hiệu quả của việc sử dụng thí nghiệm trong dạy

học môn Vật lí ở trường trung học phổ thông, nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

về thiết kế chế tạo và hoàn thiện một số thí nghiệm

- Thực nghiệm sư phạm: tổ chức hoạt động dạy và học, ghi chép, chụp ảnh, quay phim, khảo sát kết quả học tập, rút kinh nghiệm giờ dạy, phân tích diễn biến quá trình thực nghiệm

- Thống kê toán học: tổng hợp, phân tích và xử lí số liệu thống kê kết quả

thực nghiệm

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN

1.1 Tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học Vật lí

tiêu đã đề ra, GV phải lựa chọn, vận dụng các phương pháp và sử dụng phương tiện thích hợp sao cho có thể phát huy tích cực và phát triển được năng lực sáng tạo của HS.[1]

lực sáng tạo, năng lực giải quyết vấn đề, để từ đó có thể sáng tạo ra những trí thức

Để quá trình đổi mới phương pháp dạy và học đạt hiệu quả, các nhà giáo dục

phải trên cơ sở nghiên cứu tâm lí học để từ đó xây dựng tiến trình dạy học phù hợp

thức.[3]

1.1.1 Cơ sở tâm lí học của hoạt động nhận thức

đoạn: nhận thức cảm tính và nhận thức lí tính

Giai đoạn nhận thức cảm tính bao gồm các hoạt động cảm giác, tri giác và

cảm giác, tri giác đối tượng cần nhận thức có thể hình thành biểu tượng về đối tượng đó một cách chân thực và đúng đắn Nhờ đó mới có được những thao tác tư duy (nhận thức lý tính) như: phân tích, tổng hợp, so sánh, khái quát hóa đạt độ

có được những thao tác tư duy đúng đắn, có khả năng vận dụng những tri thức đã

học, có điều kiện để xây dựng kiến thức mới

định vai trò và tác dụng của các phương tiện trực quan trong việc kích thích hứng

nhận thức được duy trì và phát triển Do đó làm cho người học đạt kết quả cao trong

hành.[4]

Theo quan điểm của tâm lí học liên tưởng, khi sự vật, hiện tượng tác động

kích thích sự ra đời của những ý tưởng khác Vì vậy, hoạt động học thực chất là quá trình hình thành các liên tưởng, phát triển trí nhớ của người học Hoạt động học sẽ

khái niệm, quy luật, cách thức…để từ đó ghi nhớ và tái hiện tài liệu học tập tốt hơn Tương tự như vậy, hoạt động dạy cần phải hình thành ở người học càng nhiều càng

học khác nhau

quan sát trực tiếp hiện tượng và quá trình vật lí xảy ra trong thí nghiệm, đồng thời

tính Các số liệu đó được thu thập, được sắp xếp, xử lí và hiển thị theo ý đồ sư phạm

của giáo viên Nhờ đó, có thể giúp HS dễ dàng xác định được những mối liên hệ

giữa những thuộc tính khác nhau của sự vật hiện tượng, giữa cái chung và cái riêng,

Khi đó, nếu có được sự hướng dẫn, gợi ý cần thiết của giáo viên thì HS có

thể chuyển hóa vấn đề nhận thức từ cụ thể sang trừu tượng, rồi từ đó chuyển lên cái

biến của các đối tượng, hiện tượng, hiện tượng và quá trình

trong đó người học kiến tạo các ý tưởng mới dựa trên các kiến thức hiện có Người

người học xây dựng kiến thức từ những gì họ đã biết để biết nhiều hơn và tự họ

pháp học tập phù hợp với hoàn cảnh, tăng cường tự đánh giá, tự nhận xét.[4]

Theo Vưgôtxky, sử dụng phương tiện chẳng qua là sử dụng các đối tượng nào đó làm phương thức, phương tiện thực hiện hành vi của bản thân mình Theo

đó, sự phát triển, hiện đại hóa các phương tiện dạy học sẽ góp phần phát triển, hoàn

tập thông qua hợp tác với nhau bằng các bài thuyết trình, phát biểu, tranh luận.[2]

Vưgôtxky còn cho rằng dạy học sẽ có hiệu quả hơn khi HS tham gia các hoạt động với môi trường hỗ trợ học tập và khi họ nhận được những hướng dẫn gián tiếp

cung cấp thông tin cho người học Vai trò của các công cụ này là chủ động hỗ trợ người học hoàn thành nhiệm vụ học tập gần với giới hạn trên của vùng phát triển

gần và thoát khỏi sự trợ giúp khi người học đạt được mức tự tin cao hơn.[2]

Như vậy, trong quá trình dạy học vật lí ở trường phổ thông, giáo viên cần

HS tự chiếm lĩnh và hình thành nên tri thức cho bản thân

các hành động có mục đích của GV, tổ chức hoạt động trí óc và tay chân của HS, đảm bảo cho HS chiếm lĩnh được nội dung dạy học, đạt được mục tiêu xác định

của hoạt động dạy học như sau:

xác hóa, phù hợp với mục tiêu dạy học và các nội dung cụ thể đã xác định

- HS tự chủ tìm tòi, giải quyết vấn đề đặt ra với sự theo dõi, định hướng, giúp

đỡ của GV

- GV chỉ đạo sự trao đổi, tranh luận của HS, bổ sung, tổng kết, khái quát hóa,

thể chế hóa tri thức, kiểm tra kết quả học tập phù hợp với mục tiêu dạy học các nội dung cụ thể đã xác định

1.1.2 Cơ sở khoa học của việc tổ chức hoạt động nhận thức cho

học sinh trong dạy học Vật lí

đầu đi đến xây dựng mô hình trừu tượng của hiện tượng, tức là đề xuất giả thuyết,

từ giả thuyết suy ra các hệ quả logic; từ hệ quả đi đến thiết kế và tiến hành kiểm tra

thuyết trở thành chân lí khoa học từ đó hình thành định luật, thuyết vật lí Cho đến

từ lí thuyết dẫn tới phải xem lại lí thuyết cũ, cần phải chỉnh lí lại hoặc phải thay đổi

thêm.[5]

được mô tả như sau: “ Đề xuất vấn đề - suy đoán giải pháp – khảo sát lí thuyết và (hoặc) thực nghiệm – kiểm tra, vận dụng kết quả”

- Đề xuất vấn đề: Từ những lí thuyết, sự kiện thực tế đã biết và nhiệm vụ cần

cầu đó thành câu hỏi

- Suy đoán giải pháp: Để giải quyết vấn đề đặt ra, từ điểm xuất phát cho phép

đi tìm lời giải: chọn hoặc đề xuất mô hình có thể vận hành được để đi tới cái cần

- Khảo sát lí thuyết hoặc thực nghiệm, vận hành mô hình rút ra kết luận logic

thu lượm các dữ liệu cần thiết và xen kẽ, rút ra kết luận về vấn đề cần tìm hiểu

quả tìm được, trên cơ sở vận dụng chúng để giải thích hoặc tiên đoán các sự kiện và

thực nghiệm, nhằm tiếp tục tìm tòi xây dựng điều cần tìm.[5]

người khác Kết quả đó được thông báo và trải qua sự tranh luận phản bác, bảo vệ

xây dựng tri thức có thể minh họa bằng sơ đồ hình 1.2

Vận dụng tri thức mới để giải quyết vấn đề

Hình 1.2 Sơ đồ tiến trình xây dựng, bảo vệ tri thức mới trong nghiên cứu khoa học

Trong quá trình dạy học Vật lí ở trường trung học phổ thông, GV cần phải

giải quyết vấn đề cho từng kiến thức trong từng bài học cụ thể

thức cụ thể bởi sơ đồ 1 và sơ đồ 2 hình 1.3.[5]

Hình 1.3 D ạng khái quát của sơ đồ biểu đạt logic của tiến trình khoa học

KẾT LUẬN (Thu được nhờ suy luận lí thuyết) (Thu được nhờ quan sát và thí nghiệm) KẾT LUẬN

(Sơ đồ 2)

Gi ải bài toán bằng

suy lu ận lí thuyết Ginghiải bài toán bằng thí ệm và quan sát

BÀI TOÁN

V ấn đề (Đòi hỏi kiểm nghiệm/ứng dụng thực tiễn kiến thức)

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

nh ờ suy luận, mặt khác nhờ thí nghiệm và quan sát

(Sơ đồ 1)

BÀI TOÁN

V ấn đề (Đòi hỏi tìm kiếm xây dựng kiến thức)

Điều kiện cần sử dụng để đi tìm câu trả lời

cho v ấn đề đặt ra

Giải quyết bài toán

KẾT LUẬN / NHẬN ĐỊNH

1.2 Những vấn đề lí luận về thí nghiệm Vật lí

1.2.1 Thí nghiệm Vật lí

đó trong điều kiện xác định để quan sát, tìm hiểu, nghiên cứu, kiểm tra hay chứng minh.[6]

quả có phù hợp với các tiên đoán lí thuyết hay không.[2]

TN còn được hiểu là: Quá trình tạo dựng một sự quan sát hay thực hiện một phép đo TN là sự quan sát hiện tượng nghiên cứu trong các điều kiện được kiểm tra chính xác, cho phép theo dõi tiến trình của hiện tượng và tái tạo nó mỗi lần lặp lại các hiện tượng này.[2]

người tác động một cách có ý thức, hệ thống lên các sự vật, hiện tượng xảy ra trong

những điều kiện nhất định Sự phân tích về mặt lí thuyết các điều kiện và quá trình

xảy ra trong đó đóng vai trò hết sức quan trọng Sự tác động đó có thể là trực tiếp hay gián tiếp thông qua các thiết bị máy móc gọi là công cụ TN

+ Một lí thuyết hay giả thuyết

+ Đối tượng, hệ thống, quá trình phản ánh lí thuyết đó

+ Các thao tác lên đối tượng, hệ thống, quá trình theo một trình tự nhất định

và trong những điều kiện xác định.[7]

trình Vật lí Kết quả của TN Vật lí nhiều khi là các định luật, các ứng dụng kĩ thuật nhưng nhiều khi chỉ để chứng minh một giả thuyết hoặc hình thành một giả thuyết

Vật lí mới

1.2.2 Vai trò của thí nghiệm Vật lí trong dạy học Vật lí

Theo quan niệm trên, TN vật lí có vai trò rất quan trọng trong quá trình dạy

học vật lí Ở giai đoạn định hướng mục tiêu nghiên cứu, TN vật lí để đề xuất vấn đề

thường làm nảy sinh mâu thuẫn giữa kiến thức mới với các quan niệm sẵn có của

HS Trong giai đoạn hình thành kiến thức mới, TN vật lí cung cấp các số liệu thực

đắn của giả thuyết hoặc hệ quả logic để hình thành kiến thức mới Trong giai đoạn

quá trình TN.[7]

Theo quan điểm của lí luận nhận thức, TN là phương tiện của việc thu nhận tri thức, là phương tiện kiểm tra tính đúng đắn của tri thức, và là phương tiện để vận

dụng tri thức thu được vào thực tiễn

năng, kỹ xảo mà còn góp phần phát triển nhân cách HS một cách toàn diện Giờ học

thông tin của HS ngày càng tích cực, tự lực và sáng tạo hơn Như vậy, qua quá trình

xảy ra trong tự nhiên chằng chịt, đan xen nhau giữa các quá trình Do đó, để nghiên

TN vật lí, vì chúng diễn tả các hiện tượng một cách đơn giản và kiểm soát được các quá trình, giúp cho HS có các thông tin chân thực về hiện tượng vật lí.[2]

TN là phương tiện đơn giản hóa các hiện tượng quá trình vật lí, làm bộc lộ

tượng không tri giác trực tiếp bằng các giác quan của con người, tạo trực quan sinh động hỗ trợ cho quá trình tư duy trừu tượng của HS.[7]

Tóm lại, TN đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình dạy học Vật lí và có

vật lí cần phải gắn TN vật lí TN vật lí không chỉ là nguồn tri thức, là phương tiện

thực tế giáo dục của Việt Nam: “Học đi đôi với hành, lí luận gắn với thực tiễn”

1.2.3 Quy trình xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong

dạy học Vật lí

Trên cơ sở lí luận dạy học về việc tổ chức hoạt động nhận thức tích cực, sáng

tạo của học sinh trong dạy học Vật lý và vai trò của thí nghiệm đối với hoạt động

nhận thức của học sinh, tác giả Nguyễn Anh Thuấn [9] đã đề xuất qui trình xây

dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm ở trường THPT như sau

1.2.3.1 Quy trình xây dựng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lí

Việc xây dựng các thiết bị thí nghiệm bao gồm các quá trình thiết kế, chế

tạo thiết bị mới, cải tiến, hoàn thiện các thiết bị thí nghiệm đã có sao cho chúng thỏa mãn được các yêu cầu về mặt khoa học – kĩ thuật và yêu cầu về

mặt sư phạm đối với các thiết bị thí nghiệm

- Tạo ra hiện tượng rõ ràng, điều khiển được các yếu tố tác động Các số liệu thu thập từ thí nghiệm đảm bảo độ chính xác chấp nhận được ở trường phổ thông

- Chất lượng vật liệu dùng để chế tạo thiết bị thí nghiệm phải đảm bảo tuổi

thọ cao và độ bền chắc

- Quá trình chế tạo thiết bị thí nghiệm cần áp dụng các thành tựu công nghệ

chế tạo mới của khoa học – kĩ thuật

- Các thiết bị thí nghiệm cần đơn giản: số chi tiết không nhiều, cấu tạo gọn,

ít hỏng, dễ sửa chữa, dễ dàng vận chuyển và bảo quản

- Cần thiết kế, chế tạo các bộ thí nghiệm Vật lý sao cho có thể làm được nhiều thí nghiệm không chỉ ở một chương, một phần mà còn những phần khác nhau của chương trình Vật lý, không phải chỉ vì lí do kinh tế mà còn cho phép

học sinh không tốn nhiều thời gian nghiên cứu tác dụng, cách sử dụng các chi tiết, giúp học sinh dễ dàng thực hiện được các thí nghiệm, tận dụng được thời gian đi sâu nghiên cứu cái mới được đề cập trong trong các thí nghiệm và thấy được sự liên kết được các kiến thức đã học

- Thời gian chuẩn bị các thí nghiệm không đòi hỏi nhiều, dễ dàng tập hợp, thay đổi các chi tiết, thao tác bằng tay không phức tạp, có thể lắp ráp từng bước

và chắc chắn

- Các thiết bị thí nghiệm có thể được sử dụng ở nhiều giai đoạn của quá trình dạy học: tạo tình huống có vấn đề, hình thành kiến thức mới, củng cố và vận

dụng kiến thức

- Các thiết bị thí nghiệm phải hỗ trợ được quá trình nhận thức tích cực, sáng

tạo của học sinh, nhất là trong giai đoạn phát hiện vấn đề cần giải quyết, hỗ trợ

việc xây dựng giả thuyết, để kiểm tra giả thuyết hoặc để kiểm tra hệ quả suy được từ giả thuyết

- Các thiết bị thí nghiệm phải đảm bảo các yêu cầu mĩ thuật: các đường nét, hình khối cân xứng, khối lượng không quá nặng, màu sắc làm nổi bật được các chi tiết quan trọng Riêng đối với các thiết bị thí nghiệm biểu diễn cần có kích thước đủ lớn, các bộ phận trong thiết bị phải được bố trí sao cho học sinh toàn lớp quan sát được biểu biễn của hiện tượng diễn ra trong thí nghiệm

Trên cơ sở xác định các yêu cầu của việc xây dựng các thiết bị thí nghiệm, quá trình xây dựng các thiết bị thí nghiệm có thể được tiến hành theo các giai đoạn sau:

- Xác định nội dung các kiến thức, kĩ năng mà học sinh cần có được trong quá trình học tập

- Xác định các thí nghiệm cần tiến hành trong dạy học nội dung này

- Tìm hiểu tình hình thực tiễn về các thiết bị thí nghiệm để xác định được

hiện nay đã có những thiết bị thí nghiệm nào cho phép tiến hành các thí nghiệm đã xác định? Việc tiến hành các thí nghiệm với những thiết bị thí nghiệm này có

những ưu, nhược điểm gì? Có đáp ứng được các yêu cầu đã nêu ở trên không, nhất

là yêu cầu đối với việc dạy học phát triển tính tích cực sáng tạo của học sinh

Giai đoạn nghiên cứu này đi tới kết luận: một số thí nghiệm đã có sẵn và đáp ứng được các yêu cầu đối với thiết bị thí nghiệm; cũng đã có một số thiết bị thí nghiệm mà việc sử dụng các thiết bị thí nghiệm này chưa phát huy được vai trò của chúng với hoạt động nhận thức của học sinh, cần cải tiến hoàn thiện; không có thiết

bị thí nghiệm nào để tiến hành một số thí nghiệm đã xác định ở trên

Đối với trường hợp cần nghiên cứu cải tiến, hoàn thiện các thiết bị thí nghiệm có sẵn (nhưng chưa đáp ứng nhu cầu dạy học) và nghiên cứu thiết kế, chế

tạo các thiết bị thí nghiệm mới thì trong cả hai trường hợp, các thiết bị thí nghiệm được chế tạo mới hoặc được cải tiến, hoàn thiện phải đảm bảo được các yêu cầu về

mặt khoa học – kĩ thuật và yêu cầu về mặt sư phạm

- Sản xuất thử thiết bị thí nghiệm, tiến hành nhiều lần các thí nghiệm với thiết bị thí nghiệm, trước hết nhằm đảm bảo thí nghiệm thành công Sau đó, cần phân tích, đánh giá thiết bị thí nghiệm này để điều chỉnh thiết kế sao cho thiết bị

có thể đạt được tối đa các yêu cầu về mặt khoa học – kĩ thuật và yêu cầu về mặt sư

phạm

- Đưa thiết bị thí nghiệm đã đề xuất vào dạy thực nghiệm sư phạm để tiếp

tục xác định những khó khăn, hạn chế trong quá trình sử dụng nhằm bổ sung hoàn chỉnh thiết bị thí nghiệm

- Sản xuất thiết bị mẫu, soạn tài liệu hướng dẫn, trình Bộ giáo dục và đào

tạo duyệt để có thể sản xuất hàng loạt và trang bị cho các trường phổ thông

1.2.3.2 Qui trình sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lý

Để thí nghiệm phát huy đầy đủ các chức năng của nó trong dạy học Vật lý thì

việc sử dụng thí nghiệm phải tuân theo một số yêu cầu về mặt kĩ thuật và về mặt

phương pháp dạy học

- Xác định rõ lôgic của tiến trình dạy học, trong đó việc sử dụng thí nghiệm

phải là một bộ phận hữu cơ của quá trình dạy học, nhằm giải quyết một nhiệm

vụ cụ thể trong tiến trình nhận thức Trước mỗi thí nghiệm, phải đảm bảo cho học sinh ý thức được sự cần thiết của thí nghiệm và hiểu rõ mục đích của thí nghiệm

- Xác định rõ các thiết bị thí nghiệm cần sử dụng, sơ đồ bố trí chúng, tiến trình thí nghiệm (để đạt được mục đích thí nghiệm, cần sử dụng các thiết bị thí nghiệm nào, bố trí ra sao, cần tiến hành thí nghiệm theo các bước nào, cần quan sát, đo đạc cái gì) Không xem nhẹ các thí nghiệm đơn giản

- Đảm bảo cho học sinh ý thức được rõ ràng và tham gia tích cực vào tất cả các giai đoạn thí nghiệm bằng cách giao cho học sinh thực hiện các nhiệm vụ cụ

- Giai đoạn 1: Thiết bị thí nghiệm được sử dụng làm xuất hiện vấn đề cần

nghiên cứu

Trong giai đoạn làm xuất hiện vấn đề cần nghiên cứu ở học sinh, giáo viên

có thể sử dụng thiết bị thí nghiệm theo các bước sau:

+ Bước 1: Giáo viên mô tả một hoàn cảnh thực tiễn tạo nên một vấn đề “hấp

dẫn” và yêu cầu học sinh dự đoán hiện tượng có thể xảy ra

+ Bước 2: Giáo viên làm một thí nghiệm, hoặc giáo viên cho học sinh làm

một thí nghiệm đơn giản để học sinh thấy được hiện tượng diễn ra không phù hợp

với dự đoán của mình

+ Bước 3: Giáo viên hướng dẫn học sinh phát biểu vấn đề của bài học Căn

cứ vào trình độ của học sinh, vào nội dung của bài học mà giáo viên lựa chọn và đưa ra mức độ thích hợp nhằm yêu cầu học sinh tự lực phát biểu vấn đề của bài học Lúc đầu, giáo viên có thể đưa ra mức độ cao hơn thăm dò, sau đó giáo viên hướng

dẫn và giảm bớt khó khăn cho học sinh khi cần thiết

- Giai đoạn 2: Thiết bị thí nghiệm được sử dụng để hỗ trợ việc đề xuất giả

thuyết của học sinh

Trong giai đoạn giáo viên hướng dẫn học sinh đề xuất giả thuyết, thiết bị thí nghiệm có thể được sử dụng theo các bước sau

+ Bước 1: Giáo viên yêu cầu học sinh đề xuất giả thuyết để nêu nguyên nhân

của vấn đề đã được phát biểu ở giai đoạn trước Học sinh có thể đề xuất giả thuyết

dựa trên một số gợi ý sau:

- Dựa vào sự liên tưởng tới một kinh nghiệm đã có

- Dựa trên sự tương tự

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

- Dựa trên nhận xét thấy hai hiện tượng luôn luôn biến đổi đồng thời, cùng tăng hoặc cùng giảm mà dự đoán về mối quan hệ nhân quả giữa chúng

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

- Dự đoán về mối quan hệ định lượng

+ Bước 2: Nếu học sinh vẫn không đề xuất được giả thuyết thì giáo viên sẽ

tiến hành một thí nghiệm để cung cấp thêm cho học sinh mối liên hệ giữa một số đại lượng trong hiện tượng đang nghiên cứu, giúp học sinh khái quát được những

kết quả quan sát được để đưa ra dự đoán

- Giai đoạn 3: Thiết bị thí nghiệm được sử dụng để kiểm tra giả thuyết

hoặc hệ quả được suy ra từ giả thuyết

Để rút ra hệ quả từ giả thuyết, giáo viên hướng dẫn học sinh suy luận lí thuyết Trong giai đoạn này, giáo viên không cần sử dụng thiết bị thí nghiệm

Trong đề xuất phương án thí nghiệm kiểm tra giả thuyết hoặc hệ quả được suy ra từ giả thuyết, học sinh phải suy nghĩ, tìm tòi để tìm ra phương hướng giải quyết vấn đề

Trong giai đoạn này, giáo viên nhất thiết phải sử dụng các thiết bị thí nghiệm Qui trình sử dụng thí nghiệm của giáo viên trong giai đoạn này có thể theo các bước sau:

+ Bước 1: Giáo viên giúp học sinh nhận thức rõ điều mà họ cần tiến hành thí nghiệm kiểm tra và gợi cho học sinh nhớ lại những kiến thức, kinh nghiệm có liên quan

+ Bước 2: Giáo viên tổ chức cho học sinh đề xuất các phương án thí nghiệm

để kiểm tra giả thuyết hoặc hệ quả suy ra từ giả thuyết

+ Bước 3: Giáo viên tổ chức cho học sinh trao đổi, phân tích tính khả thi của

mỗi phương án và chọn ra phương án có nhiều triển vọng nhất

+ Bước 4: Giáo viên hướng dẫn học sinh lựa chọn thiết bị thí nghiệm, bố trí

dụng cụ thí nghiệm, dự kiến tiến trình thí nghiệm Giáo viên bổ sung, điều chỉnh

một số chi tiết cần thiết để tăng thêm hiệu quả của thiết bị thí nghiệm

+ Bước 5: Giáo viên tiến hành thí nghiệm trên thiết bị thí nghiệm đã thiết kế (đã được giáo viên chuẩn bị từ trước) Nếu việc tiến hành thí nghiệm không đòi hỏi

kĩ năng phức tạp thì giáo viên có thể yêu cầu học sinh tự tiến hành thí nghiệm, giáo viên chỉ giúp đỡ học sinh khi học sinh gặp khó khăn

- Giai đoạn 4: Thiết bị thí nghiệm được sử dụng trong giai đoạn vận dụng

kiến thức

Để học sinh có thể vận dụng được kiến thức một cách sáng tạo, làm cho kiến

thức của học sinh trở nên sâu sắc, bền vững, giáo viên có thể giao cho học sinh

những nhiệm vụ đòi hỏi phải sử dụng thiết bị thí nghiệm theo các cách sau:

+ Cách 1: Giáo viên giao cho học sinh nhiệm vụ sử dụng thiết bị thí nghiệm

đã được sử dụng để tiến hành thí nghiệm khác hoặc phải sử dụng thiết bị thí nghiệm

+ Giáo viên cho học sinh những dụng cụ thí nghiệm cần thiết, nêu các bước

tiến hành thí nghiệm và yêu cầu học sinh tiến hành thí nghiệm theo các bước này,

rồi giải thích các kết quả thí nghiệm

+ Giáo viên cho học sinh dụng cụ thí nghiệm cần thiết, nêu các bước tiến hành thí nghiệm và yêu cầu học sinh dự đoán kết quả thí nghiệm, rồi mới làm thí nghiệm kiểm tra

+ Giáo viên cho học sinh dụng cụ thí nghiệm cần thiết và yêu cầu học sinh tự thiết kế tiến trình thí nghiệm để đạt được mục đích đề ra

+ Học sinh tự lựa chọn dụng cụ có sẵn, lập tiến trình thí nghiệm (gồm bố trí, các bước tiến hành thí nghiệm, đo kết quả, xử lý kết quả đo) để đạt mục đích đề ra

+ Học sinh tự lựa chọn dụng cụ, chế tạo thiết bị thí nghiệm, lập tiến trình thí nghiệm (gồm bố trí, các bước tiến hành thí nghiệm, đo kết quả, xử lý kết quả đo) để đạt mục đích đề ra

Việc sử dụng thiết bị thí nghiệm theo cả hai cách đã nêu không đơn thuần chỉ

tiến hành thí nghiệm với thiết bị đó, không phải là sự vận dụng máy móc các kiến

thức, kĩ năng đã biết mà phải có những yếu tố chứa đựng sự sáng tạo của học sinh ở

một khâu hoặc ở tất cả các khâu của việc sử dụng thiết bị thí nghiệm: thiết kế

phương án thí nghiệm, lựa chọn các chi tiết để chế tạo dụng cụ mong muốn, tiến hành thí nghiệm với dụng cụ vừa chế tạo, xử lí các kết quả thí nghiệm thu được

Trong giai đoạn vận dụng kiến thức, giáo viên có thể lựa chọn cách sử dụng thiết bị thí nghiệm trên cơ sở các yêu cầu về nội dung kiến thức, kĩ năng cần đạt được ở học sinh, trình độ của học sinh Quá trình tổ chức hướng dẫn của giáo viên

trong giai đoạn này có thể theo các bước sau:

+ Bước 1: Giáo viên giao cho học sinh nhiệm vụ sử dụng thiết bị thí nghiệm

để giải quyết vấn đề đặt ra

+ Bước 2: Giáo viên tổ chức cho học sinh thảo luận để lựa chọn, thiết kế, chế

tạo dụng cụ thí nghiệm, lập kế hoạch thí nghiệm

+ Bước 3: Giáo viên hướng dẫn học sinh tiến hành thí nghiệm, thu thập và

xử lí kết quả thí nghiệm

Trong bốn giai đoạn của qui trình sử dụng thiết bị trong dạy học Vật lý, thiết

bị thí nghiệm đóng vai trò quan trọng nhất ở giai đoạn kiểm tra giả thuyết hoặc

kiểm tra hệ quả được suy ra từ giả thuyết Việc kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết hoặc kiểm tra hệ quả được suy ra từ giả thuyết đòi hỏi học sinh (dưới dự

hướng dẫn của giáo viên) phải xây dựng được phương án thí nghiệm kiểm tra, xâydựng được phương án thí nghiệm cần sử dụng và tiến hành được phương án thí nghiệm có sử dụng thiết bị thí nghiệm đó

Quá trình sử dụng thiết bị thí nghiệm theo các giai đoạn này không những

tạo và duy trì hứng thú ở học sinh, rèn luyện cho học sinh kĩ năng đưa ra dự đoán và

kĩ năng đề xuất phương án thí nghiệm kiểm tra mà còn tạo điều kiện rèn luyện kĩ năng thực hành cho học sinh

1.2.4 Sử dụng máy vi tính hỗ trợ TN Vật lí [2]

Trong các TN Vật lí sử dụng vào dạy học ở trường phổ thông, máy vi tính được chú ý đến với tư cách là một công cụ sư phạm, hơn là một thiết bị đa năng có

tốc độ xử lí cao Điều đó có nghĩa là máy vi tính được sử dụng trong hệ thống TN

vật lí với nhiều mục đích dạy học khác nhau Việc sử dụng máy vi tính có khi chỉ là

một công cụ đơn thuần để đo thời gian, quãng đường, vận tốc, gia tốc, nhiệt độ, điện

trở, hiệu điện thế…, tức là đo một đại lượng nào đó Tuy nhiên đối với các nhà sư

không thể trực tiếp quan sát, đo đạc được Những số liệu thu được ghi vào máy vi tính thành các file dữ liệu sẽ được sử dụng lại khi cần

- Xử lí số liệu: Các phần mềm chuyên dụng có khả năng xử lí các số liệu đã

đo được trong TN theo nhiều cách khác nhau như nội suy, ngoại suy các giá trị cần tìm hoặc đưa ra các phương trình đặc trưng của đường biểu diễn số liệu, tính giá trị sai số…

- Biểu diễn số liệu: Nhờ khả năng đồ họa linh hoạt, máy vi tính có thể biểu

diễn số liệu dưới nhiều dạng khác nhau như đồng hồ hiện số thời gian, đồng hồ đo

độ dài, đo cường độ dòng điện, đo nhiệt độ, đo vận tốc, đo gia tốc… biểu diễn đồ

thị hay biểu đồ thời gian thực (là những biểu đồ được vẽ gần như đồng thời với phép đo số liệu) Một số phần mềm có thể biểu diễn số liệu dưới dạng các phân tử

đồ họa như vectơ vận tốc, vectơ gia tốc, vectơ lực…, các hình phẳng, hình khối…

Tùy thuộc vào mục tiêu, nội dung dạy học cụ thể, phương pháp và hình thức

tổ chức dạy học của giáo viên mà máy vi tính có thể được sử dụng để hỗ trợ các TN

vật lí theo 4 hình thức sau:

- Sử dụng máy vi tính hỗ trợ các TN thực trong việc tiến hành TN và tổ chức

hoạt động nhận thức

- Sử dụng TN ảo trong dạy học vật lí

- Sử dụng TN mô phỏng trong dạy học vật lí

- Sử dụng máy vi tính trực quan hóa các TN vật lí truyền thống, khó quan sát

Đối với các TN vật lí thực, sự hỗ trợ của máy vi tính nhờ có các phần mềm thích hợp nhận tín hiệu thông qua Bộ giao diện chuyển đổi (Interface) được nối với

bộ cảm biến (sensor)

Nhờ đó mà máy vi tính có thể thu thập số liệu trong thí nghiệm dưới nhiều

dạng khác nhau, có thể ghi lại rất nhiều giá trị đo cùng một thời gian ngắn Những

số liệu thu được có thể đồng thời ghi lên file dữ liệu và hiển thị lên màn hình theo đúng ý đồ của GV Trên cơ sở đó, máy vi tính tiến hành xử lí số liệu theo yêu cầu

của việc tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong giờ lên lớp

Trong cơ học, các thiết bị cảm biến (sensor), thông qua giao diện máy tính,

có thể đo được vận tốc, gia tốc, vị trí theo các phương pháp khác nhau Khi đó, máy

vi tính vừa làm nhiệm vụ của một máy đo vạn năng, vừa tiến hành thu thập, xử lí lưu trữ hoặc hiển thị lên màn hình (số liệu, bảng số liệu, đồ thị, hình ảnh…) với tốc

độ xử lí nhanh và cho kết quả đúng thực tế của TN theo yêu câu

Như vậy, không những khắc phục được những hạn chế của phương tiện dạy

học truyền thống, máy vi tính còn có khả năng xử lí và trình diễn các hiện tượng, quá trình mà tưởng chừng không thể thực hiện được Điều đó chắc chắn sẽ lôi cuốn

HS vào tiết học, đồng thời tạo niềm tin khoa học cần thiết cho các em

Đối tượng đo

(Thí nghiệm)

Bộ cảm biến (Sensor)

Màn hình hiển thị

Máy vi tính

và ph ần

m ềm

Bộ giao diện chuy ển đổi (Interface)

Hình 1.4 Sơ đồ TN vật lí với sự hỗ trợ của máy vi tính [2]

1.2.5 Thí nghiệm vật lí trong tiến trình dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề

Theo V.Ôkôn, dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề dưới dạng chung nhất

là toàn bộ các hành động như tổ chức các tình huống có vấn đề, biểu đạt (nêu ra) các vấn đề (tập cho HS quen dần để tự làm lấy công việc này), chú ý giúp đỡ cho

HS những điều cần thiết để giải quyết vấn đề, kiểm tra các cách giải quyết đó và

cuối cùng lãnh đạo quá trình hệ thống hóa và củng cố các kiến thức đã tiếp thu được.[10]

Dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề là kiểu dạy học dạy HS thói quen tìm tòi giải quyết vấn đề theo cách của các nhà khoa học, không những tạo nhu cầu,

hứng thú học tập, giúp học sinh chiếm lĩnh được kiến thức, mà còn phát triển được năng lực sáng tạo của học sinh.[11]

Theo Nguyễn Ngọc Hưng [11], các giai đoạn của tiến trình xây dựng kiến

thức theo kiểu dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề được tổ chức như sau:

Giai đoạn 1: Làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết từ tình huống (điều kiện) xuất phát:

từ kiến thức cũ, kinh nghiệm, thí nghiệm, bài tập, truyện kể lịch sử…

Giai đoạn 2: Phát hiện vấn đề cần giải quyết (câu hỏi cần câu trả lời)

Giai đoạn 3: Giải quyết vấn đề

- Suy đoán giải pháp giải quyết vấn đề: nhờ khảo sát lí thuyết hoặc khảo sát

thực nghiệm

- Thực hiện giải pháp đã suy đoán

Giai đoạn 4: Rút ra kết luận (kiến thức mới)

Giai đoạn 5: Vận dụng kiến thức mới để giải quyết những nhiệm vụ đặt ra tiếp theo

Hình 1.5 Sơ đồ khái quát của tiến trình xây dựng kiến thức theo kiểu DH PH

& GQ VĐ [11]

Cụ thể hơn, tùy theo nội dung kiến thức của bài học mà tiến trình xây dựng

kiến thức theo kiểu dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề diễn ra theo một trong hai con đường: Con đường lí thuyết và con đường thực nghiệm

 Các giai đoạn của tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường lý thuyết

của kiểu dạy học PH&GQVĐ

1 Làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết từ tình huống (điều kiện) xuất phát: từ kiến thức cũ, kinh nghiệm, thí nghiệm, bài tập, truyện kể lịch sử…

3 Giải quyết vấn đề

3.1 Giải quyết vấn đề nhờ suy luận lí thuyết, trong đó có suy luận toán học

- Suy đoán giải pháp giải quyết vấn đề:

* Xác định các kiến thức đã biết cần vận dụng

* Xác định cách thức vận dụng các kiến thức này để đi tới câu trả lời

- Thực hiện giải pháp đã suy đoán để tìm được kết quả

Làm thế nào để kiểm nghiệm nhờ thí nghiệm

kết quả đã tìm được từ suy luận lí thuyết? 3.2 Kiểm nghiệm kết quả đã tìm được từ suy luận lý thuyết nhờ thí nghiệm

- Xác định nội dung cần kiểm nghiệm nhờ thí nghiệm:

* Phân tích xem có thể kiểm nghiệm trực tiếp nhờ thí nghiệm kết quả thu được

từ suy luận lý thuyết không?

* Nếu không được, suy luận lôgic từ kết quả này ra hệ quả kiểm nghiệm được

nhờ thí nghiệm

- Thiết kế phương án thí nghiệm để kiểm nghiệm kết quả đã thu được từ suy luận lí thuyết hoặc hệ quả của nó: cần những dụng cụ nào, bố trí chúng ra sao, tiến hành thí nghiệm như thế nào, thu thập những dử liệu định tính và định lượng nào, xử lí các dữ

liệu thí nghiệm này như thế nào?

- Thực hiện thí nghiệm: Lập kế hoạch thí nghiệm, lắp ráp, bố trí và tiến hành thí nghiệm, thu thập và xử lí các dữ liệu thí nghiệm để đi tới kết quả

4 Rút ra kết luận

Đối chiếu kết quả thí nghiệm với kết quả đã rút ra từ suy luận lý thuyết Có 2 khả năng xảy ra:

- Nếu kết quả thí nghiệm phù hợp với kết quả đã tìm được từ suy luận lí thuyết thì kết

quả này trở thành kiến thức mới

- Nếu kết quả thí nghiệm không phù hợp với kết quả đã tìm được từ suy luận lí thuyết thì cần kiểm tra lại quá trình thí nghiệm và quá trình suy luận từ các kiến thức đã biết

Nếu quá trình thí nghiệm đã đảm bảo điều kiện mà thí nghiệm cần tuân thủ và quá trình suy luận không mắc sai lầm thì kết quả thí nghiệm đỏi hỏi phải đề xuất giả thuyết Quá trình kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết này sau đó sẽ dẫn tới kiến thức mới bổ sung,

sửa đổi những kiến thức đã vận dụng lúc đầu làm tiền đề cho suy luận lí thuyết

Những kiến thức vận dụng lúc đầu này nhiều khi là trường hợp riêng, trường hợp

giới hạn của kiến thức mới Qua đó, phạm vi áp dụng các kiến thức đã vận dụng lúc đầu được chỉ ra

Hình 1.6 Sơ đồ khái quát tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường lí thuyết

của kiểu DH PH & GQ VĐ [11]

2 Phát hiện vấn đề cần giải quyết (câu hỏi cần câu trả lởi)

 Các giai đoạn của tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường thực

nghiệm của kiểu dạy học PH & GQ VĐ

1 Làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết từ tình huống (điều kiện) xuất phát: từ kiến thức

cũ, kinh nghiệm, thí nghiệm, bài tập, truyện kể lịch sử…

2 Phát hiện vấn đề cần giải quyết (câu hỏi cần câu trả lởi)

3 Giải quyết vấn đề

3.1 Đề xuất giả thuyết

Các cách đề xuất giả thuyết: Kinh nghiệm; sự tương tự; mối liên hệ nhân q nghịch của nhiều quá trình; phép ngoại suy; các mối liên hệ định lượng thường gặp…

Làm thế nào để kiểm tra được nhờ thí nghiệm tính đúng đắn của giả thuyết đã đề

xuất?

3.2 Kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết nhờ thí nghiệm

- Xác định nội dung cần kiểm nghiệm nhờ thí nghiệm:

* Phân tích xem có thể kiểm tra trực tiếp nhờ thí nghiệm tính đúng đắn của

giả thuyết đã đề xuất không?

* Nếu không được, suy luận lôgic từ giả thuyết ra hệ quả kiểm tra được trực

tiếp nhờ thí nghiệm

- Thiết kế phương án thí nghiệm để kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết kết quả đã

thu được từ suy luận lí thuyết hoặc hệ quả của nó: cần những dụng cụ nào, bố trí

chúng ra sao, tiến hành thí nghiệm như thế nào, thu thập những dử liệu định tính và

định lượng nào, xử lí các dữ liệu thí nghiệm này như thế nào?

- Thực hiện thí nghiệm: Lập kế hoạch thí nghiệm, lắp ráp, bố trí và tiến hành thí

nghiệm, thu thập và xử lí các dữ liệu thí nghiệm để đi tới kết quả

4 Rút ra kết luận

Đối chiếu kết quả thí nghiệm với giả thuyết (hệ quả) đã đề xuất Có 2 khả năng xảy ra:

- Nếu kết quả thí nghiệm phù hợp với giả thuyết (hệ quả) đã đề xuất thì giả thuyết trở

thành kiến thức mới

- Nếu kết quả thí nghiệm không phù hợp với giả thuyết (hệ quả) đã đề xuất thì cần

kiểm tra lại quá trình thí nghiệm và quá trình suy luận từ giả thuyết ra hệ quả Nếu

quá trình thí nghiệm đã đảm bảo điều kiện mà thí nghiệm cần tuân thủ và quá trình

suy luận không mắc sai lầm thì kết quả thí nghiệm đỏi hỏi phải đề xuất giả thuyết

mới, rồi lại kiểm tra tính đúng đắn của nó Quá trình này có thể tiếp diễn nhiều lần,

cho tới khi xây dựng kiến thức mới

Hình 1.7 Sơ đồ khái quát tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường thực

nghiệm của kiểu DH PH & GQ VĐ [11]

Như vậy, chúng ta có thể thấy TN vật lí có vài trò vô cùng quan trọng, không

thể thay thế trong tiến trình dạy học giải quyết vấn đề TN vật lí tham gia vào hầu

hết các giai đoạn của tiến trình xây dựng kiến thức, từ tạo tình huống, giải quyết tình huống đến đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu tiếp theo cho HS

- Giai đoạn 1: Làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết

Ngoài việc dùng kiến thức cũ, kinh nghiệm, bài tập, truyện kể lịch sự … để làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết, GV có thể dùng TN là phương tiện để làm xuất

hiện vấn đề, kích thích sự tìm tòi suy nghĩ của HS TN làm xuất hiện trước HS một

hiện tượng mới lạ, xảy ra trái với suy nghĩ thông thường của HS và với vốn kiến

thức đã có, HS không thể giải quyết được, mà phải tìm tòi sáng tạo để giải quyết Như vậy, TN giúp làm xuất hiện mâu thuẫn nhận thức, kích thích sự tò mò, tạo

hứng thú nhận thức và động cơ học tập của HS Trong lí luận dạy học gọi là làm

xuất hiện tình huống có vấn đề

- Giai đoạn 3: Giải quyết vấn đề

+ TN hỗ trợ cho việc đề xuất giả thuyết

Khi xây dựng kiến thức theo con đường thực nghiệm của kiểu dạy học phát

hiện và giải quyết vấn đề, ngoài các cách đề xuất giả thuyết bằng kinh nghiệm, sự tương tự, mối liên hệ nhân quả…, GV có thể dùng TN để hỗ trợ việc đề xuất giả thuyết

Trong nghiên cứu vật lí, khi đứng trước một vấn đề hoàn toàn mới lạ, người nghiên cứu chưa có một chút hiểu biết hay kinh nghiệm nào đó liên quan, khó có

thể đưa ra được một dự đoán có căn cứ Để tránh khỏi một dự đoán vu vơ, nhà nghiên cứu thực hiện một TN thăm dò để sơ bộ xác định được phương hướng diễn

biến của hiện tượng, dựa trên đó mà xây dựng dự đoán giả thuyết TN trong trường

hợp này chưa khẳng định một điều gì cả mà chỉ gợi lên một hướng suy nghĩ Tất nhiên, cùng một TN cũng có thể gợi ra những suy nghĩ khác nhau, những dự đoán khác nhau

Đối với HS, chưa có nhiều kiến thức vật lí và kinh nghiệm thì việc sử dụng

TN để tạo ra cho họ một số kinh nghiệm thực tế ban đầu, hỗ trợ cho việc xây dựng

dự đoán là rất quan trọng, nếu không thì sẽ rơi vào tình trạng hoàn toàn bế tắc + TN kiểm tra kết quả đã tìm được từ suy luận lí thuyết (kiểu DH PH & GQ

VĐ theo con đường lí thuyết) hay dùng để kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết đã

đề xuất (kiểu DH PH & GQ VĐ theo con đường thực nghiệm)

Như ta đã thấy, trên con đường tìm tòi nghiên cứu để giải quyết những vấn

đề mới, nhà khoa học lúc đầu phải đưa ra câu trả lời dự đoán Dự đoán đó tuy có căn cứ nhưng không chắc chắn vì không suy ra được từ những kiến thức đã biết (còn gọi là giả thuyết) Vậy muốn biết dự đoán đó có đúng không, nghĩa là có phù

hợp với thực tế khách quan không thì bắt buộc phải làm TN kiểm tra Khi kết quả

TN phù hợp với dự đoán thì điều dự đoán đó trở thành chân lí khách quan, trở thành

kiến thức khoa học Nếu không phù hợp thì phải bỏ đi để xây dựng dự đoán mới

Vì dự đoán là mới mẻ, chưa từng có nên TN để kiểm tra dự đoán cũng là mới

mẻ, chưa từng có Dự đoán thường có tính trừu tượng khái quát TN lại chỉ là một

biểu hiện trong trường hợp cụ thể, với những điều kiện cụ thể có thể quan sát được

Bởi vậy, trước khi làm TN kiểm tra, cần phải đảm bảo rằng, lập luận suy từ dự đoán khái quát ra biểu hiện cụ thể trong TN phải chặt chẽ không sai sót Trong nhiều trường hợp, quá trình suy luận đó khá dài dòng, cần sử dụng cả lập luận lôgíc và

biến đổi toán học khá phức tạp, rất dễ phạm sai lầm Như vậy, TN thường không

kiểm tra trực tiếp dự đoán mà kiểm tra gián tiếp qua hệ quả của nó Một dự đoán (giả thuyết) có thể có nhiều hệ quả trong những điều kiện khác nhau Càng kiểm tra

bằng TN được nhiều hệ quả thì điều dự đoán càng có giá trị cao Đến một lúc, người

ta phát hiện ra kết quả TN không phù hợp với một hệ quả nào đó thì phải bổ sung,

sửa đổi kiến thức cũ để xây dựng một kiến thức mới rộng hơn, khái quát hơn, bao

gồm nhiều kiến thức cũ như trường hợp riêng

Tính mới mẻ của TN kiểm tra thể hiện ở nhiều mặt: sử dụng trang thiết bị

mới, cách xử lí kết quả đo lường, độ chính xác của phép đo,…Bởi vậy, người nghiên cứu phải chế tạo ra dụng cụ TN mới, đề xuất phương án TN mới, nghĩ ra

một phương pháp mới nâng cao tính hiệu quả, độ chính xác của TN,…

- Giai đoạn 5: Vận dụng kiến thức mới để giải quyết các nhiệm vụ đặt ra tiếp theo