Mục đích nghiên cứu
Mục đích của sáng kiến kinh nghiệm này là xây dựng một số chuỗi bài tập sáng tạo Vật lý theo lý thuyết TRIZ.
Nội dung của sáng kiến kinh nghiệm…
Cơ sở khoa học của sáng kiến kinh nghiệm
2.1.1 Khái niệm về sáng tạo
Theo Từ điển Triết học, sáng tạo là quá trình hoạt động của con người nhằm tạo ra những giá trị vật chất và tinh thần mới về chất GS Phan Dũng cho rằng tư duy sáng tạo là quá trình suy nghĩ để tìm ra lời giải từ trạng thái không biết cách đạt đến mục đích đến biết cách đạt đến mục đích, hoặc từ không biết cách tối ưu đến biết cách tối ưu đạt mục đích trong số các cách đã biết Chương trình giáo dục tổng thể của Bộ Giáo dục và Đào tạo định nghĩa năng lực là thuộc tính cá nhân được hình thành, phát triển nhờ tố chất sẵn có và quá trình học tập, rèn luyện, cho phép con người huy động tổng hợp kiến thức, kỹ năng và các thuộc tính cá nhân khác như hứng thú, niềm tin, ý chí để thực hiện thành công một loại hoạt động nhất định và đạt kết quả mong muốn trong những điều kiện cụ thể.
[1] Vậy năng lực sáng tạo là thuộc tính của cá nhân để tạo ra một kết quả mới trong hoàn cảnh cụ thể
2.1.2 Dạy học Vật lý phát triển năng lực sáng tạo
Hình 2.1 Chu trình nhận thức sáng tạo của Ra-zu-mốp-xki [6]
Dạy học phát triển năng lực sáng tạo có thể dựa trên quy trình nhận thức sáng tạo của V.G Ra-zu-mốp-xki với bốn giai đoạn, trong đó giai đoạn khó khăn nhất và đòi hỏi sự sáng tạo cao nhất là từ những sự kiện khởi đầu đến việc đề xuất mô hình giả thuyết Ở giai đoạn này, không có con đường suy luận lôgic rõ ràng mà chủ yếu dựa vào tư duy trực giác, đòi hỏi người học phải đưa ra phỏng đoán mới, giải pháp mới chưa từng có, thể hiện hoạt động sáng tạo thực sự trong quá trình học vật lí.
2.1.3 Lý thuyết giải các bài toán phát minh – TRIZ
TRIZ (Theory of Inventive Problem Solving - Lý thuyết giải các bài toán phát minh) là một lý thuyết hoàn chỉnh về giải quyết các bài toán sáng chế do nhà bác học Genrich Saulovich Altshuller (Liên Xô cũ) phát minh TRIZ tập trung vào việc xây dựng cơ chế định hướng từ bài toán đến lời giải, giúp người giải phát triển tư duy sáng tạo và định hướng rõ ràng Hiện nay, hệ thống công cụ của TRIZ đã phát triển toàn diện trong lĩnh vực sáng tạo và đổi mới, bao gồm 40 nguyên tắc sáng tạo cơ bản, 9 quy luật phát triển hệ thống, 11 biến đổi mẫu, 76 chuẩn dùng để giải bài toán sáng chế và thuật giải các bài toán ARIZ.
Trong dạy học Vật lý chúng ta có thể vận dụng nguyên lý sau của TRIZ để xây dựng và phát triển các bài toán sáng tạo [16]:
+ Nguyên tắc kết hợp : Kết hợp nhiều dữ kiện, yếu tố, nhiều bài toán thành một bài toán mới.
+ Nguyên tắc phẩm chất cục bộ : Vận dụng để xây dựng mô hình thiết bị kỹ thuật trong bài toán hộp đen.
+ Nguyên tắc phân chia : Tách bài toán thành các bài toán cơ bản và quen thuộc.
+ Nguyên tắc liên tục tác động có ích : Yêu cầu học sinh thiết kế mô hình, sản phẩm kỹ thuật trong giờ thực hành học trong một dự án.
+ Nguyên tắc thay đổi dữ kiện đầu vào: Thay đổi các dữ kiện bài toán để các hiện tượng xảy ra trong bài toán hoàn toàn thay đổi.
+ Nguyên tắc sử dụng trung gian: Thông qua các ẩn số trung gian hoặc bài toán trung gian để giải quyết bài toán.
+ Nguyên tắc đảo ngược : Đảo ngược giải thuyết thành kết luận.
Nguyên tắc quan hệ phản hồi là việc thiết lập mối liên hệ giữa các yếu tố, dữ kiện và lời giải của bài toán, đảm bảo sự tác động qua lại lẫn nhau giữa các đại lượng hoặc các bộ phận trong một sản phẩm kỹ thuật Việc áp dụng nguyên tắc này giúp các thành phần trong hệ thống phối hợp chặt chẽ, nâng cao hiệu quả hoạt động và chất lượng sản phẩm Đây là yếu tố quan trọng trong thiết kế, vận hành và tối ưu hóa các sản phẩm kỹ thuật hiện đại.
+ Nguyên tắc linh động : Tìm các cách tiếp cận và các lời giải đa dạng.
+ Nguyên tắc tác động lên “nhiễu ”: Tách hoặc tác động lên các yếu tố gây “nhiễu” để các yếu tố này không còn xuất hiện trong bài toán nữa.
2.1.4 Bài tập sáng tạo Vật lý
Bài tập Vật lý đóng vai trò quan trọng trong quá trình dạy học, giúp củng cố kiến thức, phát triển kỹ năng và năng lực tư duy cho học sinh Có hai loại bài tập phổ biến là bài tập đúng với dữ kiện đầu vào rõ ràng, đáp số đã biết trước, và bài tập sáng tạo với dữ kiện không chỉ dẫn cách giải hoặc đáp số đúng Theo Ra-zu-môp-xki, bài tập sáng tạo Vật lý gồm bài tập nghiên cứu đối tượng (giải thích bản chất, nguyên nhân vấn đề) và bài tập nghiên cứu thiết kế (tìm kiếm phương pháp, sơ đồ, kỹ thuật đo lường sản phẩm) Dấu hiệu nhận biết bài tập sáng tạo bao gồm: có nhiều cách giải, nội dung biến đổi, bài tập thí nghiệm, bài tập thiếu, thừa hoặc sai dữ kiện, bài tập nghịch lý, ngụy biện và bài tập hộp đen.
2.1.5 Quy trình xây dựng bài tập sáng tạo Vật lý theo lý thuyết TRIZ
Quy trình áp dụng lý thuyết TRIZ xây dựng bài tập sáng tạo Vật lý có thể được mô hình hóa bằng sơ đồ sau:
Hình 2.2 Quy trình xây dựng bài tập sáng tạo theo lý thuyết TRIZ
Chúng ta có thể lựa chọn các bài tập cơ sở (BTCS) từ sách giáo khoa, sách tham khảo hoặc các tài liệu khác để làm xuất phát điểm Sau khi giải các BTCS này và tìm ra đáp số, chúng ta tiến hành phân tích giả thiết, yêu cầu, hiện tượng và quá trình Vật lý liên quan Tiếp theo, áp dụng các nguyên tắc trong lý thuyết TRIZ để xây dựng các bài tập sáng tạo (BTST), thông qua việc biến đổi các yếu tố đầu vào, đầu ra hoặc các hiện tượng, quá trình và bản chất Vật lý của bài tập.
2.1.6 Dạy học bài tập sáng tạo Vật lý
Quy trình hướng dẫn và hỗ trợ học sinh giải bài tập sáng tạo Vật lý bắt đầu từ việc học sinh tiếp nhận bài toán, nhận dạng loại bài tập trong sáu loại đã nêu, sau đó phân tích và đề xuất các phương án giải quyết Giai đoạn đánh giá, lựa chọn phương án tối ưu là bước quan trọng, thường tốn nhiều thời gian và cần sự hỗ trợ tích cực từ giáo viên để giúp học sinh rút ngắn quá trình này Sau khi hoàn thành sản phẩm hoặc kết quả, cần tiến hành đánh giá để xác định tính đúng đắn và mức độ chính xác của giải pháp, đảm bảo hiệu quả trong quá trình học tập Vật lý.
Hình 2.3 Quy trình định hướng giải quyết BTST Vật lý
Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm
Bài tập Vật lý đóng vai trò vừa là nội dung vừa là công cụ trong quá trình dạy học Vật lý tại các trường THPT Nguồn bài tập phong phú, bao gồm sách giáo khoa, sách bài tập, sách tham khảo, các đề thi và chuyên đề của giáo viên Học sinh thường xuyên phải hoàn thành một lượng bài tập nhất định theo yêu cầu, đồng thời có thể tự luyện tập thêm qua các tài liệu tham khảo Đa số bài tập Vật lý hiện nay đều là bài tập đúng, có đáp án và lời giải duy nhất, giúp học sinh dễ dàng tra cứu và đối chiếu kết quả Tuy nhiên, việc áp dụng hình thức thi trắc nghiệm khách quan trong các kỳ thi lớn khiến học sinh chủ yếu luyện tập giải bài tập theo lối máy móc, ít chú trọng đến tư duy thực tiễn và sáng tạo Các dạng bài tập yêu cầu trả lời câu hỏi “làm thế nào” hoặc bài tập thiết kế gần như không xuất hiện trong các tài liệu học tập phổ biến, làm hạn chế khả năng phát triển tư duy và vận dụng kiến thức vào thực tế của học sinh.
Trong những năm gần đây, đề thi học sinh giỏi cấp tỉnh môn Vật lý tại Thanh Hóa đã xuất hiện dạng câu hỏi về phương án thí nghiệm, đây là dạng bài tập sáng tạo, giúp nâng cao khả năng vận dụng kiến thức của học sinh Sự thay đổi này đã tác động mạnh mẽ đến cách kiểm tra, đánh giá năng lực học sinh ở mức độ cao, đồng thời tiệm cận với xu hướng ra đề thi học sinh giỏi quốc gia và Olympic Vật lý khu vực, quốc tế Bên cạnh đó, xu hướng này cũng phù hợp với những cập nhật mới trong Chương trình giáo dục phổ thông tổng thể sắp tới.
Cuộc thi sáng tạo khoa học kỹ thuật VISEF ngày càng phổ biến tại Thanh Hóa, góp phần đổi mới phương pháp dạy và học Vật lý, đặc biệt là trong việc giải bài tập Tham gia VISEF giúp học sinh áp dụng kiến thức Vật lý vào nhiều lĩnh vực thực tiễn, từ đó nâng cao hiệu quả học tập và phát triển tư duy sáng tạo.
Hiện nay, số lượng bài tập sáng tạo Vật lý còn rất hạn chế, trong khi phương pháp xây dựng loại bài tập này chưa được nghiên cứu và phát triển đầy đủ trong dạy học Vật lý Điều này tạo ra một khoảng trống lớn, đòi hỏi giáo viên Vật lý phải đầu tư nhiều công sức, trí tuệ và thời gian để phát triển các bài tập sáng tạo nhằm đáp ứng yêu cầu của Chương trình giáo dục phổ thông mới, nơi năng lực sáng tạo là một trong ba năng lực cốt lõi cần phát triển cho học sinh Sáng kiến kinh nghiệm này là một trong những giải pháp đầu tiên góp phần đáp ứng nhiệm vụ đổi mới dạy học Vật lý hiện nay.
Xây dựng chuỗi bài tập sáng tạo Vật lý theo lý thuyết TRIZ
Dạy học Vật lý trong Trường THPT có nhiều hình thức nhưng dựa vào mục tiêu dạy học bài tập sáng tạo Vật lý trong
SKKN này được áp dụng cho bốn hình thức cơ bản gồm: dạy học chính khóa, luyện thi THPT Quốc gia, bồi dưỡng học sinh giỏi cấp tỉnh và tham dự cuộc thi Sáng tạo Khoa học - Kỹ thuật VISEF Đặc biệt, dạy học chính khóa có thể triển khai hiệu quả trong các tiết dạy bài mới, tiết bài tập cũng như tiết thực hành, góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập.
Trong chương trình Vật lý THPT, hai phần Cơ học và Điện tử học chiếm tỉ lệ nội dung lớn, do đó SKKN tập trung xây dựng chuỗi bài tập cho hai phần này nhằm nâng cao hiệu quả học tập Ngoài ra, các phần nội dung khác cũng có thể áp dụng các nguyên tắc khoa học và kinh nghiệm thực tiễn để phát triển các chuỗi bài tập sáng tạo, góp phần đổi mới phương pháp dạy và học Vật lý.
Do giới hạn của SKKN, mỗi phần chỉ trình bày một số bài tập sáng tạo Vật lý tiêu biểu, phù hợp để áp dụng cho bốn hình thức dạy học đã nêu Các bài tập này được lựa chọn nhằm phát huy tính sáng tạo, tư duy logic và khả năng vận dụng kiến thức của học sinh trong quá trình học Vật lý Việc áp dụng các bài tập sáng tạo không chỉ giúp nâng cao hiệu quả dạy học mà còn tạo động lực, hứng thú học tập cho học sinh, góp phần đổi mới phương pháp giảng dạy Vật lý theo hướng phát triển năng lực người học.
Mỗi chuỗi bài tập sáng tạo Vật lý bao gồm các phần: Bài tập cơ sở (BTCS) là các bài tập chuẩn từ sách giáo khoa hoặc sách tham khảo Vật lý, có lời giải chi tiết và đáp số chính xác Nguyên tắc sáng tạo (NTST) trình bày các nguyên lý TRIZ ứng dụng để phát triển bài tập sáng tạo từ bài tập cơ sở hoặc từ các bài tập sáng tạo trước đó Bài tập sáng tạo (BTST) cung cấp nội dung các bài tập Vật lý sáng tạo nhằm phát triển tư duy học sinh Định hướng tư duy (ĐHTD) là các câu hỏi định hướng giúp học sinh giải quyết hiệu quả bài tập Lời giải tóm tắt (LGTT) đưa ra lời giải ngắn gọn để học sinh tham khảo khi gặp khó khăn Hình thức dạy học (HTDH) gợi ý phương pháp và kỹ thuật giảng dạy phù hợp với loại bài tập này, giúp nâng cao hiệu quả học tập và phát triển tư duy sáng tạo cho học sinh.
2.3.1 Một số chuỗi bài tập sáng tạo phần Cơ học
Bài tập vật lý này yêu cầu tính toán chuyển động của một hòn bi lăn theo cạnh của mặt bàn hình chữ nhật cao h = 1,25 m, khi rơi xuống nền nhà tại điểm cách mép bàn một khoảng L = 1,50 m theo phương ngang Để giải bài toán, ta cần áp dụng các công thức về chuyển động ném ngang, xác định thời gian rơi tự do của hòn bi dựa vào độ cao h, sau đó tính vận tốc ban đầu theo phương ngang dựa vào khoảng cách L Bài toán này giúp học sinh rèn luyện kỹ năng vận dụng kiến thức về động lực học và các định luật chuyển động trong vật lý.
Để xác định vận tốc tối đa của một cái thước nhựa khi uốn cong rồi thả bật ra, bạn cần sử dụng nguyên tắc sao chép và nguyên tắc trung gian để biến bài toán cơ sở thành bài toán sáng tạo Giả sử bạn chỉ có một cục tẩy và một thước dây đo chiều dài, bạn cần xác định các đại lượng như quãng đường di chuyển của thước, thời gian di chuyển và vận tốc tại thời điểm thước rời khỏi vị trí cong Việc xác định vận tốc yêu cầu đo chính xác chiều dài quãng đường và thời gian thước di chuyển, từ đó áp dụng công thức vận tốc để tính ra vận tốc tối đa đạt được Phương pháp này giúp bạn giải quyết hiệu quả bài toán vật lý lớp 10, đồng thời tuân thủ các nguyên tắc cơ bản trong thực nghiệm và đo lường.
Để đo các đại lượng vật lý trong thí nghiệm này, chúng ta cần xác định chiều cao h và thời gian bay t của cục tẩy Tuy nhiên, chúng ta có thể thiếu dụng cụ đo thời gian chính xác Để khắc phục, ta không nhất thiết phải đo trực tiếp thời gian mà có thể sử dụng công thức t = √(2h/g) khi thả cục tẩy từ độ cao h Cục tẩy được đặt cạnh thước uốn cong và khi được ném từ độ cao xác định, thời gian bay của nó có thể tính toán dựa trên độ cao mà không cần dùng đồng hồ bấm giờ, giúp đơn giản hóa quá trình thí nghiệm và đảm bảo kết quả chính xác hơn.
Tầm bay xa của cục tẩy được xác định theo công thức s = v.t = v√(2gh), từ đó vận tốc tối đa của cục tẩy là v = s/√(2gh) Để xác định các giá trị này, ta sử dụng thước dây đo tầm bay xa s và độ cao h, với g là gia tốc rơi tự do xấp xỉ 9,8 m/s² Qua đó, vận tốc tối đa của thước được xác định thông qua chuyển động ném ngang của cục tẩy Bài tập này là một dạng sáng tạo được phát triển từ SGK, có thể áp dụng ngay trong tiết học hoặc tiết bài tập, giúp học sinh rèn luyện kỹ năng giải quyết vấn đề đa dạng và logic Giáo viên nên thực hiện thí nghiệm minh họa để học sinh dễ hình dung Ngoài ra, có thể biến đổi bài toán bằng cách thay đổi dữ kiện đầu vào, ví dụ như xác định vận tốc ném của hai người chỉ với một thước đo chiều dài, hoặc so sánh vận tốc ném ngang và ném xiên để tìm ra phương pháp so sánh chính xác nhất.
Vận tốc của vật ném ngang được xác định bằng cách đo quãng đường vật đi được theo phương ngang trong một khoảng thời gian nhất định, sử dụng công thức v = s/t Biểu thức so sánh giữa hai vận tốc này là tỉ số vận tốc của hai vật: v₁/v₂ = s₁/t₁ : s₂/t₂ Thước dây được dùng để đo quãng đường mà vật di chuyển theo phương ngang Chúng ta cần đo các đại lượng như quãng đường (s) và thời gian (t) để xác định vận tốc Khi cho hai người khác nhau lần lượt ném quả bóng theo phương ngang, ta có thể so sánh vận tốc ném của mỗi người dựa trên các số liệu đo được.
Sau khi ném ngang, sử dụng thước dây để đo khoảng cách bay xa S1, S2 mà hai em đạt được Nếu quả bóng được ném từ độ cao h, thời gian bay của quả bóng được tính theo công thức: t = √(2h/g).
Tầm bay xa của quả bóng được tính theo công thức s = v.t = v√(2gh), trong đó v là vận tốc ném, g là gia tốc trọng trường và h là độ cao Nếu gọi v1, v2 lần lượt là vận tốc ném của hai người thì tầm bay xa của quả bóng do mỗi người thực hiện sẽ khác nhau tùy thuộc vào vận tốc ném tương ứng Công thức này giúp xác định chính xác khoảng cách bóng bay xa dựa trên các yếu tố vận tốc và độ cao ban đầu, tối ưu hóa hiệu quả khi áp dụng trong thực tế.
Để giải bài tập này, chúng ta chỉ cần sử dụng thước dây để đo tầm bay xa S1, S2 của quả bóng cùng với các độ cao h1, h2 tại điểm bóng được ném đi Để đơn giản hóa, có thể đặt h1 = h2 bằng cách cho người thấp hơn đứng trên bệ cao hoặc người cao cúi xuống phù hợp Nhờ đó, việc tính toán vận tốc ban đầu trở nên dễ dàng và chính xác hơn, đảm bảo kết quả bài tập được thực hiện đúng theo yêu cầu.
Bài tập HTDH là dạng bài tập sáng tạo nhằm tìm phương án thiết kế, thường trả lời cho câu hỏi “làm thế nào”, có thể sử dụng ngay trong tiết học hoặc trong tiết bài tập tiếp theo Giáo viên cần giải thích rõ các điều kiện lý tưởng hóa của bài tập, đồng thời hướng dẫn học sinh cách giải quyết thông qua các yếu tố trung gian, đây là phương pháp giúp phát triển tư duy sáng tạo trong giải quyết vấn đề.
Bài tập 2 a) BTCS: Trình bày cách xác định trọng tâm của các vật phẳng, mỏng (Hình 17.4 bài 17 SGK cơ bản lớp 10) [8].
Để xác định trọng tâm của một mô hình, ta treo mô hình lên bằng dây và vẽ một đường thẳng theo chiều dây treo Sau đó, chuyển sang vị trí treo khác và tiếp tục vẽ một đường thẳng thứ hai Giao điểm của hai đường thẳng này chính là trọng tâm của mô hình; nếu hai đường không cắt nhau trên mô hình thì cần kéo dài chúng để xác định giao điểm ngoài mô hình, khi đó trọng tâm nằm ngoài vật thể Ngoài ra, khi trình bày sản phẩm, học sinh cần phân tích phương pháp thực hiện thay vì chỉ mô tả lại các bước Để xây dựng bài tập sáng tạo, có thể áp dụng nguyên tắc linh động của lý thuyết TRIZ nhằm khuyến khích tư duy sáng tạo và giải quyết vấn đề hiệu quả.
Trọng tâm của con người là yếu tố quan trọng quyết định thành tích trong môn nhảy cao, bởi vị trí này thay đổi linh hoạt tùy theo tư thế của vận động viên Khi đứng thẳng, trọng tâm nằm ở vùng lưng, nhưng khi giơ tay, chân hoặc gập lưng, trọng tâm sẽ dịch chuyển theo tư thế Các vận động viên nhảy cao đã từng sử dụng nhiều tư thế như kiểu bước qua, kiểu úp bụng và kiểu ưỡn lưng, trong đó kiểu ưỡn lưng là phổ biến nhất hiện nay Dù lực bật nhảy của con người chỉ dao động khoảng 1 mét, thành tích nhảy cao liên tục được nâng lên nhờ kỹ thuật đưa trọng tâm xuống thấp hơn xà, giúp vận động viên vượt qua xà mà trọng tâm không cần phải vượt quá độ cao tối đa của cú bật Việc sử dụng mô hình mô phỏng và phương pháp thực nghiệm giúp nghiên cứu rõ hơn về sự thay đổi trọng tâm trong các tư thế nhảy cao, từ đó tối ưu hóa kỹ thuật và cải thiện thành tích cho các vận động viên điền kinh.
Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm
SKKN đã góp phần nâng cao năng lực chuyên môn và phát triển cá nhân lên tầm cao mới, đặc biệt thông qua việc xây dựng và ứng dụng chuỗi bài tập sáng tạo theo lý thuyết TRIZ Nhờ đó, cá nhân không chỉ phát triển sâu về kiến thức Vật lý mà còn mở rộng năng lực sáng tạo khoa học Việc áp dụng các bài tập sáng tạo này đã giúp tác giả hình thành năng lực sư phạm linh hoạt, đáp ứng hiệu quả yêu cầu đổi mới giáo dục hiện nay.
Việc phổ biến SKKN trong thời gian tới sẽ mở ra cơ hội cho giáo viên Vật lý phát triển năng lực sáng tạo, xây dựng các bài tập Vật lý phong phú và đa dạng hơn Điều này không chỉ giúp hình thành năng lực mới mà còn góp phần nâng cao nghệ thuật giảng dạy, đưa hoạt động giảng giải của giáo viên Vật lý lên một tầm cao mới.
Việc áp dụng các bài tập sáng tạo trong sáng kiến kinh nghiệm vào các giờ dạy chính khóa như tiết học bài mới, tiết bài tập đã tạo ra sự tò mò, hứng thú cao cho học sinh Đặc biệt, các bài tập này phù hợp với việc bồi dưỡng học sinh giỏi cấp tỉnh môn Vật lý và nâng cao năng lực vận dụng kiến thức trong luyện thi THPTQG Trong thời gian tới, việc triển khai các bài tập sáng tạo sẽ được mở rộng thành các dự án cá nhân, giúp học sinh có cơ hội tham gia và gửi sản phẩm dự thi cuộc thi sáng tạo Khoa học Kỹ thuật VISEF, góp phần phát triển tư duy sáng tạo và kỹ năng nghiên cứu khoa học cho học sinh.
Đây là sáng kiến kinh nghiệm đầu tiên ứng dụng lý thuyết TRIZ để xây dựng bài tập sáng tạo, mở ra hướng đi mới cho nhà trường và ngành giáo dục Sự thành công của sáng kiến này có thể áp dụng cho nhiều môn học khác như Toán, Hóa học, Sinh học, Công nghệ và Tin học Nếu các phương pháp và quy trình trong sáng kiến được triển khai rộng rãi, chúng ta có thể thúc đẩy phong trào phát triển năng lực sáng tạo cho học sinh, góp phần nâng cao chất lượng giáo dục toàn diện.