Vận dụng phương pháp mô hình trong dạy học chương từ trường vật lý 11 nâng cao luận văn thạc sĩ giáo dục học

Trong vật lý học, V.A Stôphơ đã định nghĩa mô hình như sau: “Mô hình là một hệ thống được hình dung trong óc hay được thực hiện một cách vật chất, hệ thống đó phản ánh những thuộc tính b

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Trờng đại học vinh

TRẦN QUANG TRUNG

VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP Mễ HèNH

TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG

“TỪ TRƯỜNG” VẬT Lí 11 NÂNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SỸ GIÁO DỤC HỌC CHUYấN NGÀNH LL&PP DẠY HỌC BỘ MễN VẬT Lí

MÃ SỐ: 60.14.60

Vinh năm – 2011

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các tổ chức, các thầy giáo, cô giáo, đồng nghiệp, bạn bè và người thân.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với nhà giáo-PGS.TS Nguyễn Đình Thước, người đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp

đỡ tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn.

Tác giả gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy giáo, cô giáo trong tổ PPDH Vật lí trường Đại học vinh, các thầy giáo trong khoa sau đại học trường Đại học vinh, các thầy cô giáo giảng dạy khoa Vật lí trường Đại học vinh.

Xin cảm ơn ban giám hiệu, tổ vật lí, các đồng nghiệp trường THPT Diễn châu 3 Nghệ an cùng các thầy cô giáo bộ môn Vật lí của các trường THPT đã hợp tác, tạo điều kiện cho tác giả trong quá trình tìm hiểu, khảo sát và triển khai đề tài.

Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với gia đình, người thân và bạn bè

đã luôn động viên, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.

Tác giả

TRẦN QUANG TRUNG

MỤC LỤC

Trung học cơ sởTrung học phổ thôngThí nghiệm

Thực nghiệm sư phạm

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước là mục tiêu hàng đầu trong đườnglối xây dựng phát triển của nước ta, "Đến năm 2020 đất nước ta về cơ bản phảitrở thành nước công nghiệp” Muốn thực hiện thành công sự nghiệp này, chúng

ta phải thấy rõ nhân tố quyết định thắng lợi chính là nguồn nhân lực con ngườiViệt Nam Nền giáo dục của ta không chỉ lo đào tạo cho đủ về số lượng mà cầnquan tâm đặc biệt đến chất lượng đào tạo

Trước tình hình đó, nhiệm vụ quan trọng đề ra cho các môn học trongtrường phổ thông là phải làm sao cho khi vào đời, bắt tay tham gia vào laođộng sản xuất hoặc lao động trong một ngành khoa học kỹ thuật nào đó, họcsinh có thể nhanh chóng tiếp thu được cái mới, mau chóng thích ứng với trình

độ hiện đại của khoa học và kỹ thuật Để làm được điều đó, ngoài việc trang bịcho học sinh vốn kiến thức, kỹ năng tối thiểu cần thiết, các môn học cần phảitạo ra cho họ một tiềm lực để họ có thể đi xa hơn những hiểu biết mà họ đã thulượm được trong nhà trường Tiềm lực đó chính là khả năng giải quyết nhữngvấn đề mà sản xuất và đời sống đặt ra cho họ, là khả năng tự vạch ra đường đi

để đạt tới những nhận thức mới Tiềm lực đó nằm trong phương pháp tư duy vàhành động một cách khoa học Do đó vấn đề bồi dưỡng cho học sinh cácphương pháp nhận thức khoa học đã trở thành nhiệm vụ quan trọng của cácmôn học trong nhà trường phổ thông

Chỉ trên cơ sở dạy cho các em các phương pháp nhận thức khoa học chúng

ta mới có thể làm cho các em biết học tập một cách chủ động, mới rèn luyệnđược trí thông minh, sáng tạo ở các em Nhưng việc rèn luyện trí thông minh

sáng tạo trong dạy học ở trường phổ thông nước ta hiện nay còn mới mẻ, đangcòn nhiều khó khăn cả về lý luận lẫn thực tiễn.

Để đạt được mục đích đó, chúng ta cần phải nghiên cứu, áp dụng và liên tụccải tiến các phương pháp giảng dạy Nền giáo dục của nước ta hiện nay đã sửdụng một số phương pháp dạy học mang lại những hiệu quả nhất định nhưphương pháp thực nghiệm, phương pháp đàm thoại nêu vấn đề, phương phápdiễn giảng

Phương pháp mô hình (PPMH) là một trong những phương pháp nhận thứckhoa học đã được vận dụng vào trong dạy học vật lí

PPMH ngày càng trở nên quan trọng không những trong vật lý mà cả trongnhững ngành khoa học tự nhiên và xã hội khác Chính vì vậy, chúng tôi chọn

đề tài: Vận dụng phương pháp mô hình trong dạy học chương “Từ

trường” vật lý lớp 11 nâng cao

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu vận dụng PPMH vào dạy học một số kiến thức chương “Từ

trường” nhằm bồi dưỡng năng lực nhận thức vật lí cho học sinh, góp phần nângcao chất lượng hiệu quả học tập

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Qúa trình dạy học vật lí ở THPT

- Phương pháp mô hình trong dạy học vật lí

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Sử dụng phương pháp mô hình dạy học chương “Từ trường” -vật lí 11

4 Giả thuyết khoa học

Nếu dạy học chương “Từ trường” vật lí 11 nâng cao theo PPMH một cáchkhoa học thì sẽ nâng cao được chất lượng học tập vật lý của học sinh

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

5.1 Nghiên cứu quá trình nhận thức vật lý bằng PPMH

5.2 Nghiên cứu lý luận dạy học vật lý bằng PPMH

5.3 Nghiên cứu nội dung chương Từ trường Vật lý 11 nâng cao.

5.4 Tìm hiểu thực trạng nhận thức về PPMH và sử dụng PPMH trong dạy họcvật lý ở trường phổ thông

5.5 Thiết kế và triển khai dạy học những nội dung cụ thể chương “Từ trường”bằng PPMH

6 Phương pháp nghiên cứu

6.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết: Hệ thống hóa những cơ sở lí luận về

PPNT bằng mô hình trong vật lý và trong dạy học vật lý

6.2 Phương pháp chuyên gia: Hỏi ý kiến các nhà sư phạm, giáo viên vật lí vềnhững vấn đề dạy học liên quan đến đề tài

6.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm sư phạm

6.4 Phương pháp thống kê toán học: Xử lí các số liệu điều tra, kết quả địnhlượng thực nghiệm sư phạm

7 Đóng góp của luận văn

8 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ lục và tài liệu tham khảo, luậnvăn có 3 chương sau:

Chương 1: Cơ sở lý luận của đề tài

Chương 2: Tổ chức dạy học chương “Từ trường” vật lý 11 nâng cao theoPPMH

Chương 3: Thực nghiệm sư phạm

Chương 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI

1.1 Mô hình

1.1.1 Khái niệm về mô hình

Khái niệm mô hình được sử dụng rộng rãi trong ngôn ngữ thông dụng hàngngày với những ý nghĩa rất khác nhau Trong các môn khoa học tự nhiên họcsinh thường gặp mô hình tế bào, mô hình lò cao, mô hình động cơ đốt trong,tức là vật chất có cấu tạo không gian giống như vật mà ta cần nghiên cứu Môhình phân tử, mô hình nguyên tử lại mô tả những vật thể mà ta chỉ biết đượcnhững tính chất của chúng chứ không quan sát trực tiếp được Mô hình quátrình dạy học, mô hình bài học lại không phản ánh một vật thể nào cả mà phảnánh một sự kiện trừu tượng Mô hình con người mới, mô hình nhà trường phổthông được hiểu là mẫu mực mà ta phải vươn tới chứ không phải là phỏng theomột thực thể đang tồn tại

Trong vật lý học, V.A Stôphơ đã định nghĩa mô hình như sau: “Mô hình là một hệ thống được hình dung trong óc hay được thực hiện một cách vật chất,

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

Theo định nghĩa này, cần đặc biệt chú ý đến sự khác biệt giữa mô hình vớiđối tượng vật chất Một mô hình chỉ phản ánh một số tính chất của đối tượngvật chất Cùng một đối tượng vật chất nhưng có thể có nhiều mô hình khácnhau Như vậy mô hình không đồng nhất với đối tượng mà nó phản ánh

Còn theo Halbwachs thì định nghĩa “Những dấu hiệu bao gồm trong các hình vẽ, các giản đồ, các ký hiệu toán học hay đơn giản hơn, những mệnh đề

được thành lập bởi các từ, những hệ thống sẽ được dùng để biểu diễn cảnh huống Với một hệ thống các dấu hiệu như thế, chúng ta gọi là một mô hình”.

Khái niệm “mô hình”, theo định nghĩa chung nhất của nó thì là một cái gì đó(một vật thể, một sự biểu đạt hình tượng, một phương trình ) thay thế cho cáinguyên gốc, nó cho phép thay thế cái nguyên gốc này bởi sự trung gian giúpcho dễ hiểu hơn, dễ đạt tới hơn đối với nhận thức Quan hệ giữa mô hình vớithực tế có thể hoặc là sự tương tự về hình thức bề ngoài hoặc là sự tương tự củacái cấu trúc bị che khuất, hoặc là sự tương tự chức năng, hiệu quả

1.1.2 Các chức năng của mô hình

Như chúng ta đã thấy, vai trò của một mô hình vật lý nhằm đảm bảo cho sự

thấu hiểu khoa học một đối tượng vật lý nào đó Như vậy, trong vật lý học môhình có ba chức năng chính sau đây:

a) Mô tả sự vật, hiện tượng

b) Giải thích các sự kiện và hiện tượng có liên quan tới đối tượng

c) Tiên đoán các sự kiện và hiện tượng mới

Một mô hình không phải chỉ dùng để mô tả và giải thích các hiện tượng vật lý

mà hơn thế nữa, nó còn được dùng để tiên đoán những hiện tượng mới Không

có chức năng tiên đoán này, mô hình mất đi vai trò quan trọng của nó trongkhoa học

Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng mô hình đường cảm ứng từ trong dạy học về

từ trường và hiện tượng cảm ứng điện từ (lớp 11) Mô hình đường cảm ứng từkhông những biểu diễn được hướng mà còn cả độ lớn của lực từ ở mỗi điểmxung quanh nam châm Sử dụng mô hình đường cảm ứng từ giúp ta phát hiện

ra định luật cảm ứng điện từ: dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một khungdây dẫn kín khi từ thông qua thiết diện của khung dây biến thiên Bằng mô hìnhđường cảm ứng từ ta còn có thể phát hiện ra một điều quan trọng là: không gianxung quanh dòng điện cũng tồn tại từ trường

1.1.3 Tính chất của mô hình

Với tư cách là một hệ thống phản ánh những thuộc tính bản chất của đốitượng nghiên cứu, một mô hình có những tính chất cơ bản sau đây:

a) Tính tương tự với “vật gốc”:

Một hệ thống chỉ có thể được coi là mô hình của vật gốc khi có thể chuyểnđược những kết quả nghiên cứu trên mô hình sang vật gốc Nghĩa là nó có sựtương tự giữa mô hình và vật gốc Sự tương tự đó có thể là đồng cấu hoặc đẳngcấu

Sự tương tự có thể thuộc loại cấu trúc, khi đó sự tương tự chủ yếu ở mối quan

hệ giữa các phần tử của hai hệ thống Ví dụ mô hình ảnh của một vật trên võngmạc: quan hệ giữa phần này và phần kia của ảnh phản ánh đúng quan hệ giữahai phần tương ứng của vật Cũng có thể là sự tương tự về chức năng, nghĩa làcác phân tử tương ứng của hai hệ thống có chức năng giống nhau nhưng cấutrúc có thể khác nhau Ví dụ mô hình ảnh tạo bởi thấu kính hội tụ và gương cầulõm dưới những điều kiện giống nhau là giống nhau và lại biết: có thể sử dụngmột thấu kính hội tụ làm vật kính trong chế tạo kính thiên văn Từ đó, cũng cóthể sử dụng gương cầu lõm làm vật kính trong mô hình kính thiên văn Sựtương tự cũng có thể giống nhau hay na ná giống nhau ở kết quả các quá trìnhtrong hai hệ thống Thuộc loại cuối cùng thường thấy khi so sánh một hệ thốngvật chất thực và sự diễn tả toán học của nó Các phần tử thuộc hai hệ thống nàykhông có điểm nào giống nhau nhưng kết quả thu được trong quá trình biến đổitoán học lại phù hợp với kết quả thu được bằng thực nghiêm Ví dụ mô hìnhtoán học diễn tả dao động điều hoà: sự tương tự giữa quy luật biến đổi của điệntích q trong mạch cũng giống như quy luật biến đổi của ly độ x trong dao độngcủa con lắc lò xo

Trong dạy học vật lý, tính chất tương tự với vật gốc của mô hình có ý nghĩaquan trọng: sử dụng tính chất này khi xây dựng mô hình, học sinh được rènluyện một loạt các thao tác tư duy, được phát triển niềm tin vào mối liên hệ cótính khái quát, có tính quy luật của các sự vật, hiện tượng tự nhiên đa đạng,phong phú Sử dụng tính chất này còn góp phần nâng cao hiệu quả giờ học, thể

hiện trước hết ở tính sâu sắc, tính hệ thống của các kiến thức vì nó tạo điều kiệncho học sinh liên hệ cái chưa biết với cái đã biết, phát hiện những mối liên hệgiữa các hệ thống khác nhau ở các phần khác nhau của vật lý cũng như nhữngdấu hiệu giống nhau và khác nhau của chúng.

b) Tính đơn giản:

Như ta đã biết, thực tế khách quan vô cùng đa dạng và phong phú Mỗi môhình chỉ phản ánh được một mặt nào đó của thực tế Nhiều khi một hệ thốngthực thể khách quan phải dùng đến nhiều mô hình để phản ánh Trong khi xâydựng mô hình ta phải thực hiện các thao tác trừu tượng hóa, khái quát hóanhững thao tác ấy bao giờ cũng dẫn đến một sự đơn giản hóa vì rằng ta đã tước

bỏ những chi tiết thứ yếu, chỉ còn lại những thuộc tính và những mối liên hệbản chất Như vậy tính đơn giản của mô hình là một tất yếu khách quan

Mặt khác cũng nhờ tính đơn giản này của mô hình mà nhà nghiên cứu có thểnắm chắc những vấn đề cơ bản nhất của thực tế khách quan, khái quát hóachúng mà rút ra những quy luật Nếu không dùng những mô hình đơn giản đểnghiên cứu mà nghiên cứu ngay những hiện tượng thực tế phức tạp thì nhiềutrường hợp quy luật bị lu mờ và nhà nghiên cứu có thể bị nhầm lẫn

c) Tính trực quan:

Trước hết tính trực quan của mô hình thể hiện ở chỗ dễ dàng nhận biết bằngcác giác quan Ta có thể cảm giác, tri giác trực tiếp trên mô hình, nhưng nhiềukhi không làm được việc đó trên các hiện tượng thực tế

Tính trực quan cũng thể hiện ở chỗ ta đã vật chất hóa những tính chất, nhữngquan hệ không thể trực tiếp tri giác được Thí dụ lực hút, lực đẩy giữa các phân

tử được biểu diễn trên mô hình bằng cách gạch nối đậm hay mảnh, hoặc quyluật chuyển động được biểu diễn bằng đồ thị vận tốc

Khái niệm trực quan còn được mở rộng trong trường hợp mô hình không trựctiếp diễn tả hiện tượng thực tế mà so sánh với một hiện tượng thực tế khác mà

ta có thể tri giác bằng giác quan được Ví dụ như dùng mô hình sóng nước đểdiễn tả sự giao thoa của sóng ánh sáng mặc dù sóng ánh sáng hoàn toàn khác

sóng nước Rõ ràng mức độ trực giác gián tiếp loại này còn phụ thuộc vào vốnhiêủ biết của chính chủ thể, do chủ thể đã tích lũy được từ trước.

ý nghĩa của tính trực quan của mô hình trong dạy học thể hiện ở chỗ, làmcho học sinh dễ hình dung các hiện tượng vật lý không thể quan sát trực tiếpđược (Ví dụ sử dụng con lắc lò xo để trực quan hoá quá trình xảy ra và sự biếnđổi của các đại lượng vật lý trong mạch dao dộng điện LC), dễ hiểu hơn cáckhái niệm trừu tượng (ví dụ khi minh hoạ các khái niệm dòng điện và hiệu điệnthế, có thể dùng dùng hình ảnh dòng nước chảy để trực quan hoá các kiến thứctrên)

d) Tính quy luật riêng:

Khi xây dựng mô hình, người ta dựa vào sự tương tự của nó với tình huốngvật lý mà nó phản ánh Nhưng bản thân mô hình có những tính chất riêng của

nó được quy định bởi tính chất của các phần tử của nó và mối quan hệ giữa cácphần tử ấy Mối quan hệ ấy tuân theo quy luật riêng, nhiều khi không còn giốngnhững quy luật chi phối mối quan hệ giữa các phần tử trong tình huống vật lýnữa Chẳng hạn như mô hình ký hiệu toán học tuân theo những quy luật toánhọc Từ sự vận động của những quy luật riêng này có thể rút ra những kết luậnmới có khả năng chuyển tải sang tình huống vật lý (vật gốc) Đương nhiên rằng

sự tiên đoán nàycó tính chất giả thuyết, cần được kiểm tra lại

Đây là giá trị nhận thức của mô hình Nhờ tính chất này mà với mô hình takhông chỉ dừng lại ở sự mô tả, tìm hiểu các tình huống vật lý mà còn phát hiện

ra những tính chất mới, cung cấp những thông tin mới

e) Tính lý tưởng:

Mô hình xuất phát từ thực tiễn, phản ánh thực tiễn Nhưng khi ta mô hình hóamột vật, một mối quan hệ nào đó ta đã thực hiện một sự trừu tượng hóa, kháiquát hóa, phản ánh các thuộc tính của vật thể, hiện tượng khách quan ở mức độhoàn thiện cao, loại bỏ tất cả những ảnh hưởng nhiễu trong nhận thức Như vậy

mô hình nào cũng có tính chất lý tưởng ít hay nhiều Nói cách khác không có

mô hình nào giống hệt thực tiễn bởi nếu mô hình hoàn toàn giống thực tế khách

quan thì nó không còn tính cách là vật đại diện, thay thế nữa Một mô hình vật

lý chỉ phản ánh đến một mức độ nhất định một vài mặt của một tình huống vậtlý

Tính chất lý tưởng của mô hình ngày càng cao thì mô hình càng khái quát vàgiúp ta nhận thức được những nét chung nhất của hiện tượng và bao trùm đượcmột số càng lớn hiện tượng Nhưng càng khái quát, càng có tính lý tưởng caothì khi sử dụng mô hình để nghiên cứu thực tế càng gặp nhiều khó khăn vì taphải bổ sung vào cấu trúc chung của mô hình rất nhiều yếu tố cụ thể phù hợpvới các tính chất đối tượng nghiên cứu

1.1.4 Các loại mô hình sử dụng trong vật lý học

Ta có thể phân các mô hình vật lý ra làm hai loại [11, 10], [9]

A) Mô hình vật chất:

Là mô hình trên đó phản ánh đặc trưng cơ bản về mặt hình học, vật lý, độnglực học, chức năng học của đối tượng nghiên cứu

Thí dụ: Mô hình máy bay, mô hình lò cao, mô hình động cơ đốt trong Loại

mô hình này chỉ sử dụng ở giai đoạn thấp của quá trình nhận thức khi cần hìnhthành những biểu tượng hoặc thu thập kiến thức có tính chất kinh nghiệm.Những kiến thức thu được trên mô hình là những tính chất bên ngoài của hiêntượng, của đối tượng thực

B) Mô hình lý tưởng ( hay mô hình lý thuyết)

Là những mô hình trừu tượng, trên đó về nguyên tắc người ta chỉ áp dụngnhững thao tác tư duy lý thuyết Các phần tử của mô hình và đối tượng nghiêncứu thực tế có thể có bản chất vật lý hoàn toàn khác nhau nhưng hoạt động theonhững quy luật giống nhau Các mô hình lý thuyết có thể có rất nhiều loại tùytheo mức độ trừu tượng khác nhau

a) Mô hình ký hiệu:

Là dạng cụ thể nhất của mô hình lý tưởng Đó là hệ thống những ký hiệudùng với tư cách là mô hình: hình vẽ, sơ đồ, đồ thị, chữ cái, các công thức,

phương trình toán học Chúng tôi chú ý đặc biệt đến hai loại mô hình ký hiệu là

mô hình toán học và mô hình đồ thị

a1) Mô hình toán học: Là những mô hình có bản chất khác với vật gốc, chúng

diễn tả những đặc tính của vật gốc bằng một hệ thức toán học Chẳng hạn nhưtất cả những đại lượng q biến thiên thỏa mãn phương trình: q”+ 2q = 0 đềubiến thiên theo một quy luật dao động điều hòa Bởi vậy có thể dùng công thức

đó là mô hình của mọi dao động điều hòa không phụ thuộc vào bản chất củadao động Mục đích của mô hình hóa là thay thế đối tượng nghiên cứu bằngphương trình sao cho có thể thu được những thông tin cần thiết một cách dễdàng nhất Bởi vậy có thể ở giai đoạn đầu của quá trình nhận thức xuất phát từnhững yếu tố quan sát được (lực đàn hồi) để xây dựng mô hình dao động cơhọc, sau đó dùng mô hình để nghiên cứu dao động điện không quan sát trựctiếp được

Tuy mô hình toán có ưu điểm về sự chặt chẽ của toán học, có thể xét tớinhững yếu tố ảnh hưởng nhỏ nhất tham dự vào quá trình thực nghiệm, song sựchặt chẽ này đồng thời lại là nhược điểm của mô hình toán, vì nó có khoảngcách khá xa với tính linh hoạt của các quá trình thực, nhất là các quá trình xãhội

a2) Mô hình đồ thị: Chúng tôi đặc biệt quan tâm đến mô hình đồ thị, là một

loại mô hình rất thông dụng trong nghiên cứu vật lý, đặc biệt là trong nghiêncứu thực nghiệm, nhưng chưa được hiểu và sử dụng đúng mức

Vai trò của đồ thị thể hiện rất rõ: Đồ thị biểu diễn một mối quan hệ giữa haihoặc ba đại lượng vật lý mô tả hiện tượng tự nhiên

Nếu chỉ dừng lại ở việc giải thích hiện tượng theo quan điểm vĩ mô (theo hiệntương luận) thì trong nhiều trường hợp, có thể dựa vào đồ thị để giải thích sựdiễn biến của hiện tượng Chẳng hạn, người ta thường dựa vào đặc tuyến vôn-ampe của tranzito để chọn điểm làm việc của nó Ngược lại với một điểm làmviệc nhất định, thì dựa vào đặc tuyến vôn- ampe ta có thể biết trazito hoạt động

ở chế độ tuyến tính hay không tuyến tính

Mỗi đồ thị không những chỉ phản ánh đơn thuần mối liên hệ hàm số giữa haiđại lượng vật lý, mà nó mang nhiều thông tin quý báu ngoài mối liên hệ đó đóchính là chức năng tiên đoán của đồ thị Đồ thị của đường đẳng tích và đườngđẳng áp đã cho ta tiên đoán sự tồn tại của độ không tuyệt đối.

Nếu một đồ thị có một cực đại (hay một cực tiểu) thì nó sẽ cho ta thấy có haiyếu tố trái ngược nhau chi phối hiện tượng mà ta xét Đó chẳng hạn là trườnghợp đồ thị thực nghiệm của sự phụ thuộc năng suất phát xạ đơn sắc của vật đentuyệt đối và bước sóng

Như vậy, đồ thị vật lý hoàn toàn có đủ tư cách là một mô hình lý thuyết củahiện tượng vật lý

Để cho đồ thị có ý nghĩa như một mô hình độc lập chứ không phải chỉ là mộtdạng để biểu diễn một công thức toán học, cần nói rõ cách xây dựng và sử dụngriêng của đồ thị

a3) Mô hình lôgic- toán: Mô hình này dựa trên ngôn ngữ toán học Mô hình

này được sử dụng rộng rãi trên các máy tính điện tử Có thể coi mô hình dùngtrong máy tính điện tử là mô hình ký hiệu đã được vật chất hóa Những hiệntượng hoặc quá trình cần nghiên cứu được mô hình hóa dưới dạng chương trìnhcủa maý tính, nghĩa là hệ thống quy luật đã được mã hóa theo ngôn ngữ củamáy, chương trình này có thể coi như algorit của các hành vi của đối tượngnghiên cứu

b) Mô hình biểu tượng:

Mô hình biểu tượng là dạng trừu tượng nhất của mô hình lý tưởng Những môhình biểu tượng không tồn tại trong không gian, trong thực tế mà chỉ có trong

tư duy của ta Ta chỉ nêu algôrit đã tạo ra mô hình rồi hình dung nó trong ócchứ không cần làm ra mô hình cụ thể Với sự hình dung đó người ta có thể hiểuđược hành vi của mô hình (và do đó của đối tượng cần nghiên cứu) bằng cáchsuy luận lôgic Thí dụ mô hình phân tử trong thuyết động học phân tử của chấtkhí Mô hình này mang nhiều đặc tính không thể diễn tả bằng một vật cụ thể

hay một ký hiệu (quả cầu đàn hồi, có lực hút, lực đẩy, chuyển động hỗn loạnv.v ).

Mô hình lý thuyết nhiều khi được vật chất hóa dưới một dạng nào đó để hỗtrợ cho quá trình tư duy Ví dụ mô hình cấu tạo chất: vật chất được cấu tạo từnhững hạt nhỏ bé, riêng biệt, giữa các hạt có khoảng cách Hiện tượng quan sátđược trên mô hình “ngô-vừng” khi chúng được trộn lẫn vào nhau có thể chuyểnsang vật gốc “rượu-nước”

Trong vật lý học những mô hình lý thuyết có tác dụng to lớn đối với quá trìnhnhận thức nên chúng giữ một vị trí quan trọng Mô hình ký hiệu và mô hìnhbiểu tượng trong sáng tạo khoa học vật lý liên quan mật thiết với nhau và cóảnh hưởng đến sự phát triển của nhau

Tóm lại, chúng ta có thể xây dựng sơ đồ các loại mô hình như ở hình 1 sau đây:

1.2 Phương pháp mô hình trong vật lý học

Trong phương pháp mô hình, người ta dựng lại những tính chất cơ bản củavật thể, hiện tượng, quá trình và mối quan hệ giữa chúng dưới dạng mô hình.Việc nghiên cứu trên mô hình sẽ thay thế cho việc nghiên cứu trên chính đối

MH cấu trúc

tượng thực tiễn, những kết quả nghiên cứu trên mô hình sẽ chuyển sang chonhững đối tượng gốc cho phép ta thu được những thông tin mới về đối tượnggốc

1.2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô hình

Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô hình là lý thuyết tương tự Theophương pháp này ta dựa vào sự giống nhau một phần về các tính chất hay vềcác mối quan hệ mà chuyển những thông tin thu thập được từ một đối tượngnày sang một đối tượng khác Thuật ngữ “đối tượng” ở đây dùng theo nghĩarộng chỉ một vật thể (hoặc hệ vật thể) hoặc một hình ảnh (hoặc một hệ hìnhảnh) trừu tượng hay một sơ đồ lôgic

Giả sử có một đối tương A mà ta biết có những tính chất a1, a2, a3 an+1 cònkhi nghiên cứu một đối tượng B ta chỉ mới thấy B có những tính chất a1, a2,

a3 an giống như đối tượng A ta có thể suy ra rằng B cũng có tính chất an+1 nhưđối tượng A nếu như giữa a1, a2, a3 an+1 có một quy luật lôgic gắn bó

Rõ ràng sự suy luận tương tự trên chỉ có tính chất là một giả thuyết, là nguồngốc trí thức mới Những giả thuyết đó chỉ trở thành nhận thức khoa học khichúng được kiểm tra và xác nhận bằng thực nghiệm

Sở dĩ sự suy luận bằng phép tương tự đạt được những kết quả đáng tin cậy trởthành một phương pháp có hiệu lực trong khoa học vì theo Kedrốp: Sự tương

tự có nguyên nhân sâu xa là sự thống nhất bản chất bên trong của những hiệntượng khác nhau, sự thống nhất có tính tổng quát của các định luật chung chiphối những định luật riêng

Trước hết chúng tương tự với nhau vì chúng tuân theo những mối quan hệnhân quả Dựa trên sự tương tự giữa các hệ quả mà người ta có thể đưa ra sự

tương tự giữa các nguyên nhân và ngược lại D.Didorot đã viết “ Trong vật lý học, tất cả những hiểu biết của chúng ta đều dựa vào sự tương tự nếu sự giống nhau về hệ quả mà không cho phép ta kết luận về sự giống nhau về nguyên nhân thì khoa học vật lý sẽ ra sao? Có cần phải đi tìm nguyên nhân của tất cả các hiên tượng tương tự không loại trừ gì hết? Liệu điều đó có thực hiện được

không? Những lĩnh vực thực nghiệm của vật lý sẽ như thế nào nếu không có nguyên lý tương tự đó Có thể rút ra được kết luận gì từ rất nhiều sự kiện, thực nghiệm và quan sát?”.

Trong lịch sử khoa học, phương pháp tương tự đã dẫn đến nhiều phát minh vĩđại Đa số những giả thuyết khoa học ngày nay đều được đề xuất dựa trên sựtương tự với những nguyên lý, những tiên đề hoặc những kết quả đã có từ trước

trong khoa học và đã được thực nghiệm xác nhận là đúng đắn

1.2.2 Cấu trúc của phương pháp mô hình trong vật lý học

Trong vật lý, phương pháp mô hình có cấu trúc gồm 4 giai đoạn sau đây:

Giai đoạn 1: Nghiên cứu tính chất của đối tượng gốc:

Bằng quan sát thực nghiệm, người ta xác định được một tập hợp những tính

chất của đối tượng nghiên cứu Giai đoạn này còn gọi là tập hợp các sự kiện ban đầu làm cơ sở để xây dựng mô hình.

Giai đoạn 2: Xây dựng mô hình:

Thông thường do kết quả của sự tương tự người ta đi đến hình dung sơ bộ về

sự vật, hiện tượng cần nghiên cứu, tức là đi đến một mô hình sơ bộ, chưa đầy

đủ Trong giai đoạn này trí tưởng tượng và trực giác giữ vai trò quan trọng.Nhờ có trí tưởng tượng và trực giác mà người ta mới trừu xuất được những tínhchất và những mối quan hệ thứ yếu của đối tượng nghiên cứu, thay nó bằng môhình chỉ mang tính chất và những mối quan hệ chính mà ta quan tâm Mô hìnhlúc đầu mới có ở trong óc nhà nghiên cứu Nó trở thành mẫu dựa vào đó nhànghiên cứu xây dựng những mô hình thật (nếu nhà nghiên cứu dùng phươngpháp mô hình vật chất) Trong trường hợp mô hình lý tưởng thì người ta đemđối chiếu trong óc mô hình với những vật, những hiện tượng mà người ta đãquen biết, chẳng hạn như trong thuyết động học chất khí, người ta đã trừu xuấtnhững chi tiết về cấu trúc của những phân tử của chất khí, chỉ còn giữ lại nhữngđặc điểm về mặt động học của các phân tử và thay thế những phân tử khí bằngnhững hạt Những hạt này giống với những quả cầu va chạm tuyệt đối đàn hồi

mà ta đã biết rõ những quy luật chi phối chúng

Giai đoạn 3: Thao tác trên mô hình suy ra hệ quả lý thuyết:

Sau khi xây dựng mô hình, người ta áp dụng những phương pháp lý thuyếthoặc thực nghiệm khác nhau từ tư duy trên mô hình và thu được kết quả, nhữngthông tin mới Đối với các mô hình vật chất thì người ta làm thí nghiệm thựctrên mô hình Còn đối với mô hình lý tưởng thì thao tác trên mô hình trong óc,tức là áp dụng những phép tính hay những phép phân tích suy luận lôgic dựatrên các mệnh đề của mô hình như các tiên đề Người ta coi công việc này nhưlàm một thí nghiệm đặc biệt gọi là thí nghiệm tưởng tượng Thí nghiệm tưởngtượng tuy không có thật nhưng có thể thực hiện được và có vai trò rất lớn trongkhoa học Theo Heisenberg: những thí nghiệm đó được sáng tạo để giải thíchnhững vấn đề đặc biệt quan trọng, bất kể là thực tế ta có thể thực hiện được thínghiệm đó hay không Dĩ nhiên, điều quan trọng là thí nghiệm đó có thể thựchiện về nguyên tắc, mặc dù kỹ thuật thực hiện của nó có thể rất phức tạp

Trong phương pháp mô hình lý tưởng người ta đã biết trước hành vi của môhình trong những điều kiện xác định Điều người ta muốn biết thêm là hệ quảcủa những hành vi đó như thế nào

Thí nghiệm tưởng tượng thực chất là một thao tác lôgic chứ không phải làmột phương pháp nghiên cứu khách quan, những kết quả trên mô hình phảiđược chuyển đổi về đối tượng nghiên cứu (đối tượng gốc) xem có phù hợp

Giai đoạn 4: Thực nghiệm kiểm tra:

- Nếu bản thân mô hình là một phần tử cấu tạo của nhận thức thì cần phảikiểm tra sự đúng đắn của nó bằng cách đối chiếu kết quả thu được từ mô hìnhvới những kết quả thu được trực tiếp từ đối tượng gốc Nếu sai lệch thì phảiđiều chỉnh ngay chính mô hình, có trường hợp phải bỏ hẳn mô hình đó và thaybằng một mô hình khác Thí dụ mô hình cấu tạo phân tử khí lý tưởng vừa là đốitượng của nhận thức vừa là phương tiện nghiên cứu Kết quả nghiên cứu trên

mô hình đó đem áp dụng vào khí thực có sai lệch với thực tế Bởi vậy phảichỉnh lý mô hình khí lý tưởng và phải xây dựng mô hình khí thực

- Nếu bản thân mô hình không phải là đối tượng của nhận thức mà chỉ làphương tiện để nghiên cứu thì việc xử lý kết quả, hợp thức mô hình là phảiphân tích những kết quả thu được trên mô hình thành những thông tin về đốitượng nghiên cứu (thí dụ như mô hình kỹ thuật, mô hình toán học ) nếu nhữngthông tin ấy không phù hợp cũng phải chỉnh lý lại mô hình.

Trong nhiều trường hợp mô hình chỉ phản ánh được một hay một số mặt củađối tượng nghiên cứu, còn nhiều mặt khác thì không phản ánh được, thậm chíphản ánh sai lệch

Những mô hình đã được kiểm nghiệm trong thực tế là những mô hình hợpthức và dùng để phản ánh một số mặt của thực tế khách quan Nó có thể thayđổi, hoàn chỉnh thêm hoặc bị bác bỏ khi người ta có thêm thông tin chính xáchơn về đối tượng gốc

Tóm lại, ta có thể xây dựng sơ đồ cấu trúc của phương pháp mô hình như ởhình 2 dưới đây

Thuyết (mô hình hoàn chỉnh)

Nghiên

cứu trên

MH

PP thực nghiệm các pp lôgic toán

PP thực nghiệm quan sát so sánh

Hình 2: Sơ đồ cấu trúc của PPMH,[7]

1.2.3 Vai trò của phương pháp mô hình trong lịch sử vật lý

Trong lịch sử vật lý, PPMH đóng vai trò rất quan trọng trong việc xây dựng

và hoàn chỉnh các thuyết [7] Không có mô hình về ête vũ trụ thì trong bối cảnhlịch sử khoa học thế kỷ 19 không thể xây dựng được lý thuyết về các hiệntượng điện từ Macxoen dùng mô hình ête vũ trụ để xây dựng các phương trìnhMacxoen, Mặc dù được xây dựng từ mô hình cơ học là ête giả định nhưngkhông mang trong chúng một hệ số đặc trưng nào cho môi trường đó; trongnhững trường hợp này mô hình là phương tiện, công cụ nhận thức tương tự như

bộ “giàn giáo” để xây dựng toà nhà, khi xây xong thì bộ “giàn giáo” bị dỡ bỏ,không cần quan tâm “Lý thuyết Macxoen chính là các phương trìnhMacxoen”

Những mô hình được sử dụng đầu tiên trong vật lý học là mô hình vĩ mô (đơngiản hoá các đối tượng vĩ mô cần nghiên cứu) (ví dụ chất điểm là mô hình tráiđất chuyển động quanh mặt trời); Từ giữa thế kỷ 19 xuất hiện rộng rãi các môhình vi mô (mô hình mô tả các đối tượng vi mô không quan sát trực tiếp được).Thế kỷ 20 xuất hiện mô hình lượng tử Ví dụ sự phát triển của các mô hình vềcấu tạo nguyên tử Đầu tiên là mẫu cổ điển do Thômsơn đưa ra vào năm 1906:Nguyên tử gồm các electrôn nằm trong một môi trường điện tích dương,electrôn bơi trong môi trường điện tích dương hình cầu có đường kính cỡ Ǻ vàcác electrôn phân bố thành từng lớp Mẫu này giải thích được định tính một sốtính chất của các nguyên tử nhưng không được thành công lắm Năm 1908,Rơzơfo làm thí nghiệm kiểm tra mẫu Thômsơn về cấu tạo hạt nhân MẫuThômsơn không giải thích được sự tán xạ của chùm hạt ỏ trên lá vàng MẫuThômsơn thất bại Rơzơfo bổ sung mẫu nguyên tử có đường kính cỡ 10-4Ǻ.Mẫu này giải thích hoàn hảo các thí nghiệm của Rơzơfo cả về mặt định tính lẫnđịnh lượng, đồng thời tiên đoán năng lượng ion hoá của hyđrô, đã được thínghiệm kiểm chứng Tuy nhiên mẫu trên không giải thích được tính bền vữngcủa nguyên tử và sự tạo thành quang phổ vạch của hyđrô Đến năm 1913 Borh

bổ sung thêm hai tiên đề về các trạng thái dừng và về sự hấp thụ, bức xạ năng

lượng của nguyên tử Năm 1915, Somefod cho rằng electrôn chuyển động theoquỹ đạo elip, mô men động lượng của electrôn trên quỹ đạo cũng khác nhau.Mẫu này không giải thích được sự tách vạch quang phổ trong từ trường ngoài.Đến năm 1916, ông đưa thêm vào mẫu của mình: hình chiếu của mô men từ lênphương của từ trường ngoài cũng được lượng tử hoá Năm 1925, Gao Smit vàUlnibec lại bổ sung: mỗi electrôn có mô men quay riêng gọi là Spin Tiếp đó,Pauli đưa ra mẫu: mỗi electrôn được đặc trưng bởi bốn số lượng tử Trong mộtnguyên tử không có hai electrôn có trạng thái lượng tử giống nhau (nguyên lýcấm Pauli) Mẫu này gặp khó khăn là không giải thích được quang phổ của cácnguyên tử có cấu tạo phức tạp ( do mâu thuẫn ngay trong các mệnh đề: lượngtử- quỹ đạo) Cuối cùng là mẫu nguyên tử theo cơ học lượng tử.

Nhờ áp dụng PPMH mà trong nhiều trường hợp đã làm xuất hiện những lýthuyết mới Chẳng hạn mô hình sóng Đơbrơi đã dẫn đến cơ học lượng tử

1.2.4.Ưu - nhược điểm của PPMH trong vật lý học

a) Những ưu điểm:

Trước hết, PPMH giúp ta hiểu rõ đối tượng nghiên cứu Mô hình là vật đạidiện, trên đó ta sẽ tác động các thao tác lôgic và thực nghiệm Rất nhiều hiệntượng và quá trình được giải thích rõ ràng thông qua mô hình Ví dụ như môhình khí lý tưởng giải thích các định luật thực nghiệm về chất khí (định luậtBôilơ-Mariôt, định luật Gayluyxac, định luật Saclơ)

Sự giải thích bằng mô hình là một hình thức cổ xưa nhất trong khoa học.Người ta coi những quy luật chi phối mô hình cũng là những quy luật của chínhđối tượng nghiên cứu Ngày nay, khi khoa học đi sâu vào thế giới vi mô khôngtrực tiếp quan sát được thì chức năng mô tả giải thích của mô hình càng có hiệulực

Nhiều khi cùng một đối tượng phải dùng đến nhiều mô hình mới giải thíchđược Những mô hình này có thể có những tính chất trái ngược nhau Chẳnghạn như để giải thích sự truyền ánh sáng, trong vật lý học cổ điển, người tadùng mô hình “hạt ánh sáng”, nhưng sau đó khi phát hiện ra hiện tượng giao

thoa ánh sáng thì lại dùng “mô hình sóng ánh sáng” để giải thích Đối với vật lý

cổ điển thì hai khái niệm sóng và hạt là hoàn toàn khác biệt Chỉ mãi đến đầuthế kỷ XX sau khi xây dựng cơ học lượng tử, mô hình lưỡng tính sóng hạt mớixoá bỏ được sự không tương thích đó

Có trường hợp một mô hình có thể dùng cho nhiều hiện tượng khác nhau vềbản chất Ví dụ phương trình sóng có thể là mô hình của sự lan truyền âm trongkhông khí, của sự lan truyền sóng điện từ trong chân không, của chuyển độngcủa electron trong nguyên tử Điều đó nói lên một lần nữa sự thống nhất của vậtchất

Xu hướng hiện đại của vật lý học là xây dựng những mô hình khái quátphản ánh nhiều mặt của thế giới khách quan

PPMH trong nhiều trường hợp đã làm xuất hiện những lý thuyết mới.Chẳng hạn mô hình sóng Đơbrơi đã dẫn đến cơ học lượng tử

PPMH có thể giúp ta phát hiện ra những sự kiện mới chưa biết Đặc biệt, môhình toán học nhiều khi có tác dụng tiên đoán rất lớn Chẳng hạn dựa vàophương trình năng lượng của electron : E2=p2c2+m02c2, Đirắc đã tiên đoánđược: ngoài electron có năng lượng dương, còn tồn tại một hạt khác có năng

0 2

b) Những nhược điểm:

Các nhà khoa học đều công nhận tác dụng lớn lao của phương pháp môhình, nhưng đồng thời cũng nhấn mạnh tính gần đúng, tính tạm thời của nó.Các mô hình tuy phản ánh thế giới khách quan nhưng không thể thay thế hoàntoàn hiện thực khách quan được Thậm chí nhiều mô hình chỉ có giá trị nhưmột công cụ, phương tiện Ví dụ Macxoen dùng mô hình “ête vũ trụ” để xây

dựng các phương trình Macxoen về từ trường, nhưng ngay trong các phươngtrình đó cũng không có dấu hiệu nào đặc trưng cho ête vũ trụ Trong thuyết củaMacxoen không nói gì đến vai trò của ête vũ trụ trong các hiện tượng điện từ.

Vì vậy, chính Macxoen cũng coi ête vũ trụ như một bộ “giàn giáo” để xây dựngmột toà nhà, và khi toà nhà đã xây dựng xong thì bộ “giàn giáo” cũng bị giỡ bỏđi

Mặt khác, mặc dù mỗi mô hình chỉ phản ánh được một mặt nào đó của thếgiới khách quan, nhưng khi sử dụng một mô hình người ta thường gán cho nómột tầm khái quát rộng hơn Và, có khi vì quá tin vào một mô hình đã được xáclập mà người ta đi đến sự bảo thủ, không thừa nhận những sự kiện thực tế tráivới mô hình đó Ví dụ như vì quá tin vào mô hình cơ học của thế giới (theoNiutơn) nên các nhà khoa học phải trải qua một thời kỳ dài dằn vặt và đấu tranhmới xác lập được những quan điểm lượng tử và tương đối tính là những môhình mới phản ánh sâu sắc, đầy đủ hơn thế giới vật chất

1.3 Phương pháp mô hình trong dạy học vật lý

1.3.1.Vai trò của mô hình trong dạy học vật lý

ở nhà trường phổ thông, chúng ta có thể sử dụng PPMH như một phươngpháp độc lập trong dạy học một số kiến thức vật lý Việc giảng dạy vật lýkhông chỉ giới hạn trong việc truyền thụ cho học sinh những tri thức của bộmôn này, mà điều quan trọng hơn là qua đó hình thành ở họ năng lực nhận thứcsáng tạo đối với thế giới tự nhiên, năng lực phản ánh thế giới hiện thực Theo

Jacques Desautels: “Người thầy dạy khoa học không chỉ truyền cho học sinh một số vốn liếng lý thuyết mà còn hợp thức hoá và giá trị hoá ngay chính hoạt động khoa học” Do đó cần phải tạo điều kiện để cho hoạt động học tập càng

giống càng tốt đối với tiến trình xây dựng tri thức của các nhà khoa học vật lý.Làm được như vậy, học sinh sẽ vừa tiếp nhận được tri thức, vừa tiếp nhận conđường và nhập cuộc vào con đường xây dựng tri thức vật lý Họ sẽ không mơ

hồ trong việc phải vượt qua những trở lực khoa học để hiểu đúng đắn bản chất

và vai trò của các lý thuyết khoa học và biết kiến tạo lý thuyết đó, nhằm hiểu

được thế giới xung quanh Xuất phát từ những quan niệm trên đây, các nhàkhoa học cho rằng cần vận dụng PPMH đã và đang được dùng trong các lýthuyết bộ môn vật lý vào việc giảng dạy bộ môn này trong nhà trường

Trong nghiên cứu khoa học vật lý, mô hình và PPMH có chức năng nhậnthức, nó giúp ta phát hiện ra những đặc tính mới, hiện tượng mới, quy luật mới.Nếu xem xét quá trình học tập của học sinh là một quá trình hoạt động nhậnthức thì mô hình cũng có chức năng như trong nghiên cứu khoa học vật lý.Ngoài ra trong dạy học, nhiều khi học sinh không đủ khả năng xây dựng môhình để thay thế vật gốc trong nghiên cứu nhưng giáo viên có thể sử dụng môhình với mục đích sư phạm như một phương tiện trực quan nhằm làm cho họcsinh hiểu rõ một vấn đề nào đó

Ví dụ như trong nghiên cứu khoa học, những mô hình vật chất có vai trò rấthạn chế vì nó ít mang lại những thông tin mới khi thao tác trên mô hình Nhưngtrong dạy học, nhiều mô hình lại có tác dụng quan trọng làm cho học sinh hiểuđược những cái không quan sát trực tiếp được, ví dụ như mô hình cấu tạo bêntrong của máy phát điện một chiều, điện kế khung quay Dù ta có cho học sinhtrực tiếp quan sát một động cơ nổ còn nguyên vẹn thì họ cũng không thể thấyđược cấu tạo bên trong của nó và hoạt động của các van và bugi trong khi động

cơ vận hành Bởi thế trong dạy học, ta dùng mô hình động cơ đốt trong bổ dọc.Còn với chuyển động Braonơ, vừa không quan sát được các phân tử nướcchuyển động va chạm vào các hạt phấn hoa, vừa khó hình dung tại sao hạt phấnhoa lại chuyển động hỗn loạn Mô hình chuyển động Braonơ dùng các viên bisắt nhỏ được một cơ chế làm cho bắn lung tung hỗn loạn trong một hộp thuỷtinh, còn hạt phấn hoa là một vật tròn lớn Quan sát vật tròn bị các viên bi nhỏđập vào hỗn loạn theo mọi phía, học sinh dễ dàng hiểu cơ chế chuyển độngBraonơ, do đó hình dung được cấu tạo phân tử của nước Như vậy mô hình vậtchất cũng có vai trò quan trọng trong dạy học, đặc biệt là các mô hình vật thểđộng, mô hình vẽ nhiều giai đoạn liên tiếp hay mô hình trên phim ảnh (được sửdụng ngày càng rộng rãi)

Còn đối với các mô hình lý tưởng, tuy rất có tác dụng trong hoạt động nhậnthức nhưng nhiều khi đòi hỏi ở học sinh một trình độ tư duy trừu tượng cao,một cơ sở thực nghiệm phong phú và kinh nghiệm bản thân dồi dào mới có thểxây dựng được mô hình V.G.Razumôpxki khi bàn về phương pháp mô hìnhtrong dạy học cũng nhận định rằng: “ở giai đoạn xây dựng mô hình, vì việc tìm

ra những đối tượng trừu tượng thích hợp có thể thay thế cho sự vật, quá trình,hiện tượng nghiên cứu là rất khó, nên thông thường thì học sinh không thể tựlàm được việc đó, tính tự lực của họ trong giai đoạn này bị hạn chế”

Bởi vậy, trong dạy học ở trường phổ thông, trong khuôn khổ bài học khôngcho phép chúng ta tổ chức quá trình học tập sao cho học sinh hoàn toàn tự lực

“khám phá lại” các định luật vật lý, xây dựng các mô hình, nhưng cũng hoàntoàn đủ để cho họ được “trải qua” những giai đoạn của sự phát minh khoa học,hiểu được ý nghĩa của các sự kiện xuất phát, vai trò của mô hình, tầm quantrọng của sự kiểm tra bằng thực nghiệm những hệ quả lý thuyết Nói cách khác,trong dạy học vật lý ở trường phổ thông, ta ít có điều kiện áp dụng đầy đủ cácgiai đoạn của PPMH để giải quyết một vấn đề nhận thức Tuỳ theo hoàn cảnh

cụ thể về trình độ học sịnh, nội dung vấn đề, phương tiện thí nghiệm mà định ramức độ tham gia của học sinh một cách hợp lý vào các giai đoạn của PPMH

1.3.2 Tổ chức dạy học theo phương pháp mô hình

Nghiên cứu đặc điểm của hoạt động sáng tạo, chúng tôi thấy cần phải chuẩn

bị cho học sinh những điều kiện sau đây khi dạy học theo PPMH:

- Về mặt tâm lý: gây hứng thú, nhu cầu nhận thức, sẵn sàng đem hết sức mìnhvào giải quyết nhiệm vụ nhận thức Trong lý luận dạy học ta nói là đưa họcsinh vào tình huống có vấn đề Vấn đề này được đề cập đến nhiều trong nhữngcông trình về dạy học nêu vấn đề

- Về mặt vốn hiểu biết: xây dựng mô hình thực tế là dùng một hệ thống đãbiết để mô tả những đặc tính của đối tượng gốc Như vậy muốn xây dựng được

mô hình học sinh không thể không có một vốn hiểu biết cần thiết về những vấn

đề có liên quan Chính giáo viên là người đã biết trước muốn xây dựng mô hình

cần phải có những “vật liệu” nào, do đó có thể có biện pháp hợp lý để chuẩn bịtrước cho học sinh đến mức cần thiết nhưng tuyệt đối không phải là chuẩn bịmột mô hình đã có sẵn hoàn chỉnh.

Tập dượt cho học sinh vượt qua những khó khăn trong khi áp dụng PPMH

là một điều cần đặc biệt quan tâm Ở đây, chúng ta có thể vận dụng lý thuyết

về “vùng phát triển gần” của Lép Vưgôtxki (1896-1934) Ông cho rằng, chỗ tốtnhất của sự phát triển của trẻ em là vùng phát triển gần Vùng đó là khoảngcách giữa trình độ hiện tại của học sinh và trình độ phát triển cao hơn cần vươntới Nói một cách hình ảnh là chỗ trống giữa nơi mà con người cần giải quyếtvấn đề đang đứng và nơi mà họ phải đạt đến và có thể thực hiện được với sự

cố gắng nỗ lực của bản thân dưới sự giúp đỡ của người lớn hay của nhữngngười ngang hàng nhưng có khả năng hơn một chút Không có con đường lôgic

để vượt qua chỗ trống đó, nhưng hoàn toàn có khả năng thu hẹp chỗ trống đóđến mức thích hợp để mỗi người có thể thực hiện một bước nhảy vượt quađược Tuy nhiên cũng phải dũng cảm tự lực thực hiện một số lần (có thể thấtbại), sau đó mới có kinh nghiệm thực hiện được mau lẹ, vững chắc hơn, thựchiện những bước nhảy xa hơn

1.3.3.Các mức độ sử dụng phương pháp mô hình

Như đã phân tích ở trên, phương pháp mô hình được sử dụng rộng rãi trong

nghiên cứu vật lý, nhưng đồng thời cũng còn rất nhiều khó khăn đòi hỏi ở họcsinh một trình độ tư duy phát triển, một vốn hiểu biết rộng rãi.V.G.Razumopxki nhận xét rằng “Trong khuôn khổ bài học, không cho phép tổchức quá trình học tập sao cho học sinh hoàn toàn tự lực “khám phá lại” cácđịnh luật vật lý, xây dựng các mô hình, nhưng cũng hoàn toàn đủ để cho họđược “trải qua” những giai đoạn của những phát hiện khoa học, hiểu được ýnghĩa của những sự kiên xuất phát, vai trò của các mô hình, tầm quan trọng củaviệc kiểm tra bằng thực nghiệm những hệ quả lý thuyết” Lời nhận định đó chođến nay vẫn còn nguyên giá trị Vấn đề là ở chỗ vận dụng những lý thuyết mới

về sự phát triển tâm lý học sinh và những kỹ thuật dạy học mới, chúng ta có thểnâng cao dần mức độ học sinh tham gia vào các quá trình trên.

Khi đưa vào dạy học ở trường phổ thông, ta thường không áp dụng đầy đủcác khâu của phương pháp mô hình để giải quyết trọn vẹn một vấn đề Trongtrường hợp này, ta chỉ quan tâm đến việc xây dựng mô hình của một hiện tượng

và dừng lại ở việc sử dụng mô hình để giải thích hiện tượng đó Trong trườnghợp khác, ta lại chú ý đến việc giải thích một hiện tượng mới dựa vào một môhình đã có sẵn mà học sinh không có khả năng xây dựng được Sở dĩ ta phảilàm như vậy là vì:

a) Có sự khác nhau cơ bản giữa mục đích nghiên cứu của nhà vật lý và mụcđích dạy học của người giáo viên Mục đích nghiên cứu của nhà vật lý là phảitìm cho được cái mới, còn mục đích dạy học là bước đầu tập luyện cho họcsinh cách suy nghĩ sáng tạo, rèn luyện kỹ năng, giáo dục thái độ v.v Cho nên

có thể làm từng bước, từng phần tùy theo hoàn cảnh cụ thể

b) Do sự khống chế của thời gian, điều kiện trang bị vật chất của nhà trường,trình độ khoa học của giáo viên và học sinh

Bởi vậy chúng tôi nêu ra những hình thức khác nhau sử dụng phương pháp

mô hình trong dạy học vật lý phổ thông theo mức độ yêu cầu cần đạt đối vớihọc sinh từ thấp đến cao

Mức độ 1: Giáo viên trình bày các sự kiện thực tế mà học sinh không thể

giải thích được bằng kiến thức cũ của họ, sau đó đưa ra mô hình mà các nhàkhoa học đã xây dựng và vận dụng mô hình để giải thích các sự kiện trên Họcsinh có phần thụ động tiếp thu, chỉ yêu cầu họ biết phân biệt mô hình với thực

tế và làm quen với cách sử dụng mô hình để giải thích thực tế

Mức độ 2: Học sinh sử dụng mô hình mà giáo viên đã đưa ra để giải thích

một số hiện tượng đơn giản tương tự với hiện tượng đã biết Thí dụ : sau khi đãbiết mô hình hai loại điện tích dương và âm, sự tương tác giữa chúng, giáo viên

có thể hướng dẫn học sinh vận dụng để giải thích vì sao hai lá của điện nghiệm

lại xòe ra khi tích điện cho điện nghiệm hoặc hiện tượng nhiễm điện do hưởngứng, bản chất của dòng điện

Mức độ 3: Học sinh sử dụng mô hình mà giáo viên đã đưa ra để dự đoán

hiện tượng mới và đề xuất phương án thí nghiệm kiểm tra.Thí dụ học sinh cóthể sử dụng mô hình cấu tạo chất, có thể tiên đoán nguyên nhân gây ra áp suấtcủa chất khí và làm được thí nghiệm để kiểm tra Hoặc, khi vận dụng mô hình

về áp lực lên một mặt ở trong lòng chất lỏng, học sinh có thể tính được lực đẩycủa chất lỏng tác dụng lên một hình hộp chữ nhật nằm trong đó và tổ chức thínghiệm để kiểm tra lực đó

Mức độ 4: Học sinh dưới sự hướng dẫn của giáo viên tham gia vào cả bốn

giai đoạn của phương pháp mô hình, do đó nắm vững tính năng của mô hình và

sử dụng được mô hình để giải quyết nhiệm vụ nhận thức

Mức độ 5: Học sinh tự lực xây dựng lấy mô hình để giải quyết nhiệm vụ

nhận thức của mình Thí dụ như học sinh tự lực xây dựng mô hình đồ thị để xácđịnh công của lực đàn hồi, nhờ thế mà lập được công thức tính thế năng trongtrường hợp lực đàn hồi trong khi chưa biết phép tính vi phân, tích phân

1.3.4 Cấu trúc tài liệu giáo khoa theo phương pháp mô hình

Việc học sinh thông hiểu, áp dụng sáng tạo các kiến thức vào tình huống mới,

phụ thuộc trước hết là nội dung của chính môn học Cấu trúc tài liệu giáo khoa

và phương pháp trình bày tài liệu đó cũng có một ý nghĩa to lớn Vấn đề lựachọn nội dung tài liệu giáo khoa , cấu trúc của tài liệu đó và phương pháp trìnhbầy phải tùy theo mục đích dạy học Nếu chúng ta chỉ đơn thuần cho học sinhlàm quen với những nguyên lý mới, những định luật mới thì ta chỉ thông báocho học sinh những kết luận lý thuyết có sẵn mà các em sẽ phải sử dụng Cònnếu chúng ta đặt vấn đề không những thông báo mà cả giúp học sinh bồi dưỡngphẩm chất đặc trưng của năng lực sáng tạo là thông hiểu kiến thức và áp dụngkiến thức vào tình huống mới, tức là phát triển trí tuệ của học sinh trong quátrình dạy học thì không phải bắt đầu việc trình bày tài liệu giáo khoa từ những

lý thuyết có sẵn mà không giải thích rằng chúng được rút ra từ những sự kiện

ban đầu nào và tính chất đúng đắn của lý thuyết được khẳng định bằng nhữngthực nghiệm nào.

Chẳng hạn như, khi dạy bài “Dòng điện trong kim loại”, giáo viên thường bắtđầu từ việc giải thích cơ cấu bên trong của các dây dẫn bằng kim loại Các kimloại ở thể rắn có cấu trúc tinh thể, chúng có thể được coi như là một mạngkhông gian ion chứa đầy các electron không liên kết với các hạt nhân nhất định.Tiếp theo đó toàn bộ sách giáo khoa được xây dựng một cách suy diễn trên cơ

sở của mô hình đó.Cách trình bầy như vậy dẫn đến tri thức của học sinh bịthiếu sót nhiều Một trong những thiếu sót chủ yếu là học sinh tiếp nhận môhình cấu trúc kim loại như một cấu trúc trừu tượng nào đó đối với đối tượngthực mà như chính bản thân đối tượng được một người nào đó nhìn thấy vàmiêu tả lại Điều đó lại dẫn tới chỗ học sinh tuyệt đối hóa hình thức mà khôngbiết đến cơ sở thực nghiệm của mô hình đó Kết quả là các em không được tự

do nắm tài liệu và không thể giải thích được mối mâu thuẫn với quan niệm đãmiêu tả về cấu trúc của kim loại

Chúng tôi cho rằng việc trình bầy của sách giáo khoa theo phương pháp mô

hình: “Những sự kiện khởi đầu mô hình giả thiết những hệ quả được rút ra một cách lôgickiểm tra bằng thực nghiệm các kết quả” sẽ có tác dụng tốt

trong việc phát huy năng lực tư duy sáng tạo của học sinh

Trước hết học sinh phải biết được những sự kiện ban đầu nào được dùng làm

cơ sở để xây dựng nên mô hình vật lý này hay khác Từ những sự kiện ban đầu

đó bằng cách trực giác người ta chuyển sang xây dựng mô hình với tư cách banđầu là một giả thuyết Từ mô hình này bằng cách suy diễn người ta rút ra đượcnhững hệ quả, những hệ quả này được kiểm tra bằng thực nghiệm Giả thuyếtbiến thành lý thuyết khi người ta thu được những chứng minh bằng thựcnghiệm tính đúng đắn của những hệ quả được rút ra từ những giả thuyết đó.Những sự kiên thực nghiệm nào mâu thuẫn với lý thuyết sẽ được dùng làm nềntảng để xây dựng một mô hình vật lý trừu tượng mới

Kết luận chương 1 Dựa vào những tài liệu tham khảo, chúng tôi đã hệ thống những nội dung cơ

bản sau:

- Bồi dưỡng cho học sinh phương pháp nhận thức bộ môn là nhiệm vụ dạyhọc ở trường phổ thông PPMH là phương pháp đặc thù của nhận thức vật lý,cần thiết phải đưa vào nội dung của dạy học vật lý Dạy học theo PPMH sẽnâng cao được chất lượng nắm vững kiến thức, tạo cơ sở ban đầu cho việc pháttriển năng lực sáng tạo của học sinh

- Phân tích vai trò của PPMH trong sự phát triển của vật lý học và trong dạyhọc vật lý

- Phân tích cấu trúc của PPMH, bao gồm các hành động và thao tác tư duy,thao tác thực hành Đưa ra được sơ đồ cấu trúc của PPMH phù hợp với nănglực nhận thức của học sinh THPT, xem đó là nội dung của PPMH cần dạy họctrong trường phổ thông

- Chúng tôi đã đưa ra 5 mức độ sử dụng PPMH trong dạy học vật lý phổthông, có thể áp dụng linh hoạt theo trình độ của học sinh

Chương 2: TỔ CHỨC DẠY HỌC CHƯƠNG “TỪ TRƯỜNG” VẬT LÝ 11

NÂNG CAO THEO PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH 2.1 Chương trình, nội dung chương ‘Từ trường” - Vật lí 11 Nâng cao

Trong chương trình vật lí lớp 9 THCS phần Điện từ học học sinh đãđược học một số nội dung ở mức độ định tính về: Nam châm vĩnh cửu; Tácdụng từ của dòng điện - Từ trường; Từ phổ - Đường sức từ; Từ trường của ốngdây có dòng điện chạy qua; Lực điện từ và một số ứng dụng của nam châm

Chương trình, nội dung chương Từ trường – Vật lí 11 Nâng cao theochương trình đồng tâm học sinh được nghiên cứu sâu và kỹ lưỡng hơn về mặtđịnh tính và định lượng Mục tiêu chính của chương “Từ trường” trong chươngtrình và nội dung được trình bày ở sách giáo khoa vật lí 11 Nâng cao:

- Trình bày được khái niệm cảm ứng từ (phương, chiều, độ lớn)

- Vận dụng được các công thức xác định lực từ tác dụng lên một đoạndòng điện, công thức xác định lực Lo - ren - xơ

- Trình bày và vận dụng được quy tăc bàn tay trái

- Mô tả được từ trường của một số dòng điện có dạng đơn giản, vậndụng được quy tăc nắm tay phải

- Trình bày và vận dụng được công thức xác định momen ngẫu lực từtác dụng lên một khung day mang dòng điện

Yêu cầu đổi mới giáo dục hiện nay đối với các môn học nói chung vàmôn vật lý nói riêng là dạy học theo chuẩn kiến thức và kỹ năng Cần phải xácđịnh được chuẩn kiến thức, kỹ năng của từng bài học trên thực tế đối với đốitượng học sinh, cơ sở thiết bị và phương tiện dạy họcđể lập kế hoạch tổ chứchoạt động dạy học theo tinh thần đổi mới phương pháp dạy học.

2.2 Mục tiêu dạy học theo chuẩn kiến thức, kỹ năng

2.2.1 Về kiến thức

a Phần Từ trường

- Hiểu được từ trường là gì, những vật nào gây ra từ trường Biết cáchphát hiện sự tồn tại của từ trường trong những trường hợp thông thường (từtrường không quá yếu) Phát biểu được định nghĩa phương và chiều của cảmứng từ tại một điểm Phát biể được định nghĩa và nêu được bốn tính chất cơ bảncủa đường sức từ

- Biết cách xác định chiều của các đường sức từ, dòng điện chạy trongdây dẫn thẳng dài, dây dẫn tròn Biết cách xác định mặt nam và bắc của mộtvòng dây có dòng điện chay qua

- Từ trường của nam châm là từ trường của dòng điện, các phần cấu tạonên nam châm Mô tả được hiện tượng từ trễ Nêu được một vài ứng dụng củahiện tượng từ hóa của chất sắt từ Trả lời được các câu hỏi: Độ từ thiên là gì?

Độ từ khuynh là gì? Bão từ là gì? Sử dụng la bàn tang và máy đo điện đa nănghiện số để xác định thành phần nằm ngang của cảm ứng từ của từ trường Tráiđất

- Hiểu được từ trường của Trái đất là do các dòng điện khổng lồ tronglòng Trái đất và trên tầng cao khí quyển tạo ra Có thể coi Trái đất là một namchâm khổng lồ Các cực từ của Trái đất không trùng với các cực từ địa lí củaTrái đất Cực từ nam gần với cực Bắc địa lí và ngược lại Do đặc điểm này màngười ta chế tạo ra la bàn để xác định phương hướng trên trái đất

- Từ trường là một dạng vật chất đặc biêt, có tính chất cơ bản là tác dụnglên nam châm thử đặt trong nó Người ta nhận ra sự hiện diện của từ trường làdựa vào đặc điểm này.

- Biết được bản chất của từ trường là do dòng điện tạo ra và từ trườngcủa nam châm vĩnh cửu cũng do dòng điện đặc biệt tạo ra là dòng điện phân tử

Nắm và viết được biểu thức lực từ tương tác giữa hai dòng điện đặt songsong, lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường, lực Lo-ren-xơ và momen ngẫu lực từ tác dụng lên khung dây mang dòng điện Các ứngdụng của hiện tượng này là động cơ điện một chiều và điện kế khung quay

2.2.2 Về kỹ năng

- Vận dụng kiến thức của chương vào giải thích một số hiện tượng trongcuộc sống và trong đời sống kỹ thuật

- Sử dụng tốt các quy tắc về các bàn tay để xác định chiều của cảm ứng

từ trong trường hợp đơn giản cũng như xác định chiều của lực từ tác dụng lêndây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường

- Xác định được phương và chiều của vectơ lực từ cũng như các vectơcảm ứng từ của dây dẫn mang dòng điện có dạng đặc biệt gây ra

- Vận dụng quy tắc bàn tay để xác định chiều của lực Lo-ren-xơ tác dụnglên hạt mang điện chuyển động trong từ trường và vận dụng nó để giải các bàitập liên quan đến chuyển động của hạt trong từ trường đều

- Vận dụng kiến thức giải thích các cực từ của trái đất và nguyên tắc cơbản của cấu tạo la bàn, điện kế khung quay, động cơ điện một chiều dựa vàomomen ngẫu lực từ.

- Rèn luyện cho học sinh kỹ năng biểu diễn các vectơ trong không gian

và trong hình phẳng Kỹ năng vận dụng kiến thức vectơ áp dụng vào việc giảibài tập vật lý

2.2.3 Về thái độ

- Có thái độ học tập tích cực, phát huy được tôi đa khả năng tư duy củamình trong việc áp dụng kiến thức đã học vào giải bài tập

- Có những suy nghĩ đúng đắn về các hiện tượng vật lí trong cuộc sống,

có thể vận dụng nó để giải thích một số hiện tượng trong cuộc sống liên quan

2.3 Tóm tắt nội dung cơ bản của chương “Từ trường”

- Cảm ứng từ của từ trường của dòng điện trong dây dẫn thẳng dài vô

- Cảm ứng từ của từ trường tại tâm của dòng điện trong khung dây tròn:

I là cường độ dòng điện trong mỗi vòng dây Quy tắc bàn tay phải xác địnhchiều của cảm ứng từ do dậy dẫn tròn tạo ra.

- Cảm ứng từ của từ trường của dòng điện trong ống dây: B 4 10   7nI

- Lực từ tác dụng trên mỗi đơn vị dài của hai dòng điện song song

 , với r là khoảng cách giữa hai dòng điện

- Ampe là cường độ của dòng điện không đổi khi chạy trong hai dây dẫnthẳng, tiết diện nhỏ, rất dài, song song với nhau và cách nhau 1m trong chânkhông thì trên mỗi mét dài của mỗi dây có một lực từ bằng 2.10-7 N tác dụng

- Momen ngẫu lực từ: M = IBSsin Trong đó S là diện tích phần mặtphẳng giới hạn bởi khung,  là góc hợp bởi vectơ pháp tuyến của khung vàcảm ứng từ

- Lực Lo-ren-xơ: f q vBsin  , trong đó q là điện tích của hạt,  là góchợp bởi vectơ vận tốc của hạt và cảm ứng từ

- Từ trường Trái đất:

+ Độ từ thiên: Góc lệch giữa kinh tuyến từ và kinh tuyến địa lí gọi

là độ từ thiên, kí hiểu là D

+ Độ từ khuynh: Góc hợp bởi kim nam châm của la bàn từ khuynh

và mặt phẳng nằm nganh gọi là độ từ khuynh, ký hiệu là I