Tài liệu Cải tiến một số bộ thí nghiệm thực hành trong chương trình vật lí trung học phổ thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH --------------------------------------- Trần Nguyễn Nam Bình CẢI TIẾN MỘT SỐ BỘ THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC Thành phố Hồ Chí Minh – 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH --------------------------------------- Trần Nguyễn Nam Bình CẢI TIẾN MỘT SỐ BỘ THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Chuyên ngành: Lý luận và Phương pháp dạy học môn Vật lý Mã số: 60 14 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN MẠNH HÙNG Thành phố Hồ Chí Minh – 2013 LỜI CẢM ƠN Luận văn được hoàn thành với sự nỗ lực hết mình của bản thân, cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô, gia đình, bạn bè và các em học sinh. Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Mạnh Hùng, Thầy đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường ĐHSP TP.HCM, phòng KHCN & SĐH và các Thầy Cô khoa Vật lí đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường THPT Chuyên Lương Thế Vinh tỉnh Đồng Nai, các lớp chuyên lí năm học 2011 – 2012 và 2012 - 2013, các đồng nghiệp trong tổ Vật lí của trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể thực hiện và thực nghiệm đề tài. Cuối cùng, con xin bày tỏ lòng biết ơn đến cha mẹ, gia đình, những người đã thường xuyên động viên, khuyến khích, hỗ trợ để con có thể hoàn thành luận văn. Một lần nữa, xin gửi đến tất cả mọi người lòng biết ơn chân thành và sâu sắc. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2013 Tác giả Trần Nguyễn Nam Bình MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................. 3 MỤC LỤC ........................................................................................ 4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................ 7 DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................. 8 DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................. 10 MỞ ĐẦU ........................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài ....................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................... 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu............................................................................... 2 4. Đối tượng và khách thể nghiên cứu........................................................ 3 5. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 3 6. Giả thuyết khoa học ................................................................................. 3 7. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 3 8. Những đóng góp mới của đề tài nghiên cứu .......................................... 4 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................................................... 5 1.1. Các vấn đề về thí nghiệm Vật lí ............................................................ 5 1.1.1. Đặc điểm và vai trò của thí nghiệm Vật lí trong dạy học Vật lí ..............5 1.1.2. Các thiết bị thí nghiệm .............................................................................8 1.1.3. Những yêu cầu về mặt kĩ thuật và phương pháp dạy học đối với việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học Vật lí ...............................................................11 1.2.. Các vấn đề về thí nghiệm thực hành Vật lí [7] ................................. 11 1.2.1. Đặc điểm và vai trò của thí nghiệm thực hành trong dạy học Vật lí ......11 1.2.2. Những yêu cầu về mặt kĩ thuật và phương pháp dạy học đối với việc sử dụng thí nghiệm thực hành trong dạy học Vật lí [7] ........................................13 1.2.3. Đánh giá kết quả phép đo trong thí nghiệm thực hành Vật lí ................15 1.2.4. Phương pháp biểu diễn kết quả phép đo bằng đồ thị .............................21 1.2.5. Các tiêu chí lựa chọn một phương án thí nghiệm thực hành..................24 1.2.6. Hệ thống bài thí nghiệm thực hành trong chương trình Vật lí trung học phổ thông. .........................................................................................................25 1.2.7. Những thuận lợi và khó khăn khi dạy học thí nghiệm thực hành Vật lí trong chương trình THPT hiện nay. .................................................................29 1.2.8. Thực trạng thí nghiệm thực hành môn Vật lí THPT và một số giải pháp cải tiến thực trạng hiện nay. .............................................................................31 1.3. Ưu nhược điểm của một số bộ thí nghiệm thực hành hiện có trong các trường phổ thông về mặt thiết bị, phương án và kĩ thuật tiến hành. 34 1.3.1. Mục đích điều tra ....................................................................................34 1.3.2. Đối tượng và phương pháp điều tra........................................................34 1.3.3. Kết quả điều tra ......................................................................................34 1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................... 42 CHƯƠNG 2. CẢI TIẾN MỘT SỐ THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG ................................................................................. 43 2.1. Thí nghiệm đo hệ số ma sát theo phương pháp động lực học .......... 43 2.1.1. Tăng độ chính xác của phép đo hệ số ma sát nghỉ .................................43 2.1.2. Tăng độ chính xác của phép đo hệ số ma sát trượt ................................45 2.1.3. Thí nghiệm xác định hệ số ma sát trượt giữa gỗ và gỗ ..........................48 2.1.4. Hiệu quả cải tiến .............................................................................. 51 2.2. Thí nghiệm đo hệ số căng bề mặt của chất lỏng ............................... 54 2.2.1. Giảm thời gian đo các đường kính của vòng nhôm ...............................55 2.2.2. Thay đổi cách mắc dây treo vòng nhôm để đảm bảo mặt phẳng vòng song song với mặt thoáng của chất lỏng khi thực hành. ..................................57 2.2.3. Giảm tốc độ nước chảy để việc đọc số chỉ lực kế dễ dàng ....................58 2.2.4. Định sẵn lượng nước cần đổ vào các cốc để vừa đủ thí nghiệm ............60 2.2.5. Chế tạo giá đỡ có thể thay đổi độ cao một cách từ từ thay cho việc dùng bình thông nhau. ...............................................................................................62 2.2.6. Hiệu quả cải tiến .....................................................................................65 2.3. Thí nghiệm đo suất điện động và điện trở trong của pin điện hóa... 68 2.3.1. Khắc phục tình trạng số liệu hiển thị trên đồng hồ không ổn định ........68 2.3.2. Cải thiện kĩ năng vẽ đồ thị biểu diễn kết quả đo trên giấy kẻ ô li ..........70 2.3.3. Hiệu quả cải tiến .....................................................................................71 2.4. Thí nghiệm đo tiêu cự thấu kính phân kì .......................................... 77 2.4.1. Tạo cơ sở đảm bảo sự đồng trục của các thấu kính ................................77 2.4.2. Tăng độ chính xác của kết quả xác định vị trí ảnh trên màn ..................79 2.4.3. Thiết kế chữ L trong suốt thay thế cho số 1 chắn sáng ..........................86 2.4.4. Hiệu quả cải tiến .....................................................................................87 2.5. Thí nghiệm đo tốc độ truyền âm trong không khí ............................. 89 2.5.1. Ứng dụng kĩ thuật điện tử để hỗ trợ việc xác định vị trí pittông khi có cộng hưởng âm. ................................................................................................89 2.5.2. Hiệu quả cải tiến .....................................................................................90 2.6. Kết luận chương 2 ............................................................................... 91 CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT MỞ RỘNG MỘT SỐ THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH TRONG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG ...................................................................... 92 3.1. Đo hệ số ma sát trượt giữa giấy và thép ............................................. 92 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của góc nghiêng đến kết quả đo hệ số ma sát trượt theo phương pháp động lực học. ..................................................... 94 3.3. Đo hệ số căng bề mặt của nước nguyên chất với những khung nhôm có hình dạng đường chu vi mặt ngoài khác nhau.................................... 95 3.4. Kiểm nghiệm lại sự phụ thuộc của hệ số căng bề mặt của nước và rượu etylic vào nhiệt độ. ............................................................................ 98 3.5. Kết luận chương 3 ............................................................................. 100 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................. 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................... 103 PHỤ LỤC ..................................................................................... 105 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Thứ tự Viết tắt Viết đầy đủ 1 GV giáo viên 2 HS học sinh 3 THPT trung học phổ thông 4 ĐCNN độ chia nhỏ nhất 5 GHĐ giới hạn đo 6 SGV sách giáo viên 7 SGK sách giáo khoa 8 TKHT thấu kính hội tụ 9 TKPK thấu kính phân kì 10 TN thí nghiệm 11 TNTH thí nghiệm thực hành DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 - Hệ thống bài thực hành Vật lí trong chương trình vật lí THPT Bảng 1.2 - Bảng tổng hợp kết quả điều tra ưu nhược điểm của một số bộ thí nghiệm thực hành hiện có trong các trường phổ thông về mặt thiết bị, phương án và kĩ thuật tiến hành. Bảng 2.1 - Kết quả đo µ t dùng 1 cổng quang trước cải tiến Bảng 2.2 - Kết quả đo µ t bằng phương án cải tiến dùng 2 cổng quang với chế độ MODE A↔B, không dùng nam châm và công tắc, bề mặt trượt là nhôm. Bảng 2.3 - Kết quả đo µ t bằng phương án cải tiến dùng 1 cổng quang với chế độ MODE A, không dùng nam châm và công tắc, bề mặt trượt là nhôm. Bảng 2.4 - Kết quả đo hệ số căng bề mặt của nước trước khi cải tiến. Bảng 2.5 - Kết quả đo hệ số căng bề mặt của nước sử dụng kẹp giấy. Bảng 2.6 - Bảng số liệu đo U – I trong thí nghiệm 1. Bảng 2.7 - Bảng số liệu đo U – I trong thí nghiệm 2. Bảng 2.8 - Bảng số liệu đo U – I trong thí nghiệm 3. Bảng 2.9 - Bảng số liệu đo U – I trong thí nghiệm 4. Bảng 2.10 - Kết quả đo tiêu cự f của TKPK trước khi cải tiến Bảng 2.11 - Kết quả đo tiêu cự f của TKPK bằng cách điều chỉnh đèn chiếu để tạo ra chùm sáng song song tới hệ thấu kính. Bảng 2.12 - Kết quả đo tiêu cự f của TKPK với đèn LED công suất cao Bảng 2.13 - Kết quả đo tiêu cự f của TKPK với chữ L trong suốt Bảng 3.1 - Kết quả đo µ t dùng 1 cổng quang với chế độ MODE A Bảng 3.2 - Kết quả đo µ t dùng 2 cổng quang với chế độ MODE A↔B Bảng 3.3 - Các số liệu thực nghiệm đo hệ số ma sát trượt giữa hai bề mặt thép – nhôm với các góc nghiêng khác nhau Bảng 3.4 - Các số liệu thực nghiệm đo hệ số ma sát trượt giữa hai bề mặt thép – giấy với các góc nghiêng khác nhau Bảng 3.5: Kết quả đo hệ số căng bề mặt của nước nguyên chất với những khung nhôm có hình dạng đường chu vi mặt ngoài khác nhau. Bảng 3.6 - Giá trị hệ số căng bề mặt của nước và rượu etylic ở các nhiệt độ khác nhau được ghi trong một số tài liệu nước ngoài. Bảng 3.7 - Kết quả đo hệ số căng bề mặt của nước ở một số nhiệt độ. Bảng 3.8 - Kết quả đo hệ số căng bề mặt của rượu etylic 960 ở một số nhiệt độ. DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 – Cách vẽ đường biểu diễn thực nghiệm trên giấy. Hình 2.1 – Thước đo góc với dây dọi là dây chỉ mảnh. Hình 2.2 - Thước đo góc tự chế bằng giấy rôki. Hình 2.3 - Bộ thí nghiệm đo hệ số ma sát nghỉ với giá đỡ thay đổi độ cao. Hình 2.4 - Nguyên lí đo thời gian của hệ thống đồng hồ đo thời gian và cổng quang điện. Hình 2.5 - Nguyên lí cấu tạo công tắc kép. Hình 2.6 - Bộ thí nghiệm đo hệ số ma sát sử dụng hai cổng quang. Hình 2.7 - Bố trí thí nghiệm đo hệ số ma sát trượt giữa gỗ - gỗ với giá đỡ và kẹp đa năng. Hình 2.8 - Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của lực ma sát trượt vào áp lực Hình 2.9 - Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của F mst vào bản chất bề mặt tiếp xúc. Hình 2.10 - Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của F mst vào diện tích tiếp xúc. Hình 2.11 - Bảng số liệu và đồ thị khảo sát sự phụ thuộc của F mst vào N. Hình 2.12 - Mô phỏng vòng nhôm sau khi đánh dấu các cặp vạch. Hình 2.13 - Đo đường kính ngoài của vòng nhôm đã đánh dấu các cặp vạch Hình 2.14 - Đo đường kính trong của vòng nhôm đã đánh dấu các cặp vạch Hình 2.15 - Mô phỏng vòng nhôm với 3 dây treo phụ thêm. Hình 2.16 - Dùng kẹp giấy để giảm tốc độ nước chảy. Hình 2.17 - Bộ thí nghiệm với khóa và ống nhựa trong bộ dụng cụ truyền nước biển Hình 2.18 - Bộ thí nghiệm tự chế với hộp nhựa đựng thực phẩm có kích thước lớn. Hình 2.19 - Mô phỏng bộ thí nghiệm đo hệ số căng bề mặt trong SGK. Hình 2.20 - Mô phỏng thao tác xác định lượng nước cần đổ vào các cốc. Hình 2.21 - Cốc nhựa với thước milimet được dán dọc chiều dài cốc. Hình 2.22 – Mô phỏng thao tác cải tiến cho vòng nhôm chạm mặt nước. Hình 2.23 - Bộ dụng cụ và giá đỡ thay đổi độ cao của hãng Cornelsen. Hình 2.24 - Cái Đội bán ngoài thị trường. Hình 2.25 - Giá đỡ làm theo mẫu của hãng Cornelsen. Hình 2.26 - Giá đỡ bánh xoay bằng gỗ. Hình 2.27 - Lắp đặt hệ thống thí nghiệm với giá đỡ dùng bùlong và kẹp đa năng. Hình 2.28 - Một số hộp pin có trên thị trường. Hình 2.29 - Dây dẫn với một đầu đã được hàn chặt lại. Hình 2.30 - Đồ thị U = f(I) vẽ bằng Excel với số liệu trong bảng 2.6. Hình 2.31 - Đồ thị U = f(I) vẽ bằng Excel với số liệu trong bảng 2.7. Hình 2.32 - Đồ thị U = f(I) vẽ bằng Excel với số liệu trong bảng 2.8. Hình 2.33 - Đồ thị U = f(I) vẽ bằng Excel với số liệu trong bảng 2.9. Hình 2.34 - Đồ thị U = f(I) vẽ trên giấy ô li vở với số liệu trong bảng 2.6. Hình 2.35 - Đồ thị U = f(I) vẽ trên giấy ô li nhỏ với số liệu trong bảng 2.6. Hình 2.36 – Mô phỏng sự tạo ảnh qua TKHT với điểm sáng không thuộc trục chính. Hình 2.37 - Các vạch đứng được dán vào trục thấu kính và con trượt. Hình 2.38 - Sơ đồ tạo ảnh của vật qua thấu kính với màn gắn quang điện trở. Hình 2.39 - Mạch điện có quang điện trở gắn trên màn hứng ảnh tự chế. Hình 2.40 - Sơ đồ tạo ảnh của điểm sáng qua thấu kính với màn gắn quang điện trở. Hình 2.41 - Mô phỏng cấu tạo của đèn chiếu sáng trong bộ thí nghiệm. Hình 2.42 - Sơ đồ tạo ảnh qua hệ hai TK với chùm sáng tới song song. Hình 2.43 - Điều chỉnh vị trí tim đèn để được chùm sáng song song. Hình 2.44 - Sơ đồ tạo ảnh qua hệ TK với nguồn sáng điểm trên trục chính. Hình 2.45 - Thay số 1 chắn sáng bằng đèn Led công suất cao đặt tại tâm mảnh tròn. Hình 2.46 - Thí nghiệm chọn vị trí ảnh để định vị trí gắn quang điện trở trên màn. Hình 2.47 - Thí nghiệm với đèn Led công suất cao và màn có gắn quang điện trở. Hình 2.48 - Số 1 của bộ thiết bị, chữ L trong suốt dùng làm vật sáng và đĩa A. Hình 2.49 - Bộ dụng cụ ghi đồ thị dao động âm với dao động kí. Hình 2.50 - Đồ thị dao động âm hiển thị trên màn hình dao động kí. Hình 3.1 - Bộ thiết bị sau khi thay bề mặt nhôm bằng giấy khổ A3. Hình 3.2 - Các khung nhôm vuông, chữ nhật và tấm nhôm dùng trong thí nghiệm. Hình 3.3 - Đồ thị biểu diễn kết quả đo hệ số căng bề mặt của nước theo nhiệt độ. Hình 3.4 - Bộ dụng cụ đo hệ số căng bề mặt của nước và rượu etylic theo nhiệt độ. MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Những yêu cầu của thời đại ngày nay đòi hỏi nhà trường phổ thông không chỉ dừng lại ở việc trang bị cho học sinh (HS) những kiến thức và kĩ năng loài người đã tích lũy được mà còn phải bồi dưỡng cho HS năng lực tự thu nhận tri thức, tự phát hiện và giải quyết vấn đề do nhiệm vụ học tập đề ra, năng lực sáng tạo những kiến thức mới, phương tiện mới và cách giải quyết mới. Do đó, trên thế giới, mọi cuộc cách mạng về phương pháp dạy học ở trường phổ thông đều nổi lên xu hướng chung: tích cực hóa và cá thể hóa hoạt động nhận thức của HS. Đối với môn Vật lí, một môn khoa học thực nghiệm, thì xu hướng đó được thể hiện trên nhiều mặt, trong đó có việc tăng cường các hoạt động thực nghiệm của HS. Các thí nghiệm thực hành (TNTH) Vật lí trong trường THPT được xây dựng với các mục đích sau: - Rèn luyện cho HS kĩ năng thực nghiệm cơ bản về Vật lí, làm quen với một số dụng cụ và máy móc thực nghiệm, tạo điều kiện cho HS biết cách tiến hành các phép đo một số đại lượng Vật lí. - Giúp HS hình thành nên những nét nhân cách con người thông qua những kĩ năng khoa học và các thao tác tư duy logic Vật lí; đồng thời rèn luyện tính kiên trì, chính xác, trung thực và khách quan đối với người làm công tác khoa học. - Thông qua các bài thực hành, HS hiểu sâu sắc hơn các khái niệm và hiện tượng Vật lí, tin tưởng vào các chân lí khoa học, quan sát được một số hiện tượng bổ sung cho bài học, củng cố những kiến thức đã học được từ các bài giảng lí thuyết, tập cho các em khả năng vận dụng lí luận vào thực tiễn và giải thích được các hiện tượng Vật lí đơn giản đang xảy ra trong thế giới tự nhiên. Tuy nhiên, các mục đích trên khó đạt được vì số lượng các bài thực hành trong chương trình ít, chất lượng dạy học tiết thực hành chưa cao do phụ thuộc nhiều yếu tố như điều kiện cơ sở vật chất, kĩ năng hướng dẫn của GV, thời gian, sự chuẩn bị của GV và HS, nhất là các thiết bị thí nghiệm đo không chính xác, không đồng bộ. Giáo dục đại trà trước mắt và lâu dài vẫn tập trung thực hiện các TNTH trong chương trình học. Vì vậy, bên cạnh sự cần thiết phải trang bị các thiết bị hiện đại và chờ cấp kinh phí để mua mới hay sửa chữa các thiết bị hư thì mỗi GV phải cố gắng tự khắc phục những hạn chế của các bộ TNTH trong khả năng của mình bằng những phương án đơn giản, kinh tế, hiệu quả nhưng vẫn đảm bảo tính sư phạm. Với tất cả những lí do đã trình bày ở trên, cùng với niềm đam mê thí nghiệm, tôi quyết định chọn đề tài: “Cải tiến một số bộ thí nghiệm thực hành trong chương trình Vật lí trung học phổ thông” làm đề tài nghiên cứu. Trong khuôn khổ nghiên cứu giới hạn của đề tài, tôi sẽ cố gắng thực hiện những phương án cải tiến khả thi, hi vọng kết quả nghiên cứu của tôi sẽ đóng góp một phần nhỏ bé trong việc nâng cao hiệu quả của việc thực hành thí nghiệm Vật lí ở trường phổ thông. 2. Mục đích nghiên cứu Cải tiến một số TNTH Vật lí về mặt thiết bị, phương án và kĩ thuật tiến hành nhằm thực hiện được các mục tiêu của bài thực hành đặt ra, qua đó nâng cao hiệu quả của việc thực hành thí nghiệm Vật lí ở trường phổ thông. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt được mục đích nghiên cứu, tôi cần thực hiện những nhiệm vụ sau: o Nghiên cứu cơ sở lí luận của đề tài. o Tìm hiểu các bài TNTH trong chương trình Vật lí THPT. o Tìm hiểu thực trạng dạy học tiết thực hành Vật lí ở một số trường THPT. o Nghiên cứu ưu nhược điểm của các bộ TNTH hiện có trong các trường phổ thông về mặt thiết bị, phương án và kĩ thuật tiến hành. o Phỏng vấn đồng nghiệp và học trò để biết thêm những ưu nhược điểm của các TNTH trong chương trình Vật lí THPT. o Nghiên cứu và đề xuất các phương án cải tiến một số TNTH Vật lí đã chọn. o Thực hiện các phương án cải tiến có tính đến các yếu tố kinh tế, giản đơn, hiệu quả và tính sư phạm. o Thực hiện lại các thí nghiệm với các phương án cải tiến. Ghi nhận, xử lí số liệu thu được và ý kiến đóng góp để điều chỉnh, hoàn thiện các phương án. 4. Đối tượng và khách thể nghiên cứu o Đối tượng nghiên cứu: Các phương án cải tiến một số TNTH Vật lí ở trường THPT về mặt thiết bị, phương án và kĩ thuật tiến hành. o Khách thể nghiên cứu: Quá trình dạy học TNTH Vật lí ở trường THPT. 5. Phạm vi nghiên cứu o Nội dung: Cải tiến về mặt thiết bị, phương án và kĩ thuật tiến hành. o Địa bàn: Các trường THPT trong tỉnh Đồng Nai và một số tỉnh lân cận. o Thời gian: Từ tháng 3/2012 đến tháng 8/2012. 6. Giả thuyết khoa học Nếu cải tiến một cách phù hợp các thiết bị, phương án và kĩ thuật tiến hành của một số thí nghiệm thực hành thì sẽ nâng cao hiệu quả của việc thực hành thí nghiệm vật lí ở trường phổ thông. 7. Phương pháp nghiên cứu 7.1. Các phương pháp nghiên cứu lí luận o Nghiên cứu các tài liệu liên quan về lí luận dạy học, tâm lí học, giáo dục học và các tài liệu khoa học cơ bản liên quan đến đề tài, đặc biệt nghiên cứu kĩ những cơ sở lí luận về thí nghiệm thực hành Vật lí. o Phương pháp phân tích và tổng hợp. o Phương pháp phân loại và hệ thống hóa. 7.2. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn o Phương pháp điều tra: điều tra và tổng hợp ý kiến các GV dạy Vật lí ở các trường THPT về thực trạng thiết bị và dạy học các TNTH Vật lí. o Phương pháp chuyên gia: tham khảo và tổng hợp ý kiến các nhà nghiên cứu giáo dục về việc dạy học thực hành Vật lí ở trường THPT. 8. Những đóng góp mới của đề tài nghiên cứu Các phương án cải tiến đã làm cho việc thực hiện một số TNTH trở nên đơn giản và có độ chính xác cao hơn. Đề xuất mở rộng một số TNTH đã khai thác thêm chức năng của các bộ TNTH, góp phần duy trì sự đam mê nghiên cứu khoa học của GV và HS trong điều kiện thiếu trang thiết bị cả về số lượng và chất lượng hiện nay. CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.1. Các vấn đề về thí nghiệm Vật lí 1.1.1. Đặc điểm và vai trò của thí nghiệm Vật lí trong dạy học Vật lí Trong các tài liệu về lí luận dạy học Vật lí [7], [8] thì thí nghiệm (TN) Vật lí được định nghĩa là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan. Thông qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của sự tác động, ta có thể thu nhận được tri thức mới. Thí nghiệm Vật lí có một số đặc điểm sau: - Các điều kiện của TN phải được lựa chọn và được thiết lập có chủ định sao cho thông qua TN, có thể trả lời được câu hỏi đặt ra, có thể kiểm tra được giả thuyết hoặc hệ quả suy ra từ giả thuyết. Mỗi TN có 3 yếu tố cấu thành được xác định rõ: đối tượng cần nghiên cứu, phương tiện gây tác động lên đối tượng cần nghiên cứu và phương tiện quan sát, đo đạc để thu nhận các kết quả của sự tác động. - Các điều kiện của TN có thể làm biến đổi được để ta có thể nghiên cứu sự phụ thuộc giữa hai đại lượng, trong khi các đại lượng khác giữ không đổi. - Các điều kiện của TN phải được khống chế, kiểm soát đúng như dự định nhờ sử dụng các thiết bị TN có độ chính xác ở mức độ cần thiết, nhờ sự phân tích thường xuyên các yếu tố của đối tượng cần nghiên cứu, nhờ làm giảm tối đa các loại nhiễu. - TN có thể lặp lại, nghĩa là với các thiết bị, các điều kiện như nhau thì khi bố trí, tiến hành lại TN thì hiện tượng và quá trình Vật lí phải diễn ra giống như trước đó. - Đặc điểm quan trọng nhất là tính chất có thể quan sát được các biến đổi của đại lượng nào đó qua sự biến đổi của đại lượng khác, nghĩa là dù với đối tượng nào cũng quan sát được TN. Điều này đạt được nhờ các giác quan của con người và sự hỗ trợ của các phương tiện quan sát, đo đạc. Vai trò của TN trong dạy học Vật lí được xem xét bởi cả các nhà lí luận nhận thức và lí luận dạy học:  Theo quan điểm lí luận nhận thức  TN là phương tiện của việc thu nhận tri thức Trong dạy học Vật lí, khi HS còn chưa có hoặc có hiểu biết ít về hiện tượng, quá trình cần nghiên cứu thì TN được sử dụng như là phương tiện phân tích hiện thực khách quan để cung cấp cho HS những dữ kiện cảm tính (các biểu tượng, các số liệu đo đạc) về hiện tượng, quá trình Vật lí này. Các dữ liệu này tạo điều kiện cho HS đưa ra những giả thuyết, là cơ sở cho những khái quát hóa về tính chất hay mối liên hệ phổ biến, có tính quy luật của các đại lượng Vật lí trong hiện tượng, quá trình Vật lí được nghiên cứu.  TN là phương tiện để kiểm tra tính đúng đắn của tri thức đã thu được Trong nhiều trường hợp, kết quả TN phủ định tính đúng đắn của tri thức đã biết, đòi hỏi phải đưa ra giả thuyết khoa học mới và lại kiểm tra ở các TN khác.  TN là phương tiện của việc vận dụng tri thức đã thu được vào thực tiễn Chương trình Vật lí THPT đề cập tới một loạt các ứng dụng của Vật lí trong đời sống và sản xuất. Việc tiến hành TN không những tạo cơ sở để HS hiểu được các ứng dụng của những kiến thức đã học trong thực tiễn mà còn chứng tỏ sự đúng đắn của các kiến thức này.  TN là bộ phận của phương pháp nhận thức Vật lí TN đóng vai trò quan trọng trong các phương pháp nhận thức vật lí cần bồi dưỡng cho HS gồm phương pháp thực nghiệm, phương pháp mô hình, phương pháp tương tự và phương pháp thí nghiệm lí tưởng. Trong phương pháp thực nghiệm, TN đóng vai trò quan trọng ở giai đoạn đầu và ở giai đoạn cuối. Ở giai đoạn đầu, đa số các thông tin về đối tượng cần nghiên cứu thường được thu nhận trong các TN, việc kiểm tra tính đúng đắn của hệ quả rút ra ở giai đoạn cuối phải thông qua việc xây dựng và thực hiện phương án TN để nghiên cứu một hiện tượng, một mối quan hệ đã được loại bỏ các yếu tố không quan tâm nên thường không có trong tự nhiên. Trong phương pháp mô hình, TN có vai trò ở tất cả các giai đoạn. Ở giai đoạn đầu, các thông tin về đối tượng gốc thường được thu thập nhờ TN. Nhờ việc chủ động loại bỏ những yếu tố không quan tâm, tác động lên đối tượng, bố trí các dụng cụ quan sát, thu thập và xử lí số liệu... ta tìm ra được các thuộc tính, các mối quan hệ bản chất của đối tượng gốc, để đưa ra được mô hình phản ánh các mối quan hệ chính mà ta quan tâm. Ở giai đoạn cho mô hình vận động, phải tiến hành các TN thực với mô hình vật chất. Ở giai đoạn cuối, thông qua TN trên vật gốc, ta đối chiếu với kết quả thu được từ mô hình để kiểm tra tính đúng đắn của mô hình và rút ra giới hạn áp dụng của nó. Trong phương pháp tương tự, nhờ thực nghiệm mà phát hiện được sự tồn tại các dấu hiệu giống nhau (tương tự) các đối tượng làm cơ sở cho việc lựa chọn các đối tượng đem so sánh và cũng nhờ nó, kiểm tra tính đúng đắn của kết luận (hệ quả) rút ra bằng suy luận tương tự. Trong phương pháp thí nghiệm lí tưởng, các TN thực có vai trò đề ra các vấn đề nghiên cứu.  Theo quan điểm lí luận dạy học  TN có thể được sử dụng ở các giai đoạn khác nhau của quá trình dạy học - Ở giai đoạn định hướng mục đích bài học, TN được sử dụng để tạo ra tình huống Vật lí có vấn đề, từ đó nêu ra vấn đề cần nghiên cứu trong bài học. - Ở giai đoạn hình thành kiến thức mới, TN được sử dụng nhằm cung cấp một cách hệ thống các cứ liệu thực nghiệm, để từ đó quy nạp khái quát hóa, kiểm tra được tính đúng đắn của giả thuyết hoặc hệ quả suy ra từ giả thuyết. - Ở giai đoạn củng cố kiến thức kĩ năng Vật lí của HS, TN có vai trò quan trọng trong việc mở rộng các kiến thức đã biết của HS, giúp HS thấy được các biểu hiện trong tự nhiên, các ứng dụng trong đời sống và sản xuất của các kiến thức này thông qua các bài TNTH trên lớp, hay các bài tập TN ở nhà,… - Ở giai đoạn đánh giá chất lượng dạy học, TN được sử dụng như phương tiện để kiểm tra, đánh giá kiến thức, các kĩ năng, kĩ xảo Vật lí của HS.  TN là phương tiện góp phần phát triển nhân cách toàn diện của HS - TN là phương tiện góp phần phát hiện và khắc phục kịp thời những sai lầm của HS về nhận thức, nâng cao chất lượng kiến thức của các em. - TN là phương tiện hữu hiệu để bồi dưỡng năng lực sáng tạo của HS; kích thích hứng thú học tập Vật lí, tổ chức quá trình học tập tích cực, tự lực và sáng tạo của HS. Khi HS tự tiến hành TN, các em sẽ được rèn luyện các kĩ năng, kĩ xảo Vật lí và được giáo dục các thói quen làm việc khoa học như cách sử dụng các dụng cụ, cách trình bày kết quả TN… - TN góp phần bồi dưỡng các phẩm chất đạo đức cần thiết cho HS khi làm việc trong tập thể như cách tổ chức, phân công công việc, tinh thần tự giác, hợp tác…Quá trình cùng nhau cố gắng giải quyết những nhiệm vụ đặt ra khi TN có nhiều điểm chung với quá trình làm việc tập thể trong cuộc sống sau này.  TN là phương tiện đơn giản hoá và trực quan trong dạy học Vật lí - TN là phương tiện đơn giản hóa trong dạy học Vật lí vì có thể chủ động khống chế các điều kiện cần thiết để hiện tượng xảy ra có thể quan sát, đo đạc dễ dàng hơn, từ đó có thể nghiên cứu được nguyên nhân xảy ra hiện tượng và các quy luật Vật lí tiềm ẩn trong hiện tượng đó. - TN còn là phương tiện trực quan giúp HS thu được những thông tin chân thực về các hiện tượng, quá trình Vật lí. Đặc biệt trong việc nghiên cứu các lĩnh vực của Vật lí mà ở đó đối tượng cần nghiên cứu không thể tri giác trực tiếp bằng các giác quan của con người thì cần thiết phải sử dụng các TN mô hình để đơn giản hóa các hiện tượng, quá trình Vật lí thực. 1.1.2. Các thiết bị thí nghiệm Theo tác giả Phan Trọng Ngọ, phương tiện dạy học là toàn bộ sự vật, hiện tượng trong thế giới, tham gia vào quá trình dạy học, đóng vai trò là công cụ hay điều kiện để giáo viên và học viên sử dụng làm khâu trung gian tác động vào đối tượng dạy học. Phương tiện dạy học có chức năng khơi dậy, dẫn chuyền và làm tăng sức mạnh tác động của người dạy và người học đến đối tượng dạy học [33]. Thiết bị thí nghiệm là một trong những phương tiện dạy học quen thuộc trong dạy học Vật lí. Các thiết bị thí nghiệm có một giá trị đặc biệt đối với dạy học Vật lí ở chỗ chúng tạo điều kiện cho sự nghiên cứu có hệ thống, trực quan các hiện tượng, quá trình Vật lí, cho phép hình thành các khái niệm, nghiên cứu các định luật một cách trực tiếp trên các đối tượng cần nhận thức trong giờ học và tạo điều kiện nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật của Vật lí [7]. Các thiết bị thí nghiệm được phân thành hai loại là thiết bị thí nghiệm biểu diễn và thiết bị thí nghiệm thực hành, chúng có đặc điểm như sau :  Thiết bị thí nghiệm biểu diễn - Dùng để tiến hành các thí nghiệm của GV. - Được chế tạo với kích thước đủ lớn sao cho toàn lớp có thể quan sát rõ các bộ phận quan trọng của thiết bị, các hiệu ứng Vật lí diễn ra trong các TN được làm với chúng. Với các thiết bị thí nghiệm này, có thể thu được những giá trị đo chính xác. - Được chế tạo để sử dụng một cách độc lập (ví dụ: bộ thí nghiệm về định luật Bôilơ – Mariốt) nhưng cũng có khi được chế tạo thành một bộ thí nghiệm gồm nhiều chi tiết có thể lắp ghép với nhau để tiến hành một loạt thí nghiệm ở nhiều phần khác nhau của Vật lí. (ví dụ: bộ thí nghiệm quang hình biểu diễn được dùng để giảng dạy kiến thức về khúc xạ ánh sáng, lăng kính, thấu kính; bộ thí nghiệm đệm khí có thể làm được nhiều thí nghiệm không chỉ ở các phần động học, động lực học và năng lượng của chuyển động thẳng mà còn tiến hành được với nó các thí nghiệm về dao động cơ học ; bộ thí nghiệm điện từ cho phép tiến hành các thí nghiệm về dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều, về từ trường và về cảm ứng điện từ…). Với các thiết bị thí nghiệm biểu diễn như vậy, HS làm quen tương đối nhanh nguyên tắc hoạt động, cách bố trí thí nghiệm cơ bản; ở các thí nghiệm sau, HS dễ nhận thấy các bộ phận không thay đổi, những chi tiết thay đổi, bổ sung so với các thí nghiệm đã được tiến hành trước đó. - Thường được sử dụng kết hợp với các nguồn điện (biến thế biểu diễn), máy đo (ví dụ: dao động kí điện tử, đồng hồ đo điện biểu diễn) ở ngoài thiết bị.  Thiết bị thí nghiệm thực hành - Thường được chế tạo thành các bộ thí nghiệm bao gồm nhiều chi tiết, dùng cho hoạt động thí nghiệm của HS khi nghiên cứu tài liệu mới hoặc thực hành sau một chương, một phần chương trình Vật lí. Ví dụ: bộ thí nghiệm đo hệ số ma sát trượt trong chương trình Vật lí 10 gồm máng trượt, cổng quang điện, công tắc đóng ngắt, giá đỡ, các trụ thép, đế ba chân, khớp nối đa năng, chân máng, hộp đỡ vật trượt, đồng hồ đo thời gian hiện số, nam châm điện, dây dẫn, vật trượt, thước đo góc.