Tài liệu Phát triển tư duy vật lý cho học sinh thông qua phương pháp mô hình với sự hỗ trợ của máy tính trong dạy học chương động lực học chất điểm vật lý lớp 10 thpt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM ĐỖ KHOA THÚY KHA PHÁT TRIỂN TƯ DUY VẬT LÝ CHO HỌC SINH THÔNG QUA PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA MÁY TÍNH TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM VẬT LÝ LỚP 10 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ GIÁO DỤC HỌC Chuyên ngành lý luận và phƣơng pháp dạy học bộ môn vật lý Mã số: 62140111 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. PHAN GIA ANH VŨ PGS.TS. NGUYỄN BẢO HOÀNG THANH HUẾ, KHÓA 2012 – 2015 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, sự phát triển nhanh của khoa học và công nghệ cùng với sự bùng nổ thông tin đã làm cho kho tri thức của nhân loại tăng lên nhanh chóng. Ngoài ra, các phương thức tiếp cận kiến thức ngày càng trở nên đa dạng và phong phú. Do đó, đổi mới giáo dục là một yêu cầu cấp bách của thực tiễn đặt ra cho tất cả các nước, trong đó có Việt Nam. Đổi mới giáo dục là một trong những vấn đề đã và đang được Đảng và Nhà nước ta quan tâm một cách sâu sắc. Điều này thể hiện rõ trong các chủ trương, đường lối chính sách của Đảng và Nhà nước. Từ các chủ trương, đường lối của Đảng, các chính sách của Nhà nước, chỉ thị của Ngành cho thấy giáo dục phải chú trọng đến sự phát triển của cá nhân, khuyến khích ý thức tự lực của người học. Cần phải dạy HS phương pháp học, phương pháp tư duy và phát triển năng lực tư duy cho HS. Đồng thời GV cần phải tăng cường ứng dụng công nghệ thông tin trong đổi mới phương pháp dạy học nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả dạy học.Và, cần chuyển đổi mục tiêu kiểm tra đánh giá kết quả học tập của HS theo hướng đánh giá năng lực người học. Vật lí học nghiên cứu các vận động cơ bản nhất của vật chất. Để học tốt môn vật lí HS phải nắm vững hiện tượng vật lí, các nguyên lý, định luật vật lí; biết cách dự đoán các kết quả của các thí nghiệm vật lí hoặc các hiện tượng, biết vận dụng linh hoạt các kiến thức đã học trong các tình huống mới. Nghĩa là nếu học sinh có TDVL tốt, thì sẽ học tập vật lí hiệu quả hơn. Ngoài ra, trong nghiên cứu vật lí PPMH là một phương pháp đặc thù. Ngày nay, phương pháp này được sử dụng một cách đơn giản, dễ trực quan và hiệu quả hơn với sự hỗ trợ của máy vi tính (MVT). Do đó, sử dụng PPMH với sự hỗ trợ của MVT trong dạy học vật lí sẽ góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả dạy học. Trong bậc THPT, HS nghiên cứu phần cơ học đầu tiên. Các kiến thức trong phần này hết sức cơ bản và là cơ sở để HS nghiên cứu các phần khác của vật lí. Vì vậy, phát triển TDVL cho HS khi các em học phần cơ học là một việc làm hết sức cần thiết và có ý nghĩa. Nó không những giúp cho HS học phần này hiệu quả hơn mà còn trang bị cho HS năng lực cần thiết để tiếp tục nghiên cứu các phần khác. 2 Vì các lý do trên, chúng tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài: “Phát triển TDVL cho HS trong dạy học cơ học vật lí lớp 10 THPT thông qua PPMH với sự hỗ trợ của MVT”. 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Xây dựng được các biện pháp phát triển TDVL của HS thông qua PPMH với sự hỗ trợ của MVT 3. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC Nếu xây dựng được các biện pháp phát triển TDVL của HS thông qua PPMH với sự hỗ trợ của MVT và vận dụng được các biện pháp đó trong dạy học cơ học vật lí lớp 10 THPT thì sẽ phát triển được TDVL của HS. 4. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU + Nghiên cứu cơ sở lý luận về TDVL và cơ sở lý luận của việc sử dụng PPMH trong dạy học vật lí với sự hỗ trợ của MVT + Xây dựng các biện pháp phát triển TDVL cho HS thông qua PPMH với sự hỗ trợ của MVT + Xây dựng công cụ đánh giá mức độ TDVL của HS THPT + Nghiên cứu thực trạng về TDVL của HS THPT hiện nay và việc sử dụng PPMH trong dạy học vật lí với sự hỗ trợ của MVT + Xây dựng quy trình phát triển TDVL cho HS trong dạy học vật lí thông qua PPMH với sự hỗ trợ của MVT và thiết kế một số bài dạy học thuộc phần “cơ học” theo quy trình này + Tiến hành TN sư phạm nhằm kiểm nghiệm giả thuyết và đánh giá tính khả thi và hiệu quả của đề tài. 5. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Hoạt động dạy học phần cơ học vật lí lớp 10 THPT bằng PPMH với sự hỗ trợ của MVT theo hướng phát triển TDVL cho HS. 6. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài chỉ nghiên cứu việc phát triển TDVL cho HS thông qua PPMH trong dạy học cơ học vật lí lớp 10 THPT với sự hỗ trợ của MVT. 7. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU + Phương pháp nghiên cứu lý thuyết + Phương pháp điều tra + Phương pháp thực nghiệm sư phạm + Phương pháp thống kê toán học 3 8. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 8.1. Về mặt lí luận - Làm rõ được khái niệm TDVL, các thao tác TDVL, các biểu hiện của TDVL của HS THPT, vai trò của PPMH đối với việc phát triển TDVL cho HS và vai trò hỗ trợ của MVT khi sử dụng PPMH trong dạy học vật lí - Xây dựng được các tiêu chuẩn và các tiêu chí để đánh giá một cách định lượng mức độ TDVL của HS THPT; - Đề xuất được các biện pháp phát triển TDVL cho HS thông qua việc sử dụng PPMH với sự hỗ trợ của MVT trong dạy học vật lí ở trường phổ thông và quy trình phát triển TDVL cho HS thông qua PPMH với sự hỗ trợ của MVT. 8.2. Về mặt thực tiễn - Xây dựng và đánh giá được bộ câu hỏi đánh giá định lượng mức độ TDVL của HS sau khi học phần cơ học vật lí lớp 10 THPT; - Soạn thảo được hệ thống tiến trình tổ chức hoạt động nhận thức cho HS và các giáo án tương ứng để phát triển TDVL cho HS thông qua PPMH với sự hỗ trợ của MVT khi dạy phần cơ học vật lí lớp 10 THPT. 9. CẤU TRÚC LUẬN ÁN Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận án gồm bốn chương: Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lý luận và thực tiễn của việc phát triển TDVL cho HS thông qua việc sử dụng PPMH với sự hỗ trợ của MVT Chương 3: Tiến trình dạy học phần cơ học theo hướng phát triển TDVL cho HS thông qua việc sử dụng PPMH với sự hỗ trợ của MVT Chương 4: Thực nghiệm sư phạm -------------- 4 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Nghiên cứu về tƣ duy và phát triển tƣ duy trong dạy học nói chung 1.1.1. Các nghiên cứu ở nƣớc ngoài Phát triển tư duy là một vấn đề được nhiều nhà giáo dục trên thế giới quan tâm. Nhiều tác giả đã có các công trình nghiên cứu về vấn đề này như: Bransford, Sherwood, Vye, Rieser, Cotton, Rahil Mahyuddin, Zaidatol Akmaliah Lope Pihie, Habibah Elias, Mohd Majid Konting, Echevarria, Leat, Nagamurali Eragamreddy, …Các nghiên cứu này đã chỉ ra tầm quan trọng của việc phát triển tư duy cho HS trong quá trình dạy học. Đồng thời, các nghiên cứu trên cũng đã chỉ ra các biện pháp, mức độ phát triển tư duy cho HS trong dạy học và đánh giá năng lực tư duy của HS ở THPT trong độ tuổi 16 – 18 tuổi. 1.1.2. Các nghiên cứu ở trong nƣớc Ở phạm vi trong nước, đã có nhiều công trình nghiên cứu về phát triển tư duy trong dạy học các môn học khác nhau của nhiều tác giả. Lê Văn Dũng, Cao Cự Giác khẳng định rằng “Phát triển tư duy không chỉ gắn với việc khơi dậy ở HS những xúc cảm, tình cảm đặc biệt đối với quá trình và sản phẩm tư duy mà còn liên quan đến sự hình thành thái độ tư duy đúng đắn như mong muốn sự thật, khao khát tìm kiếm cái mới, sẵn sàng đón nhận thách thức, tranh luận,... và tạo lập ở HS niềm tin vào chính mình”. Đồng thời nghiên cứu cũng đưa ra bốn dấu hiệu đánh giá tư duy phát triển: có khả năng tự lực chuyển các kiến thức, kĩ năng sang các tình huống mới; tái hiện nhanh kiến thức, các mối liên hệ cần thiết để giải một bài toán nào đó, thiết lập nhanh mối quan hệ giữa các sự vật hiện tượng; có khả năng phát hiện các điểm giống và khác nhau của các hiện tượng và có năng lực áp dụng kiến thức vào thực tế . Nguyễn Thanh Hưng, Nguyễn Văn Thuận đã xây dựng được bảy biện pháp nhằm góp phần rèn luyện và phát triển tư duy biện chứng cho HS thông qua dạy học hình học ở trường phổ thông. Các tác giả: Đinh Quang Báo, Đỗ Tiến Đạt, Mai Văn Hưng, Nguyễn Thành Thi, Trần Kiều, Nguyễn Đức Vũ… cho rằng chuẩn giáo dục THPT phải có chuẩn về năng lực tư duy nói chung và các năng lực tư duy chuyên biệt cho từng bộ môn. Các tác giả trên thống nhất rằng việc phát triển tư duy cho HS là bắt buộc đối với tất cả các môn học. 5 Có thể nói rằng, các nghiên cứu trong nước đã có sự chú ý đến việc phát triển tư duy cho HS trong quá trình dạy học, đặc biệt là các nghiên cứu định hướng cho việc xây dựng chương trình giáo dục phổ thông sau năm 2015. Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào đề xuất một quy trình cụ thể để phát triển tư duy cho HS và cũng chưa có nghiên cứu nào xây dựng bộ công cụ đánh giá tư duy của HS ở trường THPT. 1.2. Nghiên cứu về phát triển tƣ duy trong dạy học vật lý 1.2.1. Các nghiên cứu ở nƣớc ngoài Đã có một số công trình nghiên cứu về việc phát triển và bồi dưỡng năng lực tư duy cho HS trong dạy học vật lí. Điển hình là các nghiên của các nhóm tác giả Vincent P. Coletta, Jeffrey A. Phillips, Jeff Steinert; Munir Khan, Muhammad Naseer Ud Din, Adriana Popescu, James Morgan. Kết quả của các nghiên cứu trên cho phép kết luận rằng: có thể rèn luyện để phát triển tư duy cho HS và trong quá trình dạy học vật lí cần chú trọng hơn nữa việc phát triển tư duy cho HS. 1.2.2. Các nghiên cứu trong nƣớc Tác giả Vũ Đào Chỉnh đã hệ thống hóa cơ sở lí luận về tư duy và phát triển tư duy của HS, chỉ ra một số dấu hiệu của tư duy phát triển và sáng tạo, trong đó chỉ rõ năng lực tư duy thể hiện ở kết quả của các thao tác tư duy (phân tích, tổng hợp, trừu tượng hóa, cụ thể hóa, khái quát hóa, các suy diễn và hình thành các khái niệm vật lí); sự di chuyển kiến thức mới, áp dụng các phương pháp cách thức hoạt động trí tuệ đã thu nhận được vào các đối tượng và quá trình mới; sự tổ chức các hoạt động nhận thức vật lí; tính động của tư duy; tính mềm dẻo của tư duy và áp dụng kiến thức vào thực tế. 1.3. Nghiên cứu về việc sử dụngPPMH trong dạy học vật lí 1.3.1. Các nghiên cứu ở nƣớc ngoài David Hestenes và các cộng sự đã đề xuất quy trình dạy học bằng PPMH gồm hai giai đoạn: phát triển mô hình và ứng dụng mô hình. Trong đó giai đoạn phát triển mô hình được thực hiện thông qua bốn bước: mô tả đối tượng, xây dựng mô hình, suy ra hệ quả và xác nhận mô hình. Đồng thời các nghiên cứu trên cũng mô tả cách áp dụng mô hình vào giảng dạy thực tế trên lớp học để phát triển năng lực giải quyết vấn đề và hiệu quả của việc sử dụng PPMH trong dạy học phần cơ học. 6 1.3.2. Các nghiên cứu trong nƣớc Trịnh Thị Hải Yến đã trình bày cơ sở lý luận của việc sử dụng PPMH trong dạy học vật lí ở trường THPT. Nghiên cứu này đã đi sâu phân tích, làm rõ khái niệm, chức năng, tính chất, phân loại mô hình, PPMH trong dạy học vật lí. Tác giả cũng chỉ ra PPMH có thể được áp dụng ở năm mức độ và đề xuất quy trình bốn giai đoạn của PPMH ứng với hai loại mô hình quan trọng có tác dụng lớn trong nghiên cứu và học tập vật lí là mô hình biểu tượng và mô hình đồ thị. Trong đề tài này, chúng tôi sẽ tiến hành: 1. Nghiên cứu, làm rõ khái niệm TDVL, các biểu hiện của TDVL của HS, đề xuất cách đánh giá TDVL của HS THPT và xây dựng bộ công cụ để đánh giá định lượng TDVL của HS THPT, 2. nghiên cứu về PPMH trong dạy học vật lí và vai trò, khả năng của PPMH trong việc phát triển TDVL của HS ở trường THPT, 3. nghiên cứu những khó khăn có thể gặp khi sử dụng PPMH trong dạy học và tìm cách khắc phục các khó khăn đó với sự hỗ trợ của MVT, 4. xây dựng các biện pháp và quy trình phát triển TDVL cho HS trong dạy học vật lí thông qua PPMH với sự hỗ trợ của MVT, 5. áp dụng quy trình để xây dựng các bản thiết kế bài dạy học thuộc phần cơ học vật lí lớp 10 THPT nhằm phát triển TDVL cho HS, 6. tổ chức TNSP để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của đề tài. ----------  --------- 7 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA VIỆC PHÁT TRIỂN TƢ DUY VẬT LÍ CHO HỌC SINH THÔNG QUA VIỆC SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA MÁY VI TÍNH 2.1. Tƣ duy vật lí 2.1.1. Khái niệm TDVL là các hành động trí tuệ khi nghiên cứu vật lí bao gồm việc quan sát có chủ đích các hiện tượng vật lí, phân tích một hiện tượng vật lí phức tạp thành những bộ phận đơn giản và xác lập giữa chúng có những mối quan hệ và những sự phụ thuộc xác định, tìm ra mối quan hệ định tính và định lượng của các hiện tượng và đại lượng vật lí, dự đoán các hệ quả mới từ các thuyết vật lí và vận dụng những kiến thức vật lí khái quát thu được vào thực tiễn. 2.1.2. Các hoạt động TDVL Các hoạt động TDVL được tiến hành nhờ sử dụng các thao tác tư duy cơ bản là: Phân tích, tổng hợp, so sánh, khái quát hóa, trừu tượng hóa; các thao tác này được sử dụng và kết hợp phù hợp với đặc thù của môn vật lí tạo thành các hoạt động TDVL bao gồm: xây dựng giả thuyết, thiết kế phương án thí nghiệm, mô hình hóa và làm việc với mô hình.  Xây dựng giả thuyết là hoạt động TDVL, trong đó phối hợp các thao tác tư duy cơ bản để đưa ra một phán đoán có thể dùng để giải thích nguyên nhân của các hiện tượng xảy ra đối với đối tượng nghiên cứu mà ta chưa có đủ cơ sở khoa học để giải thích.  Thiết kế phương án thí nghiệm là hoạt động TDVL, trong đó phối hợp các thao tác tư duy cơ bản hình dung ra phương án có thể tiến hành thí nghiệm nhằm khẳng định hoặc bác bỏ một nhận định nào đó.  Mô hình hóa là hoạt động TDVL, phối hợp các thao tác tư duy để xây dựng một đối tượng thay thế cho đối tượng nghiên cứu có đầy đủ các tính chất và các mối quan hệ với các đối tượng cần thiết xung quanh.  Làm việc với mô hình là hoạt động TDVL sử dụng các thao tác tư duy cơ bản để thực hiện các suy luận, phân tích, tính toán, phán đoán,… trên các mô hình để rút ra các kết luận khoa học. 2.1.3. Các biểu hiện cơ bản của TDVL Các biểu hiện cơ bản của TDVL bao gồm: (1) nhận biết các định luật vật lí chi phối hiện tượng quan sát; (2) phân tích được sự chi 8 phối của các định luật vật lí đến hiện tượng quan sát; (3) xác lập được mối quan hệ định lượng giữa các đại lượng vật lí dùng để đo lường những thuộc tính bản chất của sự vật hiện tượng; (4) mô hình hóa các sự vật hiện tượng; (5) xây dựng các giả thuyết từ các sự vật hiện tượng; (6) dự đoán các hệ quả từ các giả thuyết khoa học; (7) thiết kế phương án thí nghiệm để kiểm tra một nhận định và (9) áp dụng những kiến thức khái quát thu được vào thực tiễn. 2.1.4. Đánh giá mức độ TDVL Mức độ TDVL của HS được đánh giá thông qua ba tiêu chuẩn với 10 tiêu chí cụ thể. Căn cứ vào mức độ phức tạp của việc phối hợp các thao tác TDVL mà mỗi tiêu chí được đánh giá thông qua ba mức độ . Tiêu chuẩn Tiêu chuẩn 1: Thực hiện các hành động nghiên cứu vật lí Tiêu chí Mức độ Tiêu chí 1: Biết cách sử dụng các dụng cụ thí nghiệm cơ bản dùng trong nghiên cứu vật lí Tiêu chí 2: Mô hình hóa được sự vật, hiện tượng dưới dạng các mô hình lý thuyết (1): Biết cách sử dụng các dụng cụ đo lường cơ bản (2): Biết cách sử dụng các dụng cụ thí nghiệm cơ bản (3): Biết cách sử dụng các dụng cụ đơn giản để thiết kế các phương án thí nghiệm khả thi (1): Nhận biết sự phù hợp của một mô hình đối với đối tượng nghiên cứu. (2): Chỉ ra được đặc điểm không phù hợp giữa mô hình cho sẵn và đối tượng nghiên cứu. (3): Mô hình hóa được đối tượng nghiên cứu dưới dạng mô hình đồ thị hoặc mô hình toán học. (1): Nhận ra được giả thuyết hợp lí trong các giải thuyết đã cho về một sự vật hiện tượng nào đó. (2): Chỉ ra được chỗ bất hợp lí của một giả thuyết. (3): Xây dựng được giả thuyết phù hợp. (1): Nhận biết hệ quả hợp lí của giả thuyết trong các hệ quả cho trước. (2): Chỉ ra những điểm bất hợp lí trong một hệ quả đã cho (3):Phát biểu hệ quả hợp lí cho một giả thuyết (1): Hiểu đúng các khái niệm và thuật ngữ vật lí Tiêu chí 3: Xây dựng được các giả thuyết từ các sự vật hiện tượng Tiêu chí 4: Suy ra được các hệ quả từ các giả thuyết Tiêu chuẩn Tiêu chí 5: Sử dụng chính xác 9 2: Hiểu và sử dụng ngôn ngữ vật lí Tiêu chuẩn 3: Ứng dụng các kiến thức vật lí trong các tình huống mới các khái niệm, thuật ngữ vật lí Tiêu chí 6: Diễn đạt thành lời các công thức vật lí và diễn đạt được mối quan hệ nhân quả trong các công thức đó Tiêu chí 7: Phân tích được sự chi phối của các định luật vật lí đến hiện tượng đang quan sát Tiêu chí 8: Tiên đoán được kết quả của các thí nghiệm dựa trên các thuyết, định luật vật lí đã biết Tiêu chí 9: Áp dụng được các công thức vật lí trong các tình huống cụ thể Tiêu chí 10: Nhận biết những sai lầm trong lập luận khi sử dụng các định luật vật lí không hợp lý (2): Phát hiện được các trường hợp sử dụng sai thuật ngữ, khái niệm vật lí (2): Sử dụng chính xác các thuật ngữ, khái niệm vật lí (1): Diễn đạt được mối quan hệ định tính giữa các đại lượng vật lí (2): Diễn đạt được mối quan hệ định lượng giữa các đại lượng vật lí trong công thức vật lí (3): Diễn đạt được mối quan hệ nhân quả giữa các đại lượng vật lí trong mỗi công thức vật lí (1): Nhận biết được các định luật chi phối hiện tượng đang khảo sát (2): Chỉ ra được các biểu hiện cụ thể của các khái niệm, định luật vật lí trong thực tế (3): Phân tích được sự chi phối của các định luật vật lí đến hiện tượng đang khảo sát (1): Tiên đoán được sự phụ thuộc của các đại lượng vật lý mô tả thuộc tính bản chất của sự vật hiện tượng vào các yếu tố tác động (2): Tiên đoán được kết quả của các thí nghiệm chỉ chịu sự chi phối của một định luật hay thuyết vật lí đang xét (3): Tiên đoán được kết quả của các thí nghiệm mới chịu sự chi phối của nhiều định luật hay thuyết vật lí (1): Áp dụng đúng công thức vật lý trong các tình huống cụ thể (2): Nhận biết được giới hạn áp dụng của các định luật, công thức vật lí (3): Nhận biết được tính hợp lý hoặc bất hợp lý của các kết quả tính toán được (1): Nhận biết những sai lầm trong việc áp dụng công thức vật lí (2): Nhận biết những sai lầm khi áp dụng sai giới hạn của các định luật vật lí (3): Nhận biết điểm không logic trong suy luận từ việc áp dụng các định luật vật lí đến kết quả 10 2.2. Phƣơng pháp mô hình 2.2.1. Các mức độ sử dụng PPMH trong dạy học vật lí Căn cứ vào khả năng tham gia của HS vào các giai đoạn của PPMH, có thể sử dụng PPMH trong dạy học ở bốn mức độ  Mức độ 1: HS làm quen với PPMH: GV giới thiệu trình tự các bước của PPMH mà các nhà khoa học đã sử dụng để nghiên cứu các kiến thức. HS hình dung được cách các nhà khoa học tiến hành để xây dựng một kiến thức mới. HS hiểu như thế nào là PPMH và các giai đoạn cần thực hiện khi sử dụng PPMH vào nghiên cứu khoa học.  Mức độ 2: HS tham gia vào một số giai đoạn của PPMH: GV có thể tổ chức cho HS tham gia vào một số giai đoạn của PPMH. Các giai đoạn quan trọng nhất mà GV cần tập dượt cho HS cách làm việc với PPMH là giai đoạn xây dựng mô hình hoặc giai đoạn làm việc với mô hình để suy ra hệ quả lý thuyết.  Mức độ 3: HS tham gia vào tất cả các giai đoạn của PPMH dưới sự hướng dẫn của GV: HS tham gia vào tất cả các giai đoạn của PPMH dưới sự hướng dẫn của GV. Khi đó, HS nắm vững tính năng của mô hình và biết cách sử dụng mô hình để giải quyết nhiệm vụ nhận thức.  Mức độ 4: HS tự lực thực hiện các giai đoạn của PPMH: Khi HS đã quen thuộc với PPMH GV có thể lựa chọn những kiến thức phù hợp để cho HS tự lực thực hiện các giai đoạn của PPMH để giải quyết nhiệm vụ học tập. 2.2.2. Sự hỗ trợ của MVT đối với PPMH MVT có thể hỗ trợ cho tất cả các giai đoạn của PPMH, ở giai đoạn nghiên cứu tính chất của đối tượng gốc và giai đoạn xác nhận mô hình, nếu không thể tiến hành các thí nghiệm thực trong lớp học ta có thể dùng MVT để trình chiếu các đoạn phim quay lại cách tiến hành thí nghiệm và kết quả của nó hoặc chiếu các đoạn phim quay lại các sự vật hiện tượng phù hợp để HS quan sát. Trong giai đoạn xây dựng mô hình, MVT có thể dùng để mô phỏng các mô hình nhằm trực quan hóa chúng, điều này giúp HS nhận thấy các sai sót trong mô hình để điều chỉnh và giúp HS dễ dàng thực hiện các thí nghiệm tưởng tượng trong giai đoạn làm việc với mô hình. Ở giai đoạn làm việc với mô hình, MVT có thể giúp chúng ta xây dựng các mô hình ảo và thực hiện các thí nghiệm ảo trên đó. Việc làm này giúp cho HS quan sát trực quan mô hình và có các tác động cụ thể lên mô hình để xem các kết quả tương ứng, đồng thời nó cũng giúp GV có thể hỗ trợ và điều chỉnh các hoạt động của HS nếu cần. 11 2.2.3. Các biện pháp phát triển TDVL cho HS thông qua việc sử dụng PPMH với sự hỗ trợ của MVT  Tạo điều kiện cho HS tham gia tích cực vào các giai đoạn của PPMH: PPMH là một phương pháp đặc thù trong nghiên cứu vật lí, hầu hết các thao tác TDVL được phát triển khi sử dụng phương pháp này. Do đó, biện pháp tốt nhất để phát triển TDVL cho HS là tạo điều kiện để HS tham gia tích cực vào các giai đoạn của PPMH trong dạy học. Khi tham gia các hoạt động mà GV tổ chức theo PPMH, HS sẽ hình thành và phát triển TDVL. Các thao tác TDVL có thể phát triển được nhờ biện pháp này là: so sánh, phân tích, tổng hợp, khái quát hóa và trừu tượng hóa. GV cũng cần phải chú ý đến khả năng TDVL của HS để thiết kế các hoạt động phù hợp. Trong giai đoạn đầu, GV không nên yêu cầu HS tự lực tham gia tất cả các giai đoạn của PPMH, cần cho HS từng bước làm quen với phương pháp này. Sau đó có thể cho HS tham gia với các hướng dẫn, gợi ý cụ thể.  Tăng cƣờng cho HS áp dụng mô hình trong các tình huống mới: Trong dạy học với PPMH, GV không nên chỉ dừng lại ở giai đoạn xác nhận mô hình. Đối với HS, việc áp dụng được mô hình trong các tình huống mới đôi khi còn quan trọng hơn việc xây dựng và xác nhận được mô hình. Sau khi mô hình được xác nhận GV có thể đưa ra các nhiệm vụ học tập trong đó HS có thể áp dụng các mô hình vừa xác nhận để giải quyết nhiệm vụ. Hoạt động này vừa có tác dụng củng cố kiến thức vừa có tác dụng phát triển TDVL cho HS. Nếu có thể, GV nên tổ chức cho HS áp dụng mô hình vừa xác nhận vào trong các tình huống thật trong cuộc sống. Ở giai đoạn này, GV có thể cho HS áp dụng mô hình ở hai mức độ. (1), mức độ cơ bản: chỉ cần áp dụng các mô hình đã được xác nhận vào trong một tình huống mới để tìm ra kết quả hoặc giải thích một hiện tượng vật lí nào đó. (2), mức độ cao: HS vận dụng cả PPMH trong một tình huống mới để tìm ra kết quả, nghĩa là HS phải thực hiện tất cả các giai đoạn của PPMH từ việc nghiên cứu đối tượng gốc, xây dựng mô hình đến làm việc với mô hình để suy ra kết quả.  Tạo điều kiện cho HS sử dụng MVT để xây dựng mô hình hoặc thiết kế các thí nghiệm mô phỏng: Nhờ vào MVT, ngày nay con người có thể làm được rất nhiều điều tưởng như không thể. Đối với dạy học vật lí, MVT cũng càng ngày càng tỏ ra hữu dụng hơn. Ngoài chức năng trình diễn các hình ảnh, các đoạn phim cho HS 12 quan sát, MVT còn có thể giúp chúng ta mô phỏng các mô hình, tiến hành các thí nghiệm ảo, thí nghiệm mô phỏng trên đó. Nếu HS biết cách sử dụng MVT để mô phỏng các mô hình mà mình xây dựng và tiến hành các thí nghiệm trên các mô hình đó thì các em sẽ tiến bộ vượt bậc trong TDVL. 2.3. Quy trình phát triển TDVL cho HS thông qua PPMH với sự hỗ trợ của MVT 1. Lựa chọn kiến thức 2. Xác định mức độ sử dụng PPMH 4. Xác định các thao tác TDVL cần phát triển cho HS trong từng giai đoạn của PPMH 5. Thiết kế bài dạy học Nghiên cứu đối tượng gốc Xây dựng mô hình Làm việc trên mô hình 6. Tổ chức HĐNT TN kiểm tra đúng 7. Đánh giá Xác nhận mô hình sai 13 2.4. Thực trạng về TDVL của HS và việc sử dụng PPMH với sự hỗ trợ của MVT ở trƣờng THPT hiện nay Kết quả khảo sát về TDVL của HS THPT ở địa bàn tỉnh Quảng Ngãi và Thành phố Huế cho thấy TDVL của HS còn tương đối thấp, các biểu hiện của TDVL của HS phát triển chưa đồng đều. Đa số các mặt trong TDVL của HS còn phát triển chậm, đặc biệt một số mặt trong TDVL của HS là khá thấp so với các mặt khác. Hầu như GV không sử dụng PPMH trong dạy học vật lí ở trường THPT hoặc nếu có sử dụng thì hiệu quả chưa cao. Cả GV và HS đều cho rằng MVT là một phương tiện dạy học quan trọng. Tuy nhiên, hiện nay GV chưa sử dụng MVT thường xuyên trong dạy học và chỉ sử dụng MVT để trình chiếu mà thôi. ----------  --------- 14 Chƣơng 3: TIẾN TRÌNH DẠY HỌC PHẦN CƠ HỌC VẬT LÍ LỚP 10 THPT THEO HƢỚNG PHÁT TRIỂN TƢ DUY VẬT LÍ CHO HỌC SINH THÔNG QUA VIỆC SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP MÔ HÌNH VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA MÁY VI TÍNH 3.1. Đặc điểm phần “Cơ học” chƣơng trình vật lí lớp 10 THPT Một số nội dung của phần cơ học lớp 10 đã được nghiên cứu trong chương trình vật lí ở THCS và đa phần là rất gần gũi với cuộc sống hàng ngày. Do đó GV nên khai thác những hiểu biết vốn có của HS trong quá trình dạy học. Trong phần cơ học có nhiều khái niệm được xây dựng như các mô hình biểu tượng như vận tốc, gia tốc, độ dời, các loại chuyển động, các loại lực… đây là một thuận lợi cho GV khi áp dụng PPMH trong dạy học vật lí. Trong phần cơ học, các kiến thức được xây dựng theo con đường thực nghiệm. Khi sử dụng PPMH, sau khi các mô hình được xây dựng và sử dụng, GV cần tổ chức cho HS xác nhận mô hình. Ngoài ra, phần cơ học có khá nhiều kiến thức liên quan đến các mô hình toán học và mô hình đồ thị. Đây là một điều thuận lợi cho GV khi áp dụng PPMH vào dạy học. 3.2. Xây dựng công cụ đo mức độ TDVL của HS lớp 10 3.2.1. Nguyên tắc xây dựng bộ công cụ  Bộ công cụ đo mức độ TDVL của HS phải có tính toàn diện nghĩa là phải đánh giá được tất cả các biểu hiện của TDVL của HS theo các tiêu chuẩn và các tiêu chí đã đề xuất.  Bộ công cụ đo mức độ TDVL của HS phải có tính định lượng.. Điều này giúp cho người nghiên cứu dễ dàng phân tích kết quả thu được từ việc đánh giá, đồng thời người nghiên cứu cũng dễ dàng so sánh kết quả đánh giá của các HS khác nhau hoặc của cùng một HS ở vào các thời điểm khác nhau.  Bộ công cụ đo mức độ TDVL của HS phải có tính khách quan, nghĩa là không phụ thuộc vào người sử dụng.  Bộ công cụ đo mức độ TDVL của HS phải có tính phù hợp với trình độ của HS. Các câu hỏi phải có nội dung nằm trong phạm vi kiến thức mà HS đã được học, các yêu cầu về thực hành phải nằm trong phạm vi quen thuộc đối với HS, các dụng cụ thí nghiệm được sử dụng phải là những dụng cụ học sinh đã từng sử dụng hoặc được tiếp xúc trong chương trình học trước đó.  Bộ công cụ đo mức độ TDVL của HS phải có độ giá trị, độ tin cậy và độ khó nằm trong giới hạn phù hợp. 15 3.2.2. Một số câu hỏi đánh giá mức độ TDVL của HS Câu 1: Thể tích của cột chất lỏng trong hình bên là: a. 6.6ml b. 6.9 ml c. 7.0ml d. 7.2 ml Mục tiêu: đánh giá kĩ năng đọc kết quả đo thể tích chất lỏng của HS. Đo thể tích chất lỏng là một kĩ năng thực hành mà HS phải có được từ cấp THCS. Câu hỏi này ở mức độ 1, mức độ đơn giản nhất của tiêu chí 1. Câu 2: Để mô tả chuyển động của dòng xe cộ trong thành phố lúc tan tầm ta có thể xem mỗi phương tiện là a. một điểm chuyển động hỗn loạn. b. một điểm chuyển động thành dòng liên tục. c. một điểm chuyển động thành dòng gián đoạn. d. một quả cầu chuyển động thành dòng gián đoạn Mục tiêu của các câu hỏi 2: Đo mức độ 1 của tiêu chí 2, đánh giá kỹ năng nhận biết mô hình nào thích hợp nhất đối với một đối tượng gốc. Câu 3: Khi cho một vật nhiễm điện dương tiếp xúc với một vật chưa nhiễm điện, vật chưa nhiễm điện sẽ trở thành nhiễm điện dương. Giả sử các nhận định sau đây là đúng, nhận định nào không giúp chúng ta giải thích được hiện tượng trên? a. “Chất điện” từ vật nhiễm điện truyền qua vật chưa nhiễm điện. b. Các “hạt mang điện” từ vật nhiễm điện truyền qua vật chưa nhiễm điện. c. Các electron từ vật chưa nhiễm điện truyền qua vật nhiễm điện dương. d. Sự nhiễm điện là do sự thừa hay thiếu electron gây ra. Mục tiêu của các câu hỏi 3 là đo mức độ 2 của tiêu chí 3, đánh giá kĩ năng nhận biết điểm bất hợp lí của một giả thuyết dùng để giải thích một sự vật hiện tượng. Câu 4: Trong các hệ quả sau đây, hệ quả nào không thể được rút ra từ nhận định “Lực ma sát trượt phụ thuộc vào mặt tiếp xúc”? a. Diện tích mặt tiếp xúc thay đổi thì độ lớn của lực ma sát trượt sẽ thay đổi. b. Thay đổi bản chất của mặt tiếp xúc thì độ lớn của lực ma sát trượt thay đổi. 16 c. Tăng khối lượng của vật thì lực ma sát tăng. d. Mặt tiếp xúc càng nhám thì lực ma sát trượt càng tăng. Mục tiêu của câu hỏi 4 là đo mức độ 2 của tiêu chí 4, đánh giá kỹ năng nhận biết điểm bất hợp lí của một hệ quả đối với một giả thuyết. 3.2.3. Đánh giá bộ công cụ Sau khi xây dựng, bộ công cụ được thử nghiệm 3 vòng. Kết quả làm bài của HS được xử lý bằng phần mềm SPSS 16.0 và phần mềm Quest để đánh giá bộ câu hỏi, những câu hỏi không phù hợp với mô hình Rasch về sự phù hợp giữa câu hỏi và TDVL của HS được thay bằng các câu hỏi khác hoặc loại bỏ. Qua hai vòng thử nghiệm, bộ câu hỏi được tinh chỉnh lại còn 60 câu hỏi trắc nghiệm khách quan 4 lựa chọn có thể đáp ứng được tất cả các tiêu chí đánh giá TDVL của HS. Kết quả đánh giá sau khi thử nghiệm vòng 3 cho thấy, số liệu thực nghiệm có giá trị Infit Mean Square bằng 1,0 và giá trị kỳ vọng t bằng - 0,08 chứng tỏ số liệu nghiên cứu phù hợp với mô hình Rasch. Công cụ dùng để đánh giá mức độ TDVL của HS lớp 10 có độ tin cậy cao, có thể áp dụng để đánh giá mức độ TDVL của HS. Kết quả phân tích không chỉ cho thấy sự phù hợp của phiếu hỏi mà còn đánh giá được sự phù hợp của từng câu hỏi được thiết kế với vấn đề nghiên cứu. Và tất cả các câu hỏi trong phiếu hỏi đều có giá trị trung bình bình phương độ phù hợp INFIT MNSQ nằm trong khoảng 0,91 đến 1,1 nghĩa là đều phù hợp với vấn đề nghiên cứu. Độ khó của các câu hỏi trong phiếu hỏi nằm trong giới hạn từ 0.3 đến 0.7, điều này cho thấy bộ câu hỏi có độ khó phù hợp và hoàn toàn có thể dùng để đánh giá mức độ TDVL của HS. 3.3. Phát triển TDVL cho HS thông qua việc sử dụng PPMH với sự hỗ trợ của MVT khi dạy học một số kiến thức phần cơ học Vật lí lớp 10 THPT Việc phát triển TDVL cho HS được tiến hành theo quy trình ở mục 2.3. Ở đây, chúng tôi trình bày tóm tắt một ví dụ áp dụng quy trình trên để phát triển TDVL cho HS khi dạy học bài “Hệ quy chiếu chuyển động có gia tốc - lực quán tính”. Các bước lựa chọn kiến thức, mức độ sử dụng PPMH, xác định khả năng hỗ trợ của MVT và các thao tác TDVL cần rèn luyện cho HS, thiết kế bài dạy học đã được trình bày cụ thể trong phần chính văn của luận án. Ở đây tập trung vào bước quan trọng nhất của quy trình là tổ chức hoạt động nhận thức cho HS. 17 Giai đoạn 1: Nghiên cứu đối tượng gốc. GV cho HS xem một đoạn phim về một ô tô đang chuyển động thẳng đều, người ngồi trên xe đang ở trạng thái đứng yên. GV dừng phim và hỏi: Nếu ô tô được phanh gấp thì hiện tượng gì sẽ xảy ra? Sau khi HS trả lời, GV cho HS xem tiếp đoạn phim thấy người bị ngã về phía trước. Sau đó, GV cho HS quan sát thí nghiệm: đặt viên bi trên xe lăn, cho xe lăn chuyển động thẳng đều, yêu cầu HS nhận xét trạng thái chuyển động của bi. Tiếp tục cho HS dự đoán hiện tượng xảy ra khi xe lăn chuyển động nhanh dần đều. Sau khi HS dự đoán, GV biểu diễn thí nghiệm cho HS quan sát. Giáo viên giới thiệu khái niệm hệ quy chiếu quán tính và hệ quy chiếu phi quán tính và yêu cầu HS nhận xét sự khác nhau về trạng thái chuyển động của các vật trong hai loại hệ quy chiếu này. Giai đoạn 2: Xây dựng mô hình. Ở giai đoạn này, GV có thể hướng dẫn HS xây dựng mô hình lực quán tính. Nội dung của mô hình này như sau: “Chuyển động của một vật ở trong hệ quy chiếu phi quán sẽ tương tự với chuyển động như khi nó ở trong hệ quy chiếu quán tính nhưng chịu thêm tác dụng một lực mới. Lực này được gọi là lực quán tính”. GV đặt câu hỏi cho HS: nguyên nhân nào làm cho vật chuyển động có gia tốc? Sau đó yêu cầu HS xây dựng mô hình để giải thích hiện tượng vật m chuyển động có gia tốc khi xe lăn tăng tốc. GV có thể gợi ý bằng mô hình có một lực xuất hiện tác dụng lên vật khi xe lăn chuyển động và yêu cầu HS nhận xét và hoàn chỉnh mô hình đó. HS có thể chỉ ra được nếu xe lăn chuyển động thẳng đều thì hoàn toàn không xuất hiện lực tác dụng làm vật m chuyển động. Vậy mô hình này chưa phù hợp, HS có thể hoàn thiện và phát biểu mô hình. Giai đoạn 3: Làm việc với mô hình lực quán tính, suy ra đặc điểm của nó. Yêu cầu HS làm thí nghiệm tưởng tượng: vật m có thể chuyển động không ma sát trên xe lăn M, cho M chuyển động với gia tốc aM, xác định phương, chiều và độ lớn của gia tốc của m trong hệ quy chiếu gắn với mặt đất và hệ quy chiếu gắn với M. HS chỉ ra được gia tốc của m trong hệ quy chiếu gắn với M. Từ đó có kết luận về phương chiều của lực quán tính. GV có thể gợi ý để HS tìm ra độ lớn am của vật m trong hệ quy chiếu gắn với M để xác định độ lớn của lực quán tính. 18 Giai đoạn 4: Xác nhận mô hình. GV có thể yêu cầu HS thiết kế thí nghiệm khả thi để xác nhận mô hình. Hoặc GV có thể đề xuất một phương án thí nghiệm như hình vẽ. Điều chỉnh khối lượng của các quả nặng để hệ thống đứng yên, đọc số chỉ của lực kế; sau đó điều chỉnh khối lượng của các quả nặng để hệ thống chuyển động có gia tốc, đọc số chỉ của lực kế và xác định độ lớn của lực quán tính. Nếu chuyển động của các vật là quá nhanh không đủ thời gian để quan sát, GV có thể quay phim thí nghiệm này để chiếu cho HS xem và dừng lại ở những thời điểm cần thiết để HS có thể đọc số chỉ của lực kế. Kết quả thí nghiệm cho phép xác nhận lực quán tính cùng phương, ngược chiều với gia tốc của hệ quy chiếu và có độ lớn F=ma. ----------  --------- 19 Chƣơng 4: THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM 4.1. Thực nghiệm sƣ phạm vòng 1 4.1.1. Mục đích Đánh giá tính hợp lí của các biện pháp phát triển TDVL; đánh giá mức độ hợp lí của quy trình phát triển TDVL; đánh giá mức độ hợp lí của việc áp dụng quy trình phát triển TDVL khi dạy học một số kiến thức thuộc phần cơ học Vật lí lớp 10 THPT và rút kinh nghiệm, hoàn thành việc chuẩn bị để tiến hành TN vòng hai một cách thành công. 4.1.2.Kết quả thực nghiệm sƣ phạm Nhìn chung, quá trình TN sư phạm vòng 1 diễn ra suôn sẽ, các giờ học thuận lợi, không có tình huống bất lợi xảy ra. Thái độ hợp tác giữa GV và HS rất tốt, giờ học sôi nổi, HS hứng thú và tích cực tham gia vào các hoạt động được thiết kế. Giáo viên đánh giá cao quy trình tổ chức hoạt động nhận thức cho HS được xây dựng. Các biện pháp đã xây dựng tỏ ra có hiệu quả trong việc rèn luyện các thao tác TDVL cho HS. Việc áp dụng các biện pháp nêu trên cũng giúp cho việc hình thành các kiến thức sinh động hơn, HS có thái độ hợp tác tích cực và khá hứng thú trong giờ học. Các bước của quy trình phát triển TDVL cho HS phù hợp với quá trình nhận thức của HS và logic hình thành kiến thức của bài học. Theo đánh giá của GV, các biện pháp phát triển TDVL và quy trình nêu trên là đơn giản, dễ thực hiện và có thể áp dụng tốt trong điều kiện dạy học ở trường phổ thông hiện nay. Hình thức và nội dung của các bài dạy học được thiết kế theo quy trình phù hợp với quy trình và thuận lợi cho việc tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong giờ học. Việc áp dụng các bản thiết kế bài dạy học vào điều kiện thực tế và cơ sở vật chất của các trường THPT hiện nay là khả thi và có thể triển khai ở tất cả các lớp học. Sau một thời gian sử dụng PPMH với sự hỗ trợ của MVT theo quy trình đã đề xuất, TDVL của HS có sự phát triển. HS tham gia tích cực hơn vào các hoạt động nhận thức được GV tổ chức. Các câu hỏi đòi hỏi phải thực hiện các thao tác TDVL mới có thể trả lời được đã được HS trả lời một cách nhanh chóng và chính xác, chứng tỏ HS đã có thể thực hiện thành thạo các thao tác TDVL và biết cách tư duy để có thể giải quyết nhiệm vụ học tập. 4.2. Thực nghiệm sƣ phạm vòng 2 4.2.1. Mục đích Mục đích của TN là kiểm nghiệm giả thuyết khoa học của đề tài, cụ thể là: Nếu xây dựng được các biện pháp phát triển TDVL cho