Tài liệu Thiết kế, chế tạo và sử dụng tbtn ghi tọa độ thời gian của các loại con lắc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI NGUYỄN TIẾN LỘC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM GHI TỌA ĐỘ - THỜI GIAN TRONG DẠY HỌC CÁC LOẠI CON LẮC (VẬT LÍ 12) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC HÀ NỘI, NĂM 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI NGUYỄN TIẾN LỘC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM GHI TỌA ĐỘ - THỜI GIAN TRONG DẠY HỌC CÁC LOẠI CON LẮC (VẬT LÍ 12) Chuyên ngành: Mã số: Lí luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật lí 60.14.01.11 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ANH THUẤN HÀ NỘI, NĂM 2016 LỜI CẢM ƠN Để thể hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình về mọi mặt từ các thầy cô, gia đình và bạn bè. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Sau Đại học, Ban Chủ nhiệm Khoa Vật lí và Bộ môn Phương pháp dạy học Vật lí trường Đại học Sư phạm Hà Nội. Đặc biệt tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn tới thầy Nguyễn Anh Thuấn, đã giành nhiều thời gian dìu dắt, trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Văn hóa cơ bản trường Đại học Văn hóa - Nghệ thuật Quân đội cùng tập thể lớp 12D đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực nghiệm sư phạm. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với gia đình, bạn bè và các bạn học viên K24 đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn. Tác giả Nguyễn Tiến Lộc MỤC LỤC BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT..............................................................................................1 MỞ ĐẦU...............................................................................................................................2 1. Lí do chọn đề tài ......................................................................................................................................... 2 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài ...................................................................................................... 3 3. Giả thuyết khoa học của đề tài ........................................................................................................ 3 4. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài ..................................................................................................... 3 5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài ........................................................................................... 4 6. Đóng góp của đề tài.................................................................................................................................. 4 7. Cấu trúc của luận văn ............................................................................................................................. 4 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA VIỆC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ ...................................................5 1.1. Dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề ............................................................................... 5 1.1.1. Khái niệm phát hiện và giải quyết vấn đề................................................................ 5 1.1.2. Các giai đoạn của tiến trình dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề.. 6 1.2. Xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học vật lí theo dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề ................................................................................................................... 10 1.2.1. Vị trí, chức năng và vai trò của thiết bị thí nghiệm ....................................... 10 1.2.2. Các yêu cầu đối với thiết bị thí nghiệm................................................................... 12 1.2.3. Quy trình xây dựng thiết bị thí nghiệm .................................................................. 14 1.2.4. Quy trình sử dụng và các yêu cầu khi sử dụng thiết bị thí nghiệm... 15 1.3. Phát triển năng lực thực nghiệm của học sinh trong dạy học vật lí ........... 19 1.3.1. Khái niệm năng lực thực nghiệm ................................................................................ 19 1.3.2. Cấu trúc năng lực thực nghiệm ..................................................................................... 20 1.3.3. Biện pháp phát triển năng lực thực nghiệm ....................................................... 26 1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................................................................. 28 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM GHI TỌA ĐỘ - THỜI GIAN TRONG DẠY HỌC CÁC LOẠI CON LẮC (VẬT LÍ 12) .... 30 2.1. Nội dung kiến thức về các loại con lắc (Vật lí 12)..................................................... 30 2.2. Thực trạng dạy học về các loại con lắc (Vật lí 12) .................................................... 33 i 2.2.1. Phương pháp dạy của giáo viên ................................................................................... 33 2.2.2. Phương pháp học của học sinh ..................................................................................... 34 2.2.3. Thực trạng thiết bị thí nghiệm ...................................................................................... 35 2.3. Mục tiêu dạy học về các loại con lắc (Vật lí 12) .......................................................... 36 2.4. Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm ghi tọa độ - thời gian trong dạy học các loại con lắc (Vật lí 12) .............................................................................................................................. 38 2.4.1. Sự cần thiết của việc thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm ....................... 38 2.4.2. Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của thiết bị thí nghiệm .............................. 38 2.4.3. Các thí nghiệm có thể tiến hành với thiết bị thí nghiệm ........................... 40 2.5. Soạn thảo tiến trình dạy học kiến thức về các loại con lắc (Vật lí 12) ...... 46 2.5.1. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức ......................................................................... 47 2.5.2. Ý tưởng sư phạm khi soạn thảo.................................................................................... 48 2.5.3. Tiến trình dạy học cụ thể ................................................................................................... 49 2.6. Xây dựng công cụ đánh giá năng lực thực nghiệm của học sinh ................... 56 2.7. Kết luận chương 2 ............................................................................................................................. 65 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM ................................................................... 66 3.1. Mục đích của thực nghiệm sư phạm ................................................................................... 66 3.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm ............................................................................................. 66 3.3. Đối tượng thực nghiệm sư phạm........................................................................................... 66 3.4. Phương pháp thực nghiệm sư phạm .................................................................................. 66 3.5. Thời gian thực nghiệm sư phạm ............................................................................................ 67 3.6. Kế hoạch thực nghiệm sư phạm ............................................................................................. 67 3.7. Kết quả thực nghiệm sư phạm................................................................................................. 67 3.7.1. Phân tích diễn biến của quá trình thực nghiệm sư phạm ........................ 67 3.7.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm về mặt định lượng ................ 70 3.8. Kết luận chương 3 ............................................................................................................................. 74 KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 76 PHỤ LỤC ........................................................................................................................... 78 ii MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Sơ đồ khái quát tiến trình xây dựng kiến thức theo kiểu dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề..................................................................................................................................6 Hình 1.2. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường lí thuyết của kiểu dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề .................................................................................................8 Hình 1.3. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường thực nghiệm của kiểu dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề .....................................................................................9 Hình 2.1. Đồ thị li độ của vật dao động điều hòa ........................................................................30 Hình 2.2. Hình vẽ mô tả mối liên hệ giữa li độ của dao động điều hòa và chuyển động tròn đều .........................................................................................................................................................31 Hình 2.3. Cấu tạo của con lắc lò xo.........................................................................................................31 Hình 2.4. Cấu tạo của con lắc đơn...........................................................................................................32 Hình 2.5. Cấu tạo của con lắc vật lí ........................................................................................................33 Hình 2.6. Thiết bị thí nghiệm con lắc đơn ........................................................................................35 Hình 2.7. Thiết bị thí nghiệm nghiên cứu dao động các loại con lắc ...........................36 Hình 2.8. Các bộ phận của thiết bị thí nghiệm ghi tọa độ - thời gian của các loại con lắc...........................................................................................................................................................................39 Hình 2.9. Bố trí thí nghiệm ghi tọa độ - thời gian của con lắc lò xo .............................41 Hình 2.10. Kết quả đồ thị li độ của con lắc lò xo..........................................................................42 Hình 2.11. Kết quả khớp hàm ....................................................................................................................42 Hình 2.12. Bố trí thí nghiệm ghi tọa độ - thời gian của con lắc đơn ............................43 Hình 2.13. Đồ thị tọa độ - thời gian dao động của con lắc đơn........................................44 Hình 2.14. Bố trí thí nghiệm ghi lại đồ thị dao động của con lắc vật lí ......................45 Hình 2.15. Đồ thị tọa độ - thời gian dao động của con lắc vật lí......................................46 Hình 2.16. Phiếu học tập cá nhân ...........................................................................................................62 Hình 2.17. Phiếu lập kế hoạch nhóm ...................................................................................................63 Hình 2.18. Phiếu báo cáo kết quả thí nghiệm................................................................................64 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1. Chỉ số hành vi và tiêu chí chất lượng của thành tố xác định vấn đề cần nghiên cứu và đưa ra các dự đoán, giả thuyết..............................................................................21 Bảng 1.2. Chỉ số hành vi và tiêu chí chất lượng của thành tố thiết kế các phương án thí nghiệm.. .......................................................................................................................................................22 Bảng 1.3. Chỉ số hành vi và tiêu chí chất lượng của thành tố tiến hành phương án thí nghiệm đã thiết kế...............................................................................................................................24 Bảng 1.4 Chỉ số hành vi và tiêu chí chất lượng của thành tố xử lí, phân tích và trình bày kết quả, rút ra kết luận............................................................................................................25 Bảng 2.1. Bảng liệt kê các công cụ đánh giá. ..................................................................................57 iii Bảng 2.2. Rubric đánh giá chỉ số hành vi của năng lực thực nghiệm khi dạy học về con lắc lò xo.. ....................................................................................................................................................58 Bảng 2.3. Bảng kiểm đánh giá chỉ số hành vi của năng lực thực nghiệm khi dạy học về con lắc lò xo. ...........................................................................................................................................60 Bảng 3.1. Kết quả bảng kiểm. .....................................................................................................................70 Bảng 3.2. Kết quả rubric đánh giá năng lực thực nghiệm ...................................................73 iv BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT CHỮ VIẾT TẮT NỘI DUNG 1 DH Dạy học 2 DHVL Dạy học vật lí 3 GQVĐ Giải quyết vấn đề 4 GV Giáo viên 5 HS Học sinh 6 NLTN Năng lực thực nghiệm 7 PH&GQVĐ Phát hiện và giải quyết vấn đề 8 ƯDKT Ứng dụng kĩ thuật 9 TBTN Thiết bị thí nghiệm 10 THPT Trung học phổ thông 11 TN Thí nghiệm 1 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Và o những thạ p niên cuó i củ a thế kỷ XX, khoa học và công nghệ trên thế giới phát triển như vũ bão tạo ra những bước tiến nhảy vọt, đặc biẹ t trong cá c lĩnh vực điện tử - viễn thông, tin học và công nghẹ thông tin. Những thà nh tựu củ a sự phá t triẻ n này đã tác động mạnh mẽ đé n mọi mặt của đời sống xã hội trong từng quốc gia và trên phạm vi toà n cà u. Đẻ diẽ n đạ t bướ c ngoạ t trong tié n trình phá t triẻ n củ a nhân loại ngườ i ta đã nó i đé n mọ t thời đạ i tin họ c vớ i sự bù ng nỏ thông tin và công nghẹ đỏ i mới nhanh đến mức chóng mạ t. Đó chính là nè n tả ng khoa họ c – công nghẹ của quá trình toà n cầu hó a và sự phá t triẻ n củ a kinh té tri thức. Những chuyẻ n bié n hé t sức mạ nh mẽ này đã là m thay đỏ i nhiè u trié t lý , quan niệm, phương thức tổ chức và hoạt động củ a hà u hé t cá c lĩnh vực mà trướ c hé t và chủ yé u lạ i chính là giá o dục và đào tạo. Do vậy, Nghị quyết Hội nghị Trung ương VIII khóa XI về đổi mới căn bản và toàn diện nền giáo dục đã khẳng định: “Đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo là đổi mới những vấn đề lớn, cốt lõi, cấp thiết, từ quan điểm, tư tưởng chỉ đạo đến mục tiêu, nội dung, phương pháp, cơ chế, chính sách, điều kiện bảo đảm thực hiện…”[1]. Trong Nghị quyết cũng chỉ rõ: “Đổi mới chương trình nhằm phát triển năng lực và phẩm chất người học, hài hòa đức, trí, thể, mỹ; dạy người, dạy chữ và dạy nghề. Đổi mới nội dung giáo dục theo hướng tinh giản, hiện đại, thiết thực, phù hợp với lứa tuổi, trình độ và ngành nghề; tăng thực hành, vận dụng kiến thức vào thực tiễn”[1]. Điều này cũng được khẳng định trong điều 28.2 Luật giáo dục: ” Phương pháp giáo dục phổ thông phải phát huy tính tích cực, tự giác, chủ động, sáng tạo của HS; phù hợp với đặc điểm của từng lớp học, môn học; bồi dưỡng phương pháp tự học, khả năng làm việc theo nhóm; rèn luyện kỹ năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn; tác động đến tình cảm, đem lại niềm vui, hứng thú học tập cho HS”[2]. Trước những yêu cầu đó, ngành giáo dục và đào tạo đã và đang không ngừng đổi mới chương trình, nội dung SGK và phương pháp DH nhằm bồi dưỡng tư duy sáng tạo, năng lực tự học cho HS. Đối với môn vật lí, chương trình, nội dung, phương pháp DH đang được đổi mới dần dần. Danh mục các TBTN tối thiểu của môn vật lí 2 đã ban hành và cung cấp cho tất cả các trường THPT. Tuy nhiên, một số TBTN hiện nay chưa đáp ứng được hết yêu cầu kĩ thuật và yêu cầu sư phạm khiến cho việc thực hiện TN của GV và HS gặp không ít khó khăn. Dao động cơ nói chung và dao động điều hòa nói riêng đóng vai trò quan trọng trong chương trình Vật lí ở THPT, là tiền đề hình thành và phát triển các kiến thức về dao động điện và sóng điện từ sau này. Vì vậy, việc học và nắm vững các kiến thức về dao động cơ, đặc biệt là dao động điều hòa, là vô cùng quan trọng. Trong đó, các thí nghiệm dao động đóng vai trò thiết yếu để HS có thể hình dung rõ hơn về hiện tượng, hiểu sâu sắc hơn về kiến thức. Một TN đáp ứng được yêu cầu kĩ thuật và yêu cầu sư phạm sẽ giúp HS dễ dàng lĩnh hội và khắc sâu kiến thức, đồng thời tạo hứng thú, nâng cao hiệu quả học tập. Hầu hết các thiết bị phổ thông đang sử dụng hiện nay còn tồn tại một số nhược điểm như: đồ thị ghi lại tọa độ bị tắt rất nhanh, tính ổn định của thiết bị chưa cao, chỉ nghiên cứu được dao động của con lắc đơn,… Vì lí do kể trên, chúng tôi chọn “Thiết kế, chế tạo và sử dụng TBTN ghi tọa độ thời gian của các loại con lắc” làm đề tài nghiên cứu của mình. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài Thiết kế, chế tạo TBTN ghi tọa độ - thời gian đáp ứng yêu cầu của TBTN vật lí ở trường phổ thông và sử dụng chúng trong DH các loại con lắc vật lí 12 theo DH PH&GQVĐ nhằm phát triển năng lực năng lực thực nghiệm của HS. 3. Giả thuyết khoa học của đề tài Nếu thiết kế, chế tạo và sử dụng TBTN ghi tọa độ - thời gian trong DH các loại con lắc (Vật lí 12) theo DH GQVĐ thì sẽ phát triển được NLTN của HS trong học tập. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu cơ sở lí luận về xây dựng và sử dụng TBTN, DH PH&GQVĐ và NLTN. - Nghiên cứu thực tiễn DH các loại con lắc ở THPT về: Thực trạng dạy, thực trạng học và thực trạng TBTN. - Nghiên cứu thiết kế và chế tạo TBTN ghi tọa độ - thời gian trong DH các loại con lắc. 3 - Soạn thảo tiến trình DH các loại con lắc có sử dụng thiết bị ghi tọa độ - thời gian đã chế tạo. - Soạn thảo công cụ đánh giá NLTN trong DH các loại con lắc. - Thực nghiệm sư phạm tiến trình DH đã soạn thảo. 5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài - Phương pháp nghiên cứu lí thuyết - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn - Phương pháp nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm TBTN trong PTN - Phương pháp thử nghiệm sản phẩm 6. Đóng góp của đề tài - Thiết kế, chế tạo được TBTN ghi tọa độ - thời gian đáp ứng các yêu cầu của TBTN Vật lí ở trường THPT. TBTN này cho phép tiến hành được 3 TN cần tiến hành trong DH các loại con lắc (Vật lí 12). + Kiểm nghiệm qui luật dao động của con lắc lò xo (nằng ngang, thẳng đứng). + Kiểm nghiệm qui luật dao động của con lắc đơn. + Kiểm nghiệm qui luật dao động của con lắc vật lí. - Soạn thảo tiến trình DH các kiến thức về các loại con lắc (Vật lí 12) theo DH PH&GQVĐ nhằm phát triển năng lực NLTN của HS. - Soạn thảo công cụ đánh giá NLTN của HS trong học tập về các loại con lắc (Vật lí 12). 7. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn gồm 3 chương: - Chương 1: Cơ sở lí luận của việc thiết kế, chế tạo và sử dụng TBTN trong DH vật lí. - Chương 2: Thiết kế, chế tạo và sử dụng TBTN ghi tọa độ - thời gian trong dạy học các loại con lắc (Vật lí 12) - Chương 3: Thực nghiệm sư phạm. 4 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA VIỆC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG TBTN TRONG DHVL 1.1. DH PH&GQVĐ DH PH&GQVĐ là kiểu DH làm cho HS nắm kiến thức trên cơ sở tổ chức, hướng dẫn phỏng theo nghiên cứu của các nhà khoa học, không thụ động chờ GV truyền thụ kiến thức. Việc tổ chức, hướng dẫn HS tìm tòi nghiên cứu không những giúp các em nắm được kiến thức một cách bền vững và sâu sắc mà còn giúp các em có phương pháp, kĩ năng và thói quen nghiên cứu, tìm tòi, sáng tạo. 1.1.1. Khái niệm PH&GQVĐ Theo quan điểm lí luận nhận thức, hoạt động nhận thức của con người chỉ bắt đầu khi con người gặp phải mâu thuẫn giữa một bên là nhiệm vụ phải giải quyết với một bên là trình độ hiểu biết, kinh nghiệm đang có. Để giải quyết được nhiệm vụ nhận thức mới thì phải xây dựng kiến thức mới, kĩ năng mới, phương pháp mới, phương tiện mới. - Khái niệm vấn đề: Vấn đề dùng để chỉ một khó khăn, nhiệm vụ nhận thức mà HS không thể giải quyết được chỉ bằng kiến thức sẵn có, theo một khuôn mẫu có sẵn, nghĩa là không thể dùng tư duy tái hiện đơn thuần để giải quyết, mà phải tìm tòi sáng tạo để giải quyết nhằm thu nhận được kiến thức, kĩ năng, cách thức hành động mới. Vấn đề chứa đựng câu hỏi nhưng đó là câu hỏi về một cái chưa biết, câu hỏi mà câu trả lời là một cái mới phải tìm tòi sáng tạo mới xây dựng được, chứ không phải câu hỏi chỉ đơn thuần yêu cầu nhớ lại những kiến thức đã có [3], [4]. - Khái niệm tình huống có vấn đề Tình huống có vấn đề là tình huống mà khi HS tham gia thì gặp một khó khăn, HS ý thức được vấn đề, mong muốn GQVĐ đó và cảm thấy với khả năng của mình thì hi vọng có thể giải quyết được, do đó bắt tay vào việc GQVĐ đó.[5]. Tổ chức tình huống có vấn đề thực chất là tạo ra hoàn cảnh để HS tự ý thức được VĐ cần giải quyết, có nhu cầu và hứng thú GQVĐ. Trong DH vật lí, để tạo nhu cầu hứng thú, kích thích tính tò mò, ham hiểu biết của HS, GV cần đưa HS vào các tình huống có vấn đề như: tình huống phát triển; tình huống lựa chọn, tình huống bế tắc, tình huống ngạc nhiên, bất ngờ, tình huống lạ [6], [3], [4], [7]. 5 - Khái niệm DH PH&GQVĐ Theo V.Ôkôn: DH PH&GQVĐ dưới dạng chung nhất là toàn bộ các hành động như tổ chức các tình huống có vấn đề, biểu đạt (nêu ra) các VĐ (tập cho HS quen dần để tự làm lấy công việc này), chú ý giúp đỡ cho HS những điều cần thiết để GQVĐ, kiểm tra các cách giải quyết đó và cuối cùng lãnh đạo quá trình hệ thống hóa và củng cố các kiến thức đã tiếp thu được. 1.1.2. Các giai đoạn của tiến trình DH PH&GQVĐ Dựa theo tiến trình xây dựng kiến thức trong nghiên cứu khoa học, tiến trình xây dựng kiến thức theo kiểu DH PH&GQVĐ gồm 4 giai đoạn được thể hiện qua sơ đồ khái quát tiến trình xây dựng kiến thức hình 1[8]: 1. Làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết từ tình huống (điều kiện) xuất phát: từ kiến thức cũ, kinh nghiệm, TN, bài tập, truyện kể lịch sử… 2. Phát biểu vấn đề cần giải quyết (câu hỏi cần trả lời) 3. Giải quyết vấn đề - Suy đoán giải pháp GQVĐ: nhờ con đường lí thuyết hoặc con đường thực nghiệm. - Thực hiện giải pháp đã suy đoán. 4. Rút ra kết luận (Kiến thức mới) Hình 1.1. Sơ đồ khái quát tiến trình xây dựng kiến thức theo kiểu DH PH&GQVĐ Giai đoạn 1: Làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết GV giao cho HS một nhiệm vụ có tiềm ẩn VĐ. Từ cách đã biết và nhiệm vụ cần giải quyết, nảy sinh nhu cầu về cái còn chưa biết, về một cách giải quyết không có sẵn nhưng hi vọng có thể tìm tòi, xây dựng được. Giai đoạn 2: Phát biểu vấn đề cần giải quyết (câu hỏi cần trả lời) Dưới sự hướng dẫn của GV, HS phát biểu VĐ cần giải quyết (nêu câu hỏi cần trả lời, mà câu trả lời cho câu hỏi nêu ra chính là nội dung kiến thức mới cần xây dựng). Giai đoạn 3: Giải quyết vấn đề 6 + Suy đoán giải pháp GQVĐ Với sự định hướng của GV, HS trao đổi, thảo luận suy đoán giải pháp GQVĐ: lựa chọn hoặc đề xuất mô hình (kiến thức đã biết, giả thuyết) có thể vận hành được để đi tới cái cần tìm. + Thực hiện giải pháp đã suy đoán: nhờ con đường lí thuyết hoặc con đường thực nghiệm. HS vận hành mô hình (kiến thức đã biết, giả thuyết), rút ra kết luận logic về cái cần tìm, thiết kế phương án TN, tiến hành TN, thu thập và xử lí kết quả TN, rút ra kết luận về cái cần tìm. Giai đoạn 4: Rút ra kết luận Dưới sự hướng dẫn của GV, HS xem xét sự phù hợp giữa kết luận có được nhờ suy luận lí thuyết (mô hình hệ quả logic) với kết luận có được từ các dữ liệu thực nghiệm (mô hình xác nhận). Khi có sự phù hợp giữa hai kết luận này thì quy nạp chấp nhận kết quả tìm được. Kết luận đã tìm được trở thành kiến thức mới. Khi không có sự phù hợp giữa hai kết luận này thì: Xem lại quá trình thực thi TN đã đảm bảo các điều kiện của TN chưa? Nếu quá trình thực thi TN đã đảm bảo các điều kiện, xem lại quá trình vận hành mô hình xuất phát. Nếu quá trình vận hành mô hình không mắc phải sai lầm thì sẽ phải bổ sung, sửa đổi mô hình xuất phát, thậm chí phải xây dựng mô hình mới. Mô hình mới thường khái quát hơn mô hình trước, xem mô hình trước như là trường hợp riêng, trường hợp giới hạn của nó. Điều này cũng có nghĩa là chỉ ra phạm vi áp dụng của mô hình xuất phát lúc đầu. GV chính xác hóa, bổ sung, thể chế hóa kiến thức mới. Trên cơ sở vận dụng kiến thức mới đã thu hoạch được để giải thích, tiên đoán các sự kiện và xem xét sự phù hợp giữa lí thuyết và thực nghiệm, lại đi tới phạm vi áp dụng của kiến thức đã xây dựng được và dẫn tới xây dựng những mô hình mới (các kiến thức mới) [8]. Tiến trình xây dựng kiến thức theo kiểu DH PH&GQVĐ diễn ra theo một trong hai con đường: Con đường lí thuyết và con đường thực nghiệm[8] 7 a. Tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường lí thuyết của kiểu DH PH&GQVĐ 1. Làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết từ tình huống (điều kiện) xuất phát: từ kiến thức cũ, kinh nghiệm, TN bài tập, truyện kể lịch sử… 2. Phát biểu vấn đề cần giải quyết (câu hỏi cần câu trả lời) 3. Giải quyết vấn đề 3.1. GQVĐ nhờ suy luận lí thuyết, trong đó có suy luận toán học - Suy đoán giải pháp GQVĐ: + Xác định các kiến thức đã biết cần vận dụng. + Xác định cách thức vận dụng các kiến thức này để đi tới câu trả lời. - Thực hiện giải pháp đã suy đoán để tìm được kết quả. 3.2. Kiểm nghiệm kết quả đã tìm được từ suy luận lí thuyết nhờ TN - Xác định nội dung cần kiểm nghiệm nhờ TN +Phân tích xem có thể kiểm nghiệm trực tiếp nhờ TN kết quả thu được từ suy luận lí thuyết không? + Nếu không được, suy luận logic từ kết quả này ra hệ quả kiểm nghiệm được nhờ TN - Thiết kế phương án TN để kiểm nghiệm kết quả đã thu được từ suy luận lí thuyết hoặc hệ quả của nó: cần những dụng cụ nào, bố trí ra sao, tiến hành TN như thế nào, thu thập những dữ liệu TN định tính và định lượng nào, xử lí các dữ liệu TN này như thế nào? -Thực hiện TN: Lập kế hoạch TN, lắp ráp, bố trí và tiến hành TN, thu thập và xử lí các dữ liệu TN để đi tới kết quả. 4. Rút ra kết luận - Đối chiếu kết quả TN với kết quả đã rút ra từ suy luận lí thuyết. Có 2 khả năng xảy ra: +Nếu kết quả TN phù hợp với kết quả đã tìm được nhờ suy luận lí thuyết thì kết quả này trở thành kiến thức mới. + Nếu kết quả TN không phù hợp với kết quả đã tìm được từ suy luận lí thuyết thì cần kiểm tra lại quá trình TN và quá trình suy luận từ các kiến thức đã biết. Nếu quá trình TN đã đảm bảo điều kiện mà TN cần tuân thủ và quá trình suy luận không mắc sai lầm thì kết quả TN đòi hỏi phải đề xuất giả thuyết. Quá trình kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết này sau đó sẽ dẫn tới kiến thức mới bổ sung, sửa đổi những kiến thức đã vận dụng lúc đầu làm tiền đề cho suy luận lí thuyết. Những kiến thức vận dụng lúc đầu này nhiều khi là trường hợp riêng, trường hợp giới hạn của kiến thức mới. Qua đó, phạm vi áp dụng các kiến thức đã vận dụng lúc đầu được chỉ ra. Hình 1.2. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường lí thuyết của kiểu DH PH&GQVĐ 8 b. Tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường thực nghiệm của kiểu DH PH&GQVĐ Trong chương trình vật lí phổ thông, có những kiến thức không thể suy luận từ lí thuyết từ các kiến thức mà HS đã biết, khi đó, ta phải sử dụng kiểu DH PH&GQVĐ theo con đường thực nghiệm. Các giai đoạn của tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường thực nghiệm của kiểu DH PH&GQVĐ được thể hiện qua sơ đồ hình 1.3: 1.Làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết từ tình huống (điều kiện) xuất phát: kiến thức cũ, kinh nghiệm, TN, bài tập, truyện kể lịch sử… 2.Phát biểu vấn đề cần giải quyết (câu hỏi cần trả lời) 3. Giải quyết vấn đề 3.1. Đề xuất giả thuyết Làm thế nào để kiểm tra được tính đúng đắn của giả thuyết đã đề xuất nhờ TN? 3.2. Kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết nhờ TN - Xác định nội dung cần kiểm tra nhờ TN + Phân tích xem có thể kiểm tra trực tiếp nhờ TN tính đúng đắn của giả thuyết đã đề xuất không? + Nếu không được, suy luận logic từ giả thuyết ra hệ quả kiểm tra được trực tiếp nhờ TN. -Thiết kế phương án TN để kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết hoặc hệ quả của nó: cần những dụng cụ nào, bố trí chúng ra sao, tiến hành TN như thế nào, thu thập những dữ liệu TN định tính và định lượng nào, xử lí các dữ liệu TN như thế nào? - Thực hiện TN: lập kế hoạch TN, lắp ráp, bố trí và tiến hành TN, thu thập, xử lí các dữ liệu để đi tới kết quả 4. Rút ra kết luận Đối chiếu kết quả TN với giả thuyết (hệ quả) đã đề xuất. Có 2 khả năng xảy ra: -Nếu kết quả TN phù hợp với giả thuyết (hệ quả) đã đề xuất thì giả thuyết trở thành kiến thức mới. - Nếu kết quả TN không phù hợp với giả thuyết (hệ quả) đã đề xuất thì cần kiểm tra lại quá trình TN và quá trình suy luận từ giả thuyết ra hệ quả. Nếu quá trình TN đã đảm bảo điều kiện mà TN cần tuân thủ và quá trình suy luận không mắc sai lầm thì kết quả TN đòi hỏi phải đề xuất giả thuyết mới, rồi lại kiểm tra tính đúng đắn của nó. Quá trình này có thể tiếp diễn nhiều lần, cho tới khi xây dựng được kiến thức mới. Hình 1.3 Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường thực nghiệm của kiểu DH PH&GQVĐ 9 1.2. Xây dựng và sử dụng TBTN trong DH vật lí theo DH PH&GQVĐ 1.2.1. Vị trí, chức năng và vai trò của TBTN a. Vị trí của TBTN vật lí Trong DH vật lí theo kiểu DH PH&GQVĐ, TBTN được sử dụng ở các giai đoạn [9]: - Giai đoạn 1: Làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết TBTN có thể sử dụng ở giai đoạn này để tiến hành các TN tạo tình huống, làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết để tọa nhu cầu, hứng thú tìm tòi kiến thức mới đối với HS. - Giai đoạn 2: Giải quyết vấn đề: + TBTN có thể được sử dụng để thực hiện các TN hỗ trợ đề xuất giả thuyết. Khi vốn kinh nghiệm, sự tương tự, mối liên hệ nhân quả, sự thuận nghịch của nhiều quá trình, phép ngoại suy, các mối liên hệ định lượng thường gặp không tạo điều kiện để HS đề xuất được giả thuyết (dự đoán có căn cứ) thì cần phải dùng TBTN để tiến hành TN hỗ trợ cho HS đề xuất giả thuyết. Những TN loại này được tiến hành với TBTN sẽ được sử dụng ở giai đoạn kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết hay hệ quả của nó. TN hỗ trợ đề xuất giả thuyết được tiến hành nhanh, chỉ là TN định tính, để HS thấy có mối liên hệ giữa hai đại lượng và dựa vào sự cùng tăng hay cùng giảm của hai đại lượng mà đề xuất các mối liên hệ: tỉ lệ thuận hay tỉ lệ nghịch. Còn TN với các sô liệu cụ thể sẽ được tiến hành ở giai đoạn kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết hay hệ quả của giả thuyết. + TBTN nhất thiết phải được sử dụng để thực hiện các TN kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết hoặc hệ quả được suy luận logic từ giả thuyết. + TBTN phải được sử dụng để tiến hành các TN nhằm kiểm nghiệm các kết quả đã tìm được (hoặc các hệ quả của chúng) từ suy luận lí thuyết khi sử dụng kiểu DH PH&GQVĐ theo con đường lí thuyết. Từ phân tích ở trên, việc nghiên cứu, xây dựng các TBTN để sử dụng trong DH vật lí theo kiểu DH PH&GQVĐ, đặc biệt là các TBTN thực nhằm tăng cường các hoạt động thực nghiệm của HS. Điều này sẽ có tác dụng trong việc phát triển tính tích cực nhận thức và năng lực sáng tạo của HS trong học tập vật lí. b. Chức năng và vai trò của TBTN 10 Trong DH các kiến thức vật lí theo kiểu DH PH&GQVĐ, TBTN có các chức năng và vai trò chủ yếu sau [4], [5], [10]. - TBTN được sử dụng để tiến hành các TN trong các giai đoạn khác nhau của tiến trình DH và có các chứb.c năng sau: làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết, GQVĐ (TN hỗ trợ đề xuất giả thuyết, TN kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết hoặc hệ quả suy luận logic từ giả thuyết, TN kiểm nghiệm kết quả từ suy luận lí thuyết hoặc hệ quả của nó). Ngoài ra, TBTN còn được sử dụng để tiến hành các TN minh họa nguyên tắc cấu tạo và ƯDKT của vật lí. - Vai trò của TBTN trong việc phát triển toàn diện nhân cách của HS: Thông qua việc tiến hành TN với các TBTN, HS hiểu được bản chất của các hiện tượng, định luật,, quá trình vật lí, các ƯDKT của vật lí…, kiến thức mà HS thu được sau khi học sẽ đảm bảo được tính chính xác, tính khái quát, tính hệ thống, tính bền vững và tính vận dụng được. Trong quá trình tiến hành các TN với các TBTN, HS phải tiến hành một loạt các hoạt động trí tuệ-thực tiễn: thiết kế phương án TN (cần những dụng cụ nào, bố trí chúng ra sao, tiến hành TN như thế nào, thu thập những dữ liệu TN định tính và định lượng nào, xử lí các dữ liệu TN như thế nào), tiến hành TN (lập kế hoạch TN, lắp ráp, bố trí và tiến hành TN, thu thập và xử lí các dữ liệu TN để đi tới kết quả). Qua việc tiến hành TN, HS có cơ hội rèn luyện kĩ năng TN. Thông qua các hoạt động này, tính tích cực nhanah thức và năn gl]cj sáng tạo của HS được phát triển. Ngoài ra, việc tiến hành các TN, đòi hỏi HS phải có sự phân công, phối hợp với những công việc của nhóm học tập. Vì vậy, trong quá trình TN đã diễn ra một quá trình bồi dưỡng phẩm chất đạo đưc, xây dựng các chuẩn mực hành động tập thể. - TBTN là phương tiện đơn giản hóa và trực quan trong DH vật lí: Trong tự nhiên và trong kĩ thuật, các hiện tượng, quá trình vật lí xảy ra rất phức tạp. Nhờ TBTN, HS có thể nghiên cứu các hiện tượng, quá trình trong những điều kiện có thể khống chế được, thay đổi được, có thể quan sát đo đạc đơn giản hơn, dễ dàng hơn để đi tới nhận thức được nguyên nhân của mỗi hiện tượng và mối quan hệ có tính quy luật giữa chúng với nhau. Đặc biệt, trong nghiên cứu các lĩnh vực vật lí mà ở đó, đối tượng nghiên cứu không thể tri giác trực tiếp bằng các giác quan của con người thì việc sử dụng các TN mô hình để trực quan hóa các hiện tượng, quá trình vật lí là không thể thiếu được. 11 1.2.2. Các yêu cầu đối với TBTN Dựa vào chủ thể sử dụng, TBTN được sử dụng trong DH vật lí đực chia thành hai loại: TBTN do GV sử dụng để tiến hành TN là TBTN biểu diễn và TBTN do HS sử dụng để tiến hành TN là TBTN thực tập. Các TBTN được chế tạo để sử dụng trong DH vật lí p hải đáp ứng được 4 tiêu chí: yêu cầu về mặt khoa học kĩ thuật, yêu cầu về mặt sư phạm, yêu cầu về mặt kinh tế và yêu cầu về mặt thẩm mĩ. Các yêu cầu này không độc lập mà phụ thuộc lẫn nhau [4],[5],[11]. a. Các yêu cầu chung đối với TBTN - Yêu cầu về mặt khoa học kĩ thuật + Cho phép tiến hành được TN hiện tượng xảy ra rõ ràng, dễ thực hiện các theo tác TN. Các TN định lượng phải cung cấp được các số liệu có độ chính xác phù hợp với các yêu cầu đối với TN vật lí phổ thông. + Hoạt động ổn định, tiêu thụ ít năng lượng, các chi tiết được chế tạo từ các vật liệu có độ bền cao. + Có quy trình chế tạo, vận hành bảo dưỡng và sửa chữa tiện lợi, cần ứng dụng các thành tựu công nghệ mới trong quy trình chế tạo. + Đảm bảo sự an toàn khi sử dụng trong DH. - Yêu cầu về mặt sư phạm + TBTN phải đơn giản: số chi tiết không nhiều, cấu tạo gọn nhẹ, ít hỏng, thuận tiện trong khi sử dụng (tháo lắp, bố trí và tiến hành các TN với nó), dễ sửa chữa, bảo quản, vận chuyển. + Cần có phạm vi sử dụng rộng, có thể tiến hành nhiều TN theo nhiều phương với cùng một mục đích TN hoặc nhiều TN với cách thức khác nhau trong một chương hay trong nhiều chương khác nahu của chương trình vật lí phổ thông. + Thời gian thực hiện mỗi TN (lắp ráp, bố trí, tiến hành) với TBTN không dài. + Có thể sử dụng để tiến hành các TN ở nhiều giai đoạn khác nhau của quá trình DH: làm nảy sinh vấn đề cần giải quyết, GQVĐ, củng cố (trong đó có TN thực hành), kiểm tra đánh giá. + Tạo điều kiện cho các hoạt động sáng tạo, nhất là thiết kế phương án TN. + Cần có kích thước, trọng lượng, hướng quan sát…phù hợp với đặc điểm về tầm vóc và tâm sinh lí của HS. 12 - Yêu cầu về mặt kinh tế Cần tìm cách chế tạo TBTN với giá thành không cao nhờ sử dụng các vật liệu mới với công nghệ chế tạo hợp lí. - Yêu cầu về mặt thẩm mĩ Các TBTN phải được thiết kế đẹp về hình thức với kích thước, màu sắc hợp lí, đặc biệt là cần làm nổi bật bộ phận cần quan sát. b. Các yêu cầu đối với TBTN biểu diễn Ngoài việc đáp ứng các yêu cầu chung đối với TBTN thì các TBTN biểu diễn còn cần đáp ứng thêm một số yêu cầu sau: - TBTN biểu diễn phải đáp ứng được tính trực quan: các dụng cụ phải có kích thước đủ lớn để cả lớp nhìn rõ, có cấu tạo đơn giản, thể hiện rõ nguyên tắc khoa học của hiện tượng cần nghiên cứu, có màu sắc thích hợp, hình dạng đẹp đẽ lôi cuốn sự chú ý của HS, nhất là ở những chi tiết chính. TBTN cho phép bố trí TN sáng sủa, dễ hiểu, có thể nhận thấy rõ ràng kết quả TN, loại bỏ được các hiện tượng không mong muốn. - TBTN biểu diễn phải đáp ứng được tính hiệu quả: các dụng cụ là tối thiểu, hoạt động tốt, có độ chính xác đủ cao, TN được tiến hành với TBTN có thể được tiến hành nhanh chóng. - TBTN biểu diễn phải đáp ứng được tính an toàn: dụng cụ, cách bố trí và tiến hành TN với TBTN phải đảm bảo an toàn cho người sử dụng và có thể di chuyển dễ dàng. c. Các yêu cầu đối với TBTN thực tập TBTN thực tập phải đáp ứng được các yêu cầu chung đối với TBTN. Ngoài ra, TBTN thực tập còn phải đáp ứng thêm một số yêu cầu quan trọng sau: - TBTN thực tập được chế tạo sao cho việc bố trí và tiến hành TN với nó không quá khó đối với HS, hiện tượng vật lí diễn ra trong các TN dễ quan sát, không quá phức tạp. - TBTN thực tập cho phép thực hiện các phương án Tn với các số đo ở nhiều giá trị khác nhau có độ chính xác phù hợp với TN vật lí của HS. - TBTN thực tập cần được chế tạo từ các vật liệu có độ bền cao, có thể sử dụng những dụng cụ, vật liệu dễ kiếm trong đời sống hàng ngày, quen thuộc với HS. 13