Tài liệu Xây dựng và sử dụng một số thí nghiệm hỗ trợ quá trình dạy học các chương “chất khí” và “cơ sở của nhiệt động lực học”, vật lí 10 ban cơ bản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Phan Minh Tiến XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ THÍ NGHIỆM HỖ TRỢ QUÁ TRÌNH DẠY HỌC CÁC CHƯƠNG “CHẤT KHÍ” VÀ “CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC”, VẬT LÝ 10 BAN CƠ BẢN LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC Thành phố Hồ Chí Minh- 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Phan Minh Tiến XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ THÍ NGHIỆM HỖ TRỢ QUÁ TRÌNH DẠY HỌC CÁC CHƯƠNG “CHẤT KHÍ” VÀ “CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC”, VẬT LÝ 10 BAN CƠ BẢN Chuyên ngành: LÍ 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 LÂM DUY Thành phố Hồ Chí Minh- 2012 i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này, tác giả đã nhận được sự quan tâm và giúp đỡ rất lớn từ quý Thầy cô, đồng nghiệp và gia đình. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến: Thầy TS. Nguyễn Lâm Duy – người trực tiếp hướng dẫn về mặt chuyên môn, đã rất tận tâm chỉ dạy, truyền đạt kinh nghiệm cũng như luôn động viên và giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Thầy TS. Nguyễn Mạnh Hùng – người gợi ý những phương hướng nghiên cứu, đóng góp ý kiến và động viên tôi từ những ngày đầu thực hiện luận văn. Quý Thầy cô trường Đại học Sư phạm TP.HCM và các thầy cô thỉnh giảng đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường. Quý Thầy cô phản biện và hội đồng chấm luận văn đã đọc và có những nhận xét cũng như những góp ý quý giá về luận văn. Quý Thầy cô, các đồng nghiệp trong Khoa Vật lý - Trường Đại học Sư phạm TP. HCM luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất để tôi có thể thực hiện các nghiên cứu phục vụ cho luận văn. Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn sát cánh bên tôi trong thời gian học tập, luôn động viên, ủng hộ và hỗ trợ về mọi mặt để tôi hoàn thành luận văn này trong điều kiện tốt nhất. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2012 PHAN MINH TIẾN ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i MỤC LỤC .................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................... viii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Lí do chọn đề tài ..................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài ..........................................................................3 3. Giả thuyết của đề tài ............................................................................................3 4. Nhiệm vụ cần nghiên cứu của đề tài ...................................................................3 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................4 6. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................4 7. Đóng góp của đề tài.............................................................................................4 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN ..................................................................................5 1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu .....................................................................5 1.2. Những vấn đề lí luận về thí nghiệm Vật lý ......................................................7 1.2.1. Một số khái niệm cơ bản ...........................................................................7 1.2.1.1. Khái niệm trực quan ...........................................................................7 1.2.1.2. Khái niệm phương tiện trực quan ......................................................7 1.2.1.3. Khái niệm phương tiện dạy học .........................................................7 1.2.1.4. Khái niệm phương tiện giáo dục ........................................................8 1.2.1.5. Khái niệm thiết bị dạy học .................................................................8 1.2.1.6. Khái niệm hiệu quả ............................................................................8 1.2.1.7. Khái niệm hiệu quả sử dụng thiết bị dạy học.....................................8 1.2.1.8. Khái niệm chất lượng dạy học ...........................................................9 1.2.2. Thí nghiệm Vật lý ...................................................................................10 1.2.3. Vai trò của thí nghiệm trong dạy học Vật lý ...........................................14 1.2.3.1. Vai trò của thí nghiệm Vật lý trong dạy học truyền thống ..............14 iii 1.2.3.2. Vai trò của thí nghiệm Vật lý theo lí luận dạy học hiện đại ............15 1.2.4. Xây dựng và sử dụng thí nghiệm đơn giản trong dạy học Vật lý ở trường phổ thông ...........................................................................................................18 1.2.4.1. Khái niệm “thí nghiệm đơn giản” ....................................................18 1.2.4.2. Ý nghĩa của việc xây dựng và sử dụng thí nghiệm đơn giản trong dạy học Vật lý ...............................................................................................19 1.2.4.3. Các yêu cầu đối với việc xây dựng thí nghiệm đơn giản .................21 1.2.4.4. Các khả năng, hình thức sử dụng thí nghiệm đơn giản trong dạy học Vật lý .............................................................................................................22 1.2.4.5. Vị trí của thí nghiệm đơn giản trong tiến trình dạy học giải quyết vấn đề ............................................................................................................22 1.2.4.6. Hướng dẫn học sinh tự làm dụng cụ thí nghiệm đơn giản ...............24 1.2.5. Qui trình xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lý ...........................................................................................................................25 1.2.5.1. Qui trình xây dựng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lý ...........25 1.2.5.2. Qui trình sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lý .............27 1.3. Sử dụng thiết bị thí nghiệm Vật lý trong trong quá trình dạy học .................32 1.3.1. Những vấn đề chung ...............................................................................32 1.3.2. Sử dụng thiết bị theo tinh thần dạy học nêu vấn đề ................................35 1.3.2.1. Yêu cầu của một tình huống có vấn đề ............................................35 1.3.2.2. Cách tạo mâu thuẫn ..........................................................................36 1.3.2.3. Cách tạo hứng thú ............................................................................37 1.3.3. Thí nghiệm biểu diễn ..............................................................................41 1.3.3.1. Lĩnh vực sử dụng có hiệu quả ..........................................................41 1.3.3.2. Yêu cầu của các thí nghiệm biểu diễn .............................................42 1.3.3.3. Phương pháp biểu diễn thí nghiệm ..................................................44 1.4. Kết luận ..........................................................................................................45 iv CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MỘT SỐ THÍ NGHIỆM Ở CÁC CHƯƠNG “CHẤT KHÍ” VÀ “CƠ SỞ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC”, VẬT LÝ 10, BAN CƠ BẢN ...................................................................................................................................47 2.1. Nội dung kiến thức, kĩ năng và các thí nghiệm trong chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” ............................................................................47 2.2. Tình hình dạy học chương “Nhiệt học” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” .49 2.2.1. Nội dung điều tra.....................................................................................49 2.2.2. Phương pháp điều tra ..............................................................................49 2.2.3. Kết quả điều tra .......................................................................................50 2.2.3.1. Thực trạng thiết bị thí nghiệm chương “Nhiệt học” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” ở các trường THPT đã khảo sát ....................................50 2.2.3.2. Về phương pháp dạy của giáo viên ..................................................51 2.2.3.3. Về phương pháp học và những khó khăn, sai lầm của học sinh ......51 2.2.3.4. Nguyên nhân gây nên những khó khăn của học sinh và biện pháp khắc phục ......................................................................................................53 2.3. Xây dựng các thiết bị thí nghiệm để hỗ trợ quá trình dạy học chương “Nhiệt học” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” ...............................................................54 2.3.1. Các thí nghiệm minh họa thuyết động học phân tử chất khí ..................54 2.3.1.1. Thí nghiệm 1: Quan sát chuyển động Brao trong chất lỏng ............54 2.3.1.2.Thí nghiệm 2: Dụng cụ điều chỉnh rượu chảy ra của Hê-rôn ...........58 2.3.1.3. Thí nghiệm 3: Chứng minh sự chuyển động của phân tử khí, áp suất chất khí phụ thuộc vào nhiệt độ ....................................................................59 2.3.2. Các thí nghiệm định tính và định lượng các định luật chất khí ..............60 2.3.2.1. Định luật Sác-lơ ...............................................................................60 2.3.2.2. Định luật Gay Luy-xắc .....................................................................65 2.3.3. Xây dựng mô hình động cơ Stirling ........................................................67 2.3.3.1. Giới thiệu động cơ Stirling...............................................................67 2.3.3.2. Nguyên lí hoạt động của động cơ Stirling .......................................68 v 2.3.3.3. Xây dựng động cơ Stirling từ vỏ lon, chai nhựa và các vật liệu đơn giản ................................................................................................................69 2.4. Soạn thảo tiến trình dạy học một số bài của chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học”có sử dụng các thí nghiệm thiết bị thí nghiệm đã xây dựng ..72 2.4.1. Logic hình thành kiến thức trong chương ...............................................72 2.4.2. Tiết 1: Thuyết động học phân tử chất khí ...............................................74 2.4.3. Tiết 2: Quá trình đẳng tích . Định luật Sác-lơ. ........................................82 2.4.4. Tiết 3-4-5: Các nguyên lý của nhiệt động lực học ..................................90 2.4.5. Kết luận ...................................................................................................99 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM ...........................................................100 3.1. Mục đích, đối tượng và phương pháp thực nghiệm sư phạm ......................100 3.1.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm ............................................................100 3.1.2. Đối tượng thực nghiệm sư phạm...........................................................100 3.1.3. Phương pháp thực nghiệm sư phạm ......................................................100 3.2. Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm ...................................102 3.2.1. Các tiêu chí đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm ............................102 3.2.2. Phân tích diễn biến của các giờ học trong thực nghiệm sư phạm .........103 3.3. Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm .......................................................106 3.3.1. Xử lí kết quả học tập của học sinh lớp thực nghiệm.............................106 3.3.2. Xử lí kết quả học tập của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng ...............109 KẾT LUẬN .............................................................................................................116 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG MỞ RỘNG ĐỀ TÀI ....................................................118 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .......................................................119 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................120 PHỤ LỤC ................................................................................................................123 vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ĐHSP Đại học Sư phạm SGK Sách giáo khoa SPSS Statistical Products for the Social Services (phần mềm chuyên ngành thống kê) THPT Trung học phổ thông vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. So sánh thí nghiệm Vật lý của nhà nghiên cứu và thí nghiệm Vật lý của học sinh………………………………………………………………………….…11 Bảng 2.1. Bảng nội dung của bài thuyết trình về động cơ Stirling………………...96 Bảng 2.2. Tiêu chí đánh giá nhóm ………………………………………………...97 Bảng 3.1. Bảng thống kê điểm kiểm tra quá trình (kiểm tra 15 phút) và điểm kiểm tra 1 tiết của lớp đối chứng và lớp thực nghiệm . ……………………………….107 Bảng 3.2. Bảng phân bố tần suất của lớp thực nghiệm…………………………..107 Bảng 3.3. Bảng phân bố tần suất tích lũy kết quả học tập lớp thực nghiệm…...…108 Bảng 3.4. Bảng phân bố tần suất kết quả kiểm tra 1 tiết của lớp đối chứng và lớp thực nghiệm……………………………………………………………………….109 Bảng 3.5. Bảng phân bố tần suất tích lũy kết quả kiểm tra 1 tiết của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng………………………………………………………….109 Bảng 3.6. Bảng kết quả điểm trung bình và độ lệch chuẩn được xử lí từ phần mềm SPSS………………………………………………………………………………111 Bảng 3.7. Bảng kết quả kiểm định Mann-Whitney hai mẫu độc lập được xử lí từ phần mềm SPSS…………………………………………………………………..114 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc hoạt động làm thí nghiệm của học sinh…………………13 Hình 1.2. Hình vẽ nguyên tắc đòn bẩy…………………………………………….34 Hình 1.3. Thí nghiệm nguyên tắc đòn bẩy………………………………………...34 Hình 2.1. Bộ thí nghiệm Bôi-lơ – Ma-ri-ốt được trang bị ở các trường phổ thông………………………………………………………………………………..50 Hình 2.2. Thí nghiệm quan sát chuyển động Brao………………………………...57 Hình 2.3. Ảnh chụp các phân tử lưu huỳnh nhìn qua kính hiển vi………………...57 Hình 2.4. Dụng cụ điều chỉnh rượu chảy ra của Hê-rôn…………………………..58 Hình 2.5. Thí nghiệm đơn giản minh họa vận tốc phân tử khí và áp suất chất khí phụ thuộc và nhiệt độ………………………………………………………………60 Hình 2.6. Thí nghiệm đơn giản minh họa định tính định luật Sác-lơ……………...61 Hình 2.7. Thí nghiệm đơn giản giải thích hiện tượng liên quan đến định luật Sáclơ…………………………………………………………………………………...62 Hình 2.8. Bố trí dụng cụ thí nghiệm kiểm chứng định luật Sác-lơ………………..63 Hình 2.9. Cách bố trí cốc và chậu thủy tinh để làm thay đổi nhiệt độ của nước..…65 Hình 2.10. Cách bố trí dụng thí nghiệm kiểm chứng định luật Gay – Luy-xắc…...66 Hình 2.11. Giản đồ p–V của chu trình Stirling……………………………………68 Hình 2.12. Các giai đoạn hoạt động của chu trình Stirling loại pít-tông tự do……68 Hình 2.13. Cấu tạo động cơ Stirling loại pít-tông tự do với nguồn nóng có nhiệt độ cao………………………………………………………………………………….70 Hình 2.14. Động cơ Stirling làm từ vỏ lon, chai nhựa và các vật liệu đơn giản…..71 Hình 2.15. Sơ đồ cấu trúc nội dung thuyết động học phân tử chất khí theo chương trình Vật lý 10, ban cơ bản………………………………………………………....72 Hình 2.16. Sơ đồ cấu trúc nội dung các định luật chất khí theo chương trình Vật lý 10, ban cơ bản……………………………………………………………………...73 Hình 2.17. Sơ đồ cấu trúc nội dung chương “Cơ sở của nhiệt động lực học” theo chương trình Vật lý 10, ban cơ bản…………………………………………….......73 ix Hình 2.18. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức…………………………………...75 Hình 2.19. Độ dời của hạt Brao trong những khoảng thời gian bằng nhau là không bằng nhau ……………………………………………………………………….…79 Hình 2.20. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức…………………………………...83 Hình 3.1. Biểu đồ phân bố tần suất kết quả học tập của lớp thực nghiệm……….108 Hình 3.2. Biểu đồ phân bố tần suất tích lũy kết quả học tập của lớp thực nghiệm…………………………………………………………………………….109 Hình 3.3. Biểu đồ phân bố tần suất kết quả kiểm tra 1 tiết của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng……………………………………………………………………..110 Hình 3.4. Biểu đồ phân bố tần suất tích lũy kết quả kiểm tra 1 tiết của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng………………………………………………………….110 Hình 3.5. Giao diện trong phần mềm SPSS……………………………………...113 1 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Chúng ta đang ở thế kỉ 21, thế kỉ mà thế giới đang xảy ra sự bùng nổ khoa học và công nghệ, đây cũng là thế kỉ mà tri thức và trí tuệ sáng tạo của con người được coi là yếu tố quan trọng quyết định sự phát triển của xã hội. Nước ta đang trên đà phát triển và hội nhập với các nước trong khu vực và trên thế giới. Tình hình trên đòi hỏi ngành giáo dục cần phải đổi mới mạnh mẽ, toàn diện và đồng bộ, trong đó đổi mới về phương pháp dạy học có tầm quan trọng đặc biệt. Cùng với xu thế phát triển chung của nền giáo dục thế giới, sự nghiệp giáo dục và đào tạo ở nước ta được Đảng và Nhà nước rất quan tâm và đã nêu rõ trong Nghị quyết Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ VIII: “Đổi mới mạnh mẽ phương pháp giáo dục – đào tạo, khắc phục lối truyền thụ một chiều, rèn luyện thành nếp tư duy sáng tạo của người học”. Mục tiêu chủ yếu là giáo dục toàn diện đạo đức, trí dục, thể dục ở tất cả các bậc học, coi trọng giáo dục chính trị tư tưởng, nhân cách, khả năng tư duy, sáng tạo và năng lực thực hành. Rõ ràng, ở nước ta cũng như các nước khác trên thế giới, mục đích giáo dục hiện nay không chỉ dừng lại ở việc truyền thụ cho học sinh những kiến thức, kĩ năng loài người đã tích lũy được mà còn đặc biệt quan tâm đến việc bồi dưỡng cho họ khả năng tư duy sáng tạo, năng lực thực hành và năng lực giải quyết vấn đề. Một trong những biện pháp quan trọng để thực hiện đường lối trên là đưa học sinh vào vị trí chủ thể của hoạt động nhận thức thông qua hoạt động tự lực của bản thân nhằm chiếm lĩnh kiến thức, phát triển năng lực trí tuệ. Những năm gần đây, ngành giáo dục nước ta đã không ngừng đổi mới về nội dung, chương trình, sách giáo khoa, sách tham khảo và rất chú trọng đẩy mạnh phong trào đổi mới phương pháp dạy học ở các cấp, bậc học. Do những yêu cầu về đổi mới phương pháp dạy học, việc trang bị đầy đủ các phương tiện dạy học ở các trường phổ thông trở nên rất cấp thiết, và tùy từng bộ môn mà có những phương tiện dạy học riêng phù hợp với việc đổi mới phương pháp dạy học. Vật lý là một bộ môn khoa học thực nghiệm. Tư tưởng chủ đạo của các sách giáo khoa Vật lý trung học phổ thông là nội dung kiến thức mới được hình thành 2 phần lớn thông qua các thí nghiệm và thực hành, điều đó không chỉ tích cực hoá việc học tập của học sinh mà còn rèn luyện kỹ năng sử dụng thiết bị, đồ dùng trong cuộc sống, rèn luyện thái độ, đức tính kiên trì, tác phong làm việc của những người làm khoa học. Vì thế, các phương tiện thí nghiệm Vật lý đóng vai trò quan trọng trong việc đổi mới phương pháp dạy học Vật lý hiện nay. Thực tế dạy học Vật lý cho thấy chất lượng thiết bị, thời gian thí nghiệm, thói quen sử dụng thí nghiệm trong quá trình dạy học còn rất nhiều mặt hạn chế, gây nhiều lúng túng cho giáo viên và học sinh. Mặt khác, trong chương trình Vật lý trung học phổ thông, ngoài các bài thí nghiệm được chỉ định tối thiểu và đã có các thiết bị đi kèm, thì rất nhiều nội dung thí nghiệm khác trong sách giáo khoa chưa có dụng cụ thí nghiệm. Điều đó đòi hỏi sự sáng tạo, tích cực của giáo viên và học sinh để tạo ra những dụng cụ phục vụ nội dung bài học. Việc giáo viên và học sinh tự thiết kế, chế tạo và sử dụng các dụng cụ thí nghiệm đơn giản để tiến hành các thí nghiệm Vật lý là hoạt động nhiều ý nghĩa và có nhiều tác dụng: tăng cường tính trực quan, góp phần nâng cao chất lượng lĩnh hội và nắm vững kiến thức, phát triển năng lực tư duy, độc lập và sáng tạo của học sinh. Việc tiến hành thí nghiệm, giải thích hoặc tiên đoán kết quả thí nghiệm đòi hỏi học sinh phải vận dụng các kiến thức ở nhiều nội dung khác nhau một cách linh hoạt. Do đó, các kiến thức mà học sinh đã lĩnh hội được củng cố, đào sâu, mở rộng và hệ thống hoá. Việc sử dụng các dụng cụ thí nghiệm tự làm trong dạy học Vật lý là rất cần thiết vì trong nhiều trường hợp, các chi tiết của các thiết bị thí nghiệm hiện đại có thể che lấp bản chất Vật lý của hiện tượng xảy ra trong thí nghiệm mà học sinh cần phải quan sát. Đồng thời, để kích thích tính tích cực, độc lập và phát huy khả năng tư duy sáng tạo của học sinh trong học tập, giáo viên cũng có thể cá thể hoá quá trình học tập của học sinh bằng cách giao cho học sinh chế tạo dụng cụ thí nghiệm tự làm, hướng dẫn học sinh tiến hành thí nghiệm với mức độ khó, dễ khác nhau. Các dụng cụ thí nghiệm tự làm phần lớn đáp ứng việc thực hành đồng loạt của học sinh. Nó giải quyết được một phần khó khăn về thiết bị, tạo điều kiện cho các em tự lực làm việc nhiều hơn. Nó không những đòi hỏi khả năng thao tác 3 tay chân một cách đơn thuần mà còn phát triển năng lực hoạt động trí tuệ, kinh nghiệm thực tiễn và kĩ năng hợp tác của học sinh. Chính những lí do ở trên, tôi đã mạnh dạn chọn đề tài : “Xây dựng và sử dụng một số thí nghiệm hỗ trợ quá trình dạy học các chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học”, Vật lý 10 ban cơ bản”. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài Xây dựng (chế tạo và hoàn thiện) một số thí nghiệm và soạn thảo tiến trình dạy học các bài học của chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” (chương V, chương VI Vật lý 10, ban cơ bản) trong đó có sử dụng các thí nghiệm một cách thuận lợi và đạt hiệu quả. 3. Giả thuyết của đề tài Nếu xây dựng (chế tạo và hoàn thiện) được một số thí nghiệm đáp ứng các yêu cầu về mặt sư phạm và sử dụng các thí nghiệm một cách hợp lí vào quá trình dạy học các chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” thì có thể nâng cao hiệu quả của việc dạy học. 4. Nhiệm vụ cần nghiên cứu của đề tài Để đạt được mục đích đề ra, đề tài có những nhiệm vụ nghiên cứu cơ bản sau: − Nghiên cứu cơ sở lý luận về phương tiện thí nghiệm trong dạy học Vật lý ở trường trung học phổ thông. − Nghiên cứu lý luận dạy học Vật lý, vấn đề đổi mới phương pháp dạy học và phương pháp dạy học hiệu quả. − Nghiên cứu nội dung các chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” chương trình Vật lý 10, ban cơ bản. − Nghiên cứu các thí nghiệm Vật lý trong các chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” chương trình Vật lý 10, ban cơ bản. − Thiết kế, chế tạo các dụng cụ thí nghiệm đơn giản; khai thác và hoàn thiện các dụng cụ thí nghiệm đã có rồi xây dựng một số thí nghiệm ở các chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học”. − Thực nghiệm sư phạm. 4 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Quá trình dạy học Vật lý có sử dụng thí nghiệm ở các chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học” chương trình Vật lý 10, ban cơ bản được thực hiện ở trường Trung học Thực hành ĐHSP TP. Hồ Chí Minh. 6. Phương pháp nghiên cứu − Phương pháp nghiên cứu lí luận: Nghiên cứu lí luận dạy học, tâm lí học, cơ sở lý luận về đổi mới phương pháp dạy học, các tài liệu, sách, báo, các văn kiện, các nghị quyết của Trung ương Đảng về lĩnh vực giáo dục. − Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Sử dụng phương pháp phỏng vấn, điều tra ngắn nhằm thu thập thông tin về tính hiệu quả của việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học môn Vật lý ở trường trường trung học phổ thông, nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về việc thiết kế, chế tạo và hoàn thiện một số thí nghiệm. − Phương pháp thực nghiệm sư phạm: tổ chức hoạt động dạy và học, ghi chép, chụp ảnh, quay phim, khảo sát kết quả học tập, rút kinh nghiệm giờ dạy, phân tích diễn biến quá trình thực nghiệm. − Phương pháp thống kê toán học: tổng hợp, phân tích và xử lí số liệu thống kê kết quả thực nghiệm. 7. Đóng góp của đề tài Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là nguồn tư liệu dạy học bổ sung cho chương “Chất khí” và “Cơ sở của nhiệt động lực học”. Đồng thời, đây sẽ là cơ sở cho các đề tài nghiên cứu xây dựng và sử dụng hiệu quả các thí nghiệm trong dạy và học Vật lý trong tương lai. 5 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN 1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Việc sử dụng thí nghiệm để hỗ trợ quá trình dạy học chủ yếu theo hướng phát triển hoạt động nhận thức tích cực, sáng tạo của học sinh. Trong bài giảng chuyên đề cho lớp cao học tại trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh, tác giả Nguyễn Ngọc Hưng đã trình bày “Chiến lược dạy học giải quyết vấn đề: tổ chức, định hướng hoạt động tìm tòi sáng tạo giải quyết vấn đề và tư duy khoa học của học sinh”. Những luận điểm cơ bản của chiến lược đó là: Trong dạy học môn khoa học, giáo viên cần tổ chức tình huống trong đó xuất hiện vấn đề cần giải quyết mà học sinh tự thấy mình có khả năng tham gia giải quyết và do đó, học sinh sẽ suy nghĩ đưa ra giải pháp riêng của mình, tự tìm tòi cách giải quyết thích hợp. Hoạt động nhận thức khoa học của học sinh cần được định hướng phù hợp với tiến trình xây dựng tri thức Vật lý: đề xuất vấn đề; suy đoán giải pháp và khảo sát lí thuyết hoặc thực nghiệm; kiểm tra, vận dụng kết quả. Cần sử dụng những quan điểm vốn có của học sinh vào việc xây dựng tình huống có vấn đề và định hướng hoạt động giải quyết vấn đề một cách hữu hiệu. Việc học tập, xây dựng kiến thức khoa học của học sinh sẽ thuận lợi và có hiệu quả hơn nhờ sự trao đổi, tranh luận với bạn học. Trong thời gian gần đây, một số luận án tiến sĩ, luận văn cao học và khóa luận sinh viên của các tác giả Đồng Thị Diện [8], Nguyễn Anh Thuấn [19], Trần Văn Nguyệt [15]…cũng nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện các thiết bị thí nghiệm để tổ chức hoạt động nhận thức tích cực, sáng tạo của học sinh trong việc giảng dạy một số kiến thức cụ thể ở trường phổ thông. Tuy nhiên, quá trình tìm hiểu việc nghiên cứu về dạy học chương “Chất khí” và “Cơ sở nhiệt động lực học” ở các trường phổ thông cho thấy: Về mặt nghiên cứu tổ chức hoạt động dạy học với sự hỗ trợ của thí nghiệm nhằm phát triển tính tích cực, sáng tạo của học sinh: Cho đến nay, chưa có công trình nghiên cứu khoa học nào nghiên cứu việc tổ chức hoạt động dạy học phát triển tính tích cực, sáng tạo của học sinh trong quá trình học tập hai chương này. 6 Về việc nghiên cứu thiết bị thí nghiệm để sử dụng trong dạy học chương “Chất khí”: - Tác giả Phạm Thị Phú [16] đã đề xuất phương án chế tạo bộ thí nghiệm đơn giản, rẻ tiền để khảo sát định lượng định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt và định luật Sác-lơ. - Tác giả Phạm Thị Lý, sinh viên khóa 48A trường Đại học Vinh, có công trình nghiên cứu sử dụng bộ thí nghiệm “Khảo sát định lượng các định luật chất khí có kết nối máy tính vào dạy học phần nhiệt học Vật lý lớp 10”, đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học, khoa Vật lý, trường đại học Vinh năm 2010-2011. - Tác giả Nguyễn Ngọc Hưng [10] có công trình nghiên cứu về thí nghiệm Vật lý với dụng cụ tự làm từ chai nhựa và vỏ lon, phần Cơ học chất lỏng và chất khí. - Các trường phổ thông đều có trang bị bộ thí nghiệm biểu diễn kiểm nghiệm các định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt, Sác-lơ với giá 935.000 VNĐ. Bộ thí nghiệm này bộc lộ rất nhiều nhược điểm, và đặc biệt rất dễ hỏng nên hầu hết giáo viên ở các trường đều không sử dụng để hỗ trợ quá trình dạy học chương này. Có thể nói, đối với chương “Cơ sở nhiệt động lực học”, cho đến nay vẫn chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu chế tạo các mô hình động cơ nhiệt để hỗ trợ quá trình dạy học. Trong đề tài này, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu cải tiến bộ thí nghiệm chứng minh định luật Bôi-lơ – Ma-ri-ốt đã được trang bị ở các trường phổ thông, đặc biệt là thí nghiệm chứng minh định luật Sác-lơ. Bộ thí nghiệm đã được cải tiến kết hợp với các thí nghiệm đơn giản được dùng để hỗ trợ quá trình dạy học phát huy tính tích cực, sáng tạo của học sinh. Bên cạnh đó, tác giả cũng xây dựng các thí nghiệm đơn giản để minh họa cho nội dung Thuyết động học phân tử chất khí và chế tạo mô hình động cơ Stirling, một ứng dụng thực tế của chương “Chất khí” và “Cơ sở nhiệt động lực học”. 7 1.2. Những vấn đề lí luận về thí nghiệm Vật lý 1.2.1. Một số khái niệm cơ bản 1.2.1.1. Khái niệm trực quan Khái niệm trực quan thường được sử dụng rộng rãi trong dạy học nhưng “trực quan là gì” thì lại ít được định nghĩa trong các tài liệu sư phạm. Từ sự nghiên cứu lí luận và qua trải nghiệm thực tiễn, ta có thể hiểu: Trực quan là khái niệm biểu thị tính chất của hoạt động nhận thức, trong đó, những thông tin thu được từ các sự vật và hiện tượng của thế giới bên ngoài nhờ sự cảm nhận trực tiếp của các cơ quan cảm giác của con người [21]. 1.2.1.2. Khái niệm phương tiện trực quan Phương tiện trực quan là những công cụ mà giáo viên và học sinh sử dụng trong quá trình dạy học nhằm tạo ra những biểu tượng, hình thành những khái niệm cho học sinh thông qua sự tri giác trực tiếp bằng các giác quan của các em [21]. Thí dụ: các vật tự nhiên như cây, hoa quả, các sản phẩm, máy móc; các vật tượng trưng như: tranh ảnh, bản đồ, mô hình, phim ảnh… dùng để dạy học. 1.2.1.3. Khái niệm phương tiện dạy học Phương tiện dạy học là một khái niệm rộng hơn phương tiện trực quan. Đó là những công cụ mà giáo viên và học sinh sử dụng trong quá trình dạy học nhằm đạt được mục đích dạy học. Những công cụ này giúp người giáo viên tổ chức, điều khiển quá trình dạy học thông qua các hoạt động như kích thích hoạt động nhận thức, tổ chức hoạt động nhận thức, kiểm tra đánh giá…, và giúp học sinh tổ chức hoạt động nhận thức của mình một cách hiệu quả [18], [21]. Các phương tiện dạy học được sử dụng chủ yếu trong nhà trường là: - Các vật thật (động vật, thực vật trong tự nhiên; các khoáng vật; mẫu hóa chất; các hiện tượng Vật lý, Hóa học); các vật tượng trưng (bản đồ, sơ đồ, biểu đồ, đồ thị, bản vẽ…); vật tạo hình (tranh ảnh, mô hình, hình vẽ, phim…). - Thí nghiệm và các thiết bị thí nghiệm. - Các phương tiện mô tả đối tượng và hiện tượng bằng lời nói, bằng kí hiệu (sách giáo khoa, sách hướng dẫn, các tài liệu in, các công thức, phương trình…). 8 - Các phương tiện kĩ thuật dạy học (phương tiện nghe – nhìn, camera, máy dạy học, máy kiểm tra, computer…) . 1.2.1.4. Khái niệm phương tiện giáo dục Phương tiện giáo dục là một khái niệm rộng dùng để chỉ tất cả các dụng cụ (phương tiện) mà giáo viên và học sinh sử dụng trực tiếp trong quá trình giáo dục (nghĩa rộng) thông qua các hoạt động của nó (dạy học, lao động sản xuất, vui chơi, sinh hoạt tập thể, hoạt động xã hội…) và các điều kiện dạy học cần thiết cho các hoạt động đó (nhà cửa, bàn ghế, xưởng, trường, sân bãi…) [21] 1.2.1.5. Khái niệm thiết bị dạy học Thiết bị dạy học là thuật ngữ chỉ một đối tượng vật chất hoặc một tập hợp đối tượng vật chất, mà đối với giáo viên, chúng là phương tiện để điều khiển hoạt động nhận thức của học sinh; còn đối với học sinh, đó là nguồn tri thức, là phương tiện để học sinh lĩnh hội tri thức, hình thành kĩ năng nhằm thực hiện các mục đích dạy học [18], [21]. Thiết bị dạy học được cung cấp cho các trường phổ thông hiện nay còn là một sản phẩm hàng hoá đặc biệt, vì nó phải tuân theo các tiêu chí rất chặt chẽ và phải đáp ứng nhiều yêu cầu của người sử dụng. 1.2.1.6. Khái niệm hiệu quả Theo cuốn Đại từ điển Tiếng Việt [23]: “Hiệu quả là kết quả như yêu cầu của việc làm mang lại.” Quan niệm này cho thấy, hiệu quả là một khái niệm luôn gắn liền với một việc làm, một hoạt động nhất định. Nói đến hiệu quả là nói đến kết quả mang lại của một việc làm, một hoạt động so với yêu cầu nêu ra. 1.2.1.7. Khái niệm hiệu quả sử dụng thiết bị dạy học Dựa vào định nghĩa khái niệm “hiệu quả” ở trên, ta có thể nêu ra định nghĩa khái niệm “hiệu quả sử dụng thiết bị dạy học” như sau: “Hiệu quả sử dụng thiết bị dạy học là kết quả việc sử dụng thiết bị dạy học mang lại so với yêu cầu đặt ra đối với việc sử dụng thiết bị dạy học.” 9 Để xác định hiệu quả sử dụng thiết bị dạy học thì trước hết phải xác định các yêu cầu đối với việc sử dụng thiết bị dạy học trong quá trình dạy học. Trong quá trình dạy học, học sinh tiến hành nhận thức thế giới dưới sự điều khiển của giáo viên và nhờ các thiết bị dạy học. Thiết bị dạy học là công cụ lao động sư phạm của giáo viên và học sinh. Sử dụng thiết bị dạy học trong quá trình dạy học phải đáp ứng được các yêu cầu sau: - Sử dụng thiết bị dạy học phải đảm bảo cung cấp cho học sinh thông tin về các hiện tượng và đối tượng nghiên cứu một cách đầy đủ và chính xác, làm cho học sinh hiểu sâu và nắm chắc kiến thức, tránh chủ nghĩa hình thức trong kiến thức của học sinh. - Sử dụng thiết bị dạy học phải đảm bảo nâng cao tính trực quan của dạy học, mở rộng khả năng tiếp cận các đối tượng, hiện tượng. - Sử dụng thiết bị dạy học phải đảm bảo kích thích hứng thú học tập ở học sinh, thoả mãn nhu cầu nhận thức của học sinh. - Sử dụng thiết bị dạy học phải đảm bảo nâng cao nhịp độ nghiên cứu tài liệu học tập của học sinh. - Sử dụng thiết bị dạy học phải đảm bảo đổi mới phương pháp dạy học theo hướng tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh, tạo điều kiện để học sinh hoạt động tự lực chiếm lĩnh tri thức, rèn luyện kĩ năng. Vậy hiệu quả sử dụng thiết bị dạy học là kết quả đáp ứng năm yêu cầu trên của việc sử dụng thiết bị dạy học trong quá trình dạy học. 1.2.1.8. Khái niệm chất lượng dạy học Theo cuốn Đại từ điển Tiếng Việt [23]: “Chất lượng là cái làm nên phẩm chất, giá trị của con người, sự vật. Chất lượng là cái tạo nên bản chất sự vật, làm cho sự vật này khác với sự vật kia.” Ở đây, dạy học là hoạt động cơ bản để thực hiện mục tiêu giáo dục, đào tạo thế hệ trẻ thành những chủ nhân tương lai có đức, có tài, làm cho học sinh trở thành những người lao động thông minh, người công nhân có ý thức. Sản phẩm của hoạt động dạy học là sự phát triển về trí tuệ (kiến thức, kĩ năng) và nhân cách của học sinh. Xét theo mục tiêu đào tạo con người mới thì chất lượng dạy học bao gồm chất