Tài liệu Xây dựng và sử dụng thí nghiệm ảo phần dao động cơ vật lý 12 bằng phần mềm macromedia flash nhằm nâng cao năng lực thực nghiệm cho học sinh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC NGUYỄN HUY THÁI XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM ẢO PHẦN DAO ĐỘNG CƠ, VẬT LÍ 12 BẰNG PHẦN MỀM MACROMEDIA FLASH NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC THỰC NGHIỆM CHO HỌC SINH LUẬN VĂN THẠC SỸ SƢ PHẠM VẬT LÍ HÀ NỘI – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC NGUYỄN HUY THÁI XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM ẢO PHẦN DAO ĐỘNG CƠ, VẬT LÍ 12 BẰNG PHẦN MỀM MACROMEDIA FLASH NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC THỰC NGHIỆM CHO HỌC SINH LUẬN VĂN THẠC SỸ SƢ PHẠM VẬT LI CHUYÊN NGÀNH: LÍ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP DẠY HỌC BỘ MÔN VẬT LÍ Mã số: 60 14 01 11 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Phạm Kim Chung HÀ NỘI – 2016 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới: Trường Đại học Giáo dục - Đại học Quốc Gia Hà Nội, các Khoa và các phòng chức năng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu, tiến hành luận văn. Thầy giáo hướng dẫn: TS. Phạm Kim Chung đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Toàn thể gia đình và anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm, động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Thái Nguyên, tháng 10 năm 2016 Tác giả i DANH MỤC NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN CNTT Công nghệ thông tin CSVC Cơ sở vật chất DH Dạy học DHVL Dạy học Vật lí ĐHQGHN Đại học Quốc gia Hà Nội GD&ĐT Giáo dục và Đào tạo HS Học sinh KHKT Khoa học - kỹ thuật NLTN Năng lực thực nghiệm PTDH Phương tiện dạy học SGK Sách giáo khoa SP Sư phạm TLGK Tài liệu giáo khoa TN Thí nghiệm TNSP Thực nghiệm sư phạm TNVL Thí nghiệm Vật lí TNVLPT Thí nghiệm Vật lí phổ thông TH Thực hành THPT Trung học phổ thông VL Vật lí ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 3 3. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 3 4. Khách thể và đối tượng nghiên cứu .............................................................. 4 5. Vấn đề nghiên cứu......................................................................................... 4 6. Giả thuyết khoa học ...................................................................................... 4 7. Giới hạn phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 5 8. Đóng góp mới của đề tài ............................................................................... 5 9. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 5 10. Cấu trúc của luận văn .................................................................................. 6 CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.............7 1.1. Thí nghiệm Vật lí và vai trò trong dạy học ở trường phổ thông ................ 7 1.1.1. Thí nghiệm Vật lí và đặc điểm của thí nghiệm Vật lí ............................. 7 1.1.2. Vai trò của thí nghiệm trong dạy học Vật lí ở THPT ............................. 8 1.1.3. Các loại thí nghiệm Vật lí ở trường phổ thông ..................................... 17 1.1.4. Một số yêu cầu đối với thí nghiệm Vật lí trong quá trình tổ chức hoạt động nhận thức tích cực, tự lực của học sinh THPT ....................................... 18 1.1.5. Xu hướng đổi mới tổ chức hoạt động thực hành thí nghiệm ................ 19 1.2. Hệ thống các kĩ năng thí nghiệm cần rèn luyện ở học sinh phổ thông trong dạy học Vật lí ......................................................................................... 20 1.2.1. Khái niệm kĩ năng ................................................................................. 20 1.2.2. Sự hình thành và phát triển kĩ năng ...................................................... 20 1.2.3. Kĩ năng thí nghiệm cần rèn luyện ở học sinh trong dạy học Vật lí ở trường THPT ................................................................................................... 22 1.2.4. Các cấp độ phát triển kĩ năng thí nghiệm của học sinh ........................ 26 1.2.5. Các giai đoạn phát triển kĩ năng............................................................ 29 1.3. Năng lực thực nghiệm trong dạy học Vật lí ở trường THPT ................... 31 iii 1.3.1. Khái niệm về năng lực thực nghiệm: .................................................... 31 1.3.2. Cấu trúc của năng lực thực nghiệm. ..................................................... 32 1.3.3. Năng lực chuyên biệt môn Vật lí .......................................................... 33 1.3.4 Bồi dưỡng năng lực thực nghiệm Vật lí cho học sinh. ......................... 35 1.4. Vai trò của thí nghiệm thực hành trong rèn luyện kĩ năng thí nghiệm cho học sinh trong dạy học Vật lí ở trường THPT. ............................................... 39 1.4.1. Thí nghiệm thực hành Vật lí ................................................................. 39 1.4.2. Nội dung, hình thức tổ chức thí nghiệm thực hành trong dạy học Vật lí ở trường THPT ................................................................................................ 40 1.5. Sử dụng phần mềm thí nghiệm ảo trong dạy học Vật lí .......................... 43 1.5.1. Khái niệm phần mềm dạy học............................................................... 43 1.5.2. Những yêu cầu chung đối với phần mềm dạy học ................................ 44 1.5.3. Phần mềm thí nghiệm ảo trong dạy học Vật lí...................................... 47 1.6. Thực trạng của việc rèn luyện kĩ năng thí nghiệm cho học sinh trong dạy học Vật lí ở trường THPT ............................................................................... 49 1.6.1. Mục đích tìm hiểu ................................................................................. 49 1.6.2. Nội dung tìm hiểu.................................................................................. 50 1.6.3. Phương pháp tìm hiểu ........................................................................... 50 1.6.4. Kết quả tìm hiểu .................................................................................... 50 1.7. Kết luận chương 1 .................................................................................... 53 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM VẬT LÍ ẢO HỖ TRỢ THỰC HÀNH VẬT LÍ CHƢƠNG DAO ĐỘNG CƠ VẬT LÍ 12, BAN CƠ BẢN THPT..............................................................................54 2.1. Phân tích nội dung, mục tiêu dạy học bài thí nghiệm thực hành Chương Dao động cơ. ................................................................................................... 54 2.1.1. Vị trí của bài thí nghiệm thực hành trong chương Dao động cơ .......... 54 2.1.2. Mục tiêu bài thí nghiệm thực hành Chương Dao động cơ .................... 55 2.1.3. Nội dung bài thực hành: “Khảo sát các định luật thực nghiệm của...... 56 2.1.4. Những khó khăn khi làm bài thí nghiệm thực hành Chương Dao động iv cơ. .................................................................................................................... 65 2.2. Đề xuất các giải pháp xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực hành Vật lí chương Dao động cơ ............................................. 66 2.2.1. Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ quá trình tự học, tự nghiên cứu ở nhà của học sinh (Hỗ trợ tìm kiếm và trao đổi thông tin) ......................................................................................................................... 67 2.2.2. Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo ... (Hỗ trợ thực hiện Quy trình) ................................................................................................ 67 2.2.3. Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ quá trình kiếm tra, đánh giá ............................................................................................ 68 2.3. Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực .......... 69 2.3.1. Ý tưởng xây dựng phần mềm ................................................................ 69 2.3.2. Xây dựng bài thí nghiệm thực hành Vật lí ảo bằng Macromedia ........ 70 2.4. Sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực hành Vật lí chương Dao động cơ. ................................................................................................... 74 2.4.1. Các bước tổ chức thí nghiệm thực hành với sự hỗ trợ của thí nghiệm Vật lí ảo. .......................................................................................................... 74 2.4.2. Thiết kế tiến trình dạy học thực hành thí nghiệm “Khảo sát thực ........ 78 2.5. Kết luận chương 2 .................................................................................... 82 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM............................................... 83 3.1. Mục đích, đối tượng, nội dung thực nghiệm sư phạm. ............................ 83 3.1.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm. ........................................................... 83 3.1.2. Đối tượng và nội dung thực nghiệm sư phạm. ...................................... 83 3.2. Phương pháp thực nghiệm sư phạm. ........................................................ 84 3.2.1. Chuẩn bị thực nghiệm ........................................................................... 84 3.2.2. Phương thức tổ chức quá trình thực nghiệm sư phạm .......................... 84 3.3. Kết quả thực nghiệm sư phạm ................................................................. 88 3.3.1. Phân tích định tính ................................................................................ 88 3.3.2. Phân tích kết quả định lượng................................................................. 91 v 3.4. Hiệu quả của biện pháp đề tài đã đề xuất ................................................. 94 3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................... 96 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ...............................................................97 1. Kết luận ....................................................................................................... 97 2. Khuyến nghị ................................................................................................ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................... 99 PHỤ LỤC ................................................................................................... 100 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Bảng các kĩ năng thí nghiệm cơ bản cần rèn luyện cho học sinh THPT trong dạy học Vật lí............................................................................. 23 Bảng 1.2. Các cấp độ mục tiêu nhận thức...................................................... 27 Bảng 1.3. Các cấp độ mục tiêu kĩ năng tâm vận.............................................27 Bảng 1.4. Thang đánh giá sự thực hiện (PRS.) ............................................. 28 Bảng 1.5. Các cấp độ mục tiêu kĩ năng thí nghiệm của học sinh trong dạy học Vật lí ở trường phổ thông.............................................................................. 29 Bảng 1.6. Thống kê kết quả phiếu khảo sát ở học sinh THPT Phổ Yên .... 51 Bảng 3.1 - Bảng thống kê điểm số ................................................................. 91 Bảng 3.2 - Bảng thống kê số học sinh đạt từ điểm xi trở xuống (Bảng tần suất luỹ tích hội tụ lùi) .......................................................................................... 90 Bảng 3.3 - Các tham số thống kê .................................................................. 92 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ Chu trình sáng tạo theo V.G. Razumôpxki...............................9 Hình 2.1. Bộ thiết bị thí nghiệm .................................................................... 58 Hình 2.2: Đồng hồ đo thời gian hiện số, cổng quang điện và sơ đồ nguyên lý cổng quang điện dùng nghiên cứu chuyển động của con lắc đơn ................. 59 Hình 2.3. Đồng hồ đo thời gian hiện số......................................................... 63 Hình 2.4: Câu hỏi trắc nghiệm liên quan đến bài thí nghiệm thực hành ...... 71 Hình 2.5: Bảng lựa chọn dụng cụ thí nghiệm trong phần mềm .................... 72 Hình 2.6: Thực hiện thí nghiệm trong phần mềm......................................74 Sơ đồ 2.1 Sơ đồ kết hợp thí nghiệm ảo và thí nghiệm thật trong thực hành thí nghiệm Vật lí phổ thông................................................................................ 75 Hình 3.1. Đồ thị các đường phân bố tần suất luỹ tích hội tụ lùi ................... 92 vii MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trước yêu cầu cấp bách của công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, trước nhu cầu hội nhập, đòi hỏi giáo dục đại học Việt Nam phải có những đổi mới mạnh mẽ. Nghị quyết số 14/2005 của Chính phủ về đổi mới cơ bản và toàn diện GDĐH Việt Nam giai đoạn 2006 - 2020 đã nêu: “Mục tiêu chung là đổi mới cơ bản và toàn diện GDĐH, tạo được chuyển biến cơ bản về chất lượng, hiệu quả và quy mô, đáp ứng yêu cầu của sự nghiệp Công nghiệp hoá- hiện đại hóa đất nước, hội nhập kinh tế quốc tế” và yêu cầu giáo dục, đào tạo sinh viên trong thời kỳ mới: "Phát triển tiềm năng nghiên cứu sáng tạo, kĩ năng nghề nghiệp, năng lực hoạt động trong cộng đồng và khả năng lập nghiệp của người học" Môn Vật lí là môn học không thể thiếu các bài thí nghiệm, đặc biệt là các bài thí nghiệm thực hành của học sinh, bởi Vật lí cũng như một số môn học khác, là một môn khoa học thực nghiệm. Việc nắm vững mục đích, cơ sở lý thuyết liên quan đến các thí nghiệm, các kĩ năng lắp ráp cũng như các thao tác khi tiến hành thí nghiệm có ý nghĩa rất lớn. Nó góp phần quan trọng trong quá trình tổ chức các hoạt động nhận thức tích cực và tự lực của học sinh. Đồng thời, thí nghiệm Vật lí còn tạo ra và nâng cao hứng thú học tập cho học sinh, tạo cho học sinh niềm tin khoa học bằng những kiến thức đã thu nhận được trong quá trình học. Trong những năm trở lại đây, phòng thí nghiệm ở các trường phổ thông đã được trang bị một cách khá đầy đủ về số lượng thiết bị thí nghiệm, nhưng vẫn còn nhiều khó khăn cần phải khắc phục, như nhiều dụng cụ thí nghiệm chưa đảm bảo yêu cầu, cán bộ quản lý thí nghiệm thì không chuyên nên việc chuẩn bị thí nghiệm cho một tiết học trên lớp còn nhiều khó khăn. Đồng thời, mỗi tiết học chỉ diễn ra trong thời gian 45 phút, không đủ để thực hiện hoàn chỉnh một bài thực hành Vật lí, gây trở ngại cho cả thày và trò. Trong mỗi giờ thực hành Vật lí, thời gian chủ yếu dành cho thao tác giới thiệu và lắp ráp 1 thiết bị nên thời gian để đo đạc và xử lý kết quả còn lại rất ít. Muốn có nhiều thời gian hơn, người thày phải dành thời gian để chuẩn bị trước cho bài thực hành trước khi lên lớp. Để làm được điều này thì các bài thực hành Vật lí cần được bố trí trong các phòng chuyên môn riêng biệt để mỗi khi có tiết thí nghiệm thực hành, học sinh chỉ cần lên phòng học chuyên môn và tiến hành các thao tác đo đạc, tính toán. Tuy nhiên, hiện nay có rất ít các trường phổ thông được trang bị phòng học chuyên môn nên giáo viên vẫn phải mang các thiết bị, đồ dùng thí nghiệm lên lớp học để hướng dẫn cũng như cho học sinh làm thí nghiệm thực hành. Điều này dẫn đến thiết bị thí nghiệm có thể bị hỏng hóc, bị lỗi trong quá trình vận chuyển, khiến cho chất lượng quá trình dạy và học còn nhiều hạn chế. Nhiều khi do phân phối chương trình, có nhiều lớp cùng tiến hành bài thực hành, mà số lượng bộ dụng cụ có hạn, nên phải lùi thời gian thực hành lại, dẫn tới hiệu quả giảng dạy giảm sút. Một lý do nữa là, bài thực hành được chia làm 2 tiết, tiết 1 nêu ra cơ sở lý thuyết, giới thiệu dụng cụ, các phương án, các bước thực hành; tiết 2 sẽ cho học sinh thực hành, thu thập số liệu, xử lý số liệu. Tiết 1 chỉ có giới thiệu dụng cụ thí nghiệm và học sinh chỉ quan sát thí nghiệm thì không thể hiểu phương án thí nghiệm, cũng như nắm vững các bước tiến hành thí nghiệm. Điều đó sẽ dẫn tới khi làm thí nghiệm thực hành, học sinh có thể thu được các số liệu xa rời thực tế. Hiện nay, việc ứng dụng CNTT đã góp phần khắc phục những khó khăn cho giáo viên khi lên lớp, nâng cao hứng thú học tập cho học sinh khi làm bài thực hành. Đồng thời CNTT cũng làm phong phú thêm các bài thí nghiệm thực hành, thí nghiệm biểu diễn, tạo điều kiện cho học sinh tiếp cận với công nghệ hiện đại, với nhiều loại hình thí nghiệm, loại hình kiểm tra trực tiếp trên máy tính từ đó nâng cao chất lượng giảng dạy của giáo viên cũng như việc học tập của học sinh. Có rất nhiều phần mềm tin học được sử dụng trong quá trình dạy học, trong đó phần mềm Macromedia Flash là phần mềm có khả năng lập trình đa phương tiện, có khả năng xử lý hình ảnh cũng như video rất tốt. Nó có khả 2 năng chạy tốt trên cả máy tính cá nhân và mạng Internet nên được sử dụng ngày càng nhiều để phát triển các phần mềm dạy học. Có thể dùng phần mềm Macromedia Flash để lập trình thí nghiệm ảo dựa trên các thí nghiệm thực sẽ góp phần giải quyết các khó khăn và nâng cao được chất lượng dạy học Vật lí hiện nay. Trong chương trình Vật lí lớp 12 thì chương Dao động cơ có nhiều hiện tượng Vật lí phức tạp, thậm chí khó thực hiện trong điều kiện thực tế, các thí nghiệm đòi hỏi phải sử dụng những dụng cụ đo mà học sinh chưa được rèn luyện các kĩ năng sử dụng. Vì vậy, để tiến hành các thí nghiệm trong phần này, học sinh gặp phải nhiều khó khăn. Với những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Xây dựng và sử dụng thí nghiệm ảo phần Dao động cơ - Vật lí 12 bằng phần mềm Macromedia Flash nhằm nâng cao năng lực thực nghiệm cho học sinh” 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm ảo hỗ trợ dạy học Vật lí nhằm nâng cao năng lực thực nghiệm cho học sinh qua các bài thí nghiệm thực hành chương Dao động cơ - Vật lí 12, ban Cơ bản THPT. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý luận về vai trò của thí nghiệm Vật lí trong quá trình tổ chức hoạt động nhận thức của học sinh ở các trường THPT. - Nghiên cứu cơ sở lý luận về thí nghiệm ảo và những yêu cầu đối với thí nghiệm ảo. - Ứng dụng CNTT để xây dựng bài thí nghiệm thực hành Vật lí ảo trong chương Dao động cơ (Vật lí 12, ban Cơ bản THPT) đáp ứng các yêu cầu cơ bản của thí nghiệm thực hành hiện nay (đòi hỏi nâng cao tính tích cực, tự lực của học sinh trong khi chuẩn bị, tiến hành và sử dụng các thí nghiệm Vật lí phổ thông). - Nghiên cứu việc sử dụng hiệu quả các thí nghiệm Vật lí ảo đã xây dựng trong quá trình dạy bài thực hành chương Dao động cơ. 3 - Thực nghiệm sư phạm nhằm đánh giá tính khả thi và hiệu quả của các bài thí nghiệm thực hành Vật lí ảo và các tiến trình dạy học đã xây dựng. 4. Khách thể và đối tƣợng nghiên cứu  Khách thể: - Quá trình dạy và học thí nghiệm thực hành có sử dụng thí nghiệm Vật lí ảo trong các bài của chương Dao động cơ (Vật lí 12, ban Cơ bản THPT) của giáo viên và học sinh lớp 12 trường THPT Phổ Yên – Thị xã Phổ Yên – Thái Nguyên.  Đối tượng: - Bài thí nghiệm thực hành chương Dao động cơ (Vật lí 12, ban Cơ bản THPT) - Quá trình nhận thức, kĩ năng thí nghiệm của học sinh khi được tổ chức học thực hành thí nghiệm có sử dụng phối hợp các thiết bị thí nghiệm thật và thí nghiệm ảo. 5. Vấn đề nghiên cứu Đề tài tập trung vào nghiên cứu hai vấn đề cơ bản sau: - Ứng dụng CNTT để xây dựng bài thí nghiệm thực hành Vật lí ảo trong chương Dao động cơ (Vật lí 12, ban Cơ bản THPT) như thế nào để đáp ứng các yêu cầu cơ bản của thí nghiệm thực hành Vật lí hiện nay ? - Việc sử dụng thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ trong quá trình dạy bài thực thành thí nghiệm Vật lí trong chương Dao động cơ như thế nào để có hiệu quả và đúng mục đích ? 6. Giả thuyết khoa học Xây dựng các phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo tương tự như thí nghiệm thật cả về hình ảnh, quy trình, thao tác thí nghiệm và thiết kế tiến trình dạy học có sự kết hợp giữa thí nghiệm Vật lí ảo và thí nghiệm thật hướng tới các mục tiêu về kiến thức, kĩ năng thí nghiệm cần hình thành ở học sinh. Từ đó nâng cao năng lực thực nghiệm cho học sinh trong dạy học Vật lí. 4 7. Giới hạn phạm vi nghiên cứu Về nội dung nghiên cứu: - Sử dụng phần mềm Macromedia Flash để xây dựng thí nghiệm ảo trong bài thí nghiệm thực hành của chương Dao động cơ (Vật lí 12, ban Cơ bản THPT). - Sử dụng thí nghiệm ảo để dạy tiết thực hành thí nghiệm Vật lí chương Dao động cơ (Vật lí 12, ban Cơ bản THPT). 8. Đóng góp mới của đề tài - Về lý luận. Đề tài phát triển lý luận về rèn luyện kĩ năng thí nghiệm Vật lí cho học sinh THPT. - Về ý nghĩa thực tiễn. Kết quả nghiên cứu có thể được vận dụng vào việc rèn luyện kĩ năng thí nghiệm cho học sinh THPT môn Vật lí. 9. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý luận: Nghiên cứu lý luận về thí nghiệm trong dạy và học Vật lí ở trường THPT; lý luận về thí nghiệm ảo, các yêu cầu đối với thí nghiệm ảo. - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn (điều tra, quan sát, chuyên gia...): + Nghiên cứu thực tiễn việc dạy và học thí nghiệm thực hành trong chương Dao động cơ. + Tham khảo các ý kiến của các chuyên gia giáo dục, chuyên gia tin học về xây dựng và sử dụng thí nghiệm thực hành Vật lí ảo. - Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Tiến hành dạy song song lớp thực nghiệm và lớp đối chứng. Một lớp sử dụng các thiết bị thí nghiệm thật của phòng thí nghiệm và một lớp sử dụng bài thí nghiệm thực hành ảo kết hợp với thiết bị thí nghiệm thật. - Phương pháp thống kê toán học: nhằm phân tích, đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm. 5 10. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, nội dung bản luận văn được chia thành ba chương: Chƣơng 1. Cơ sở lý luận và thực tiễn của đề tài. Chƣơng 2. Xây dựng và sử dụng thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực hành Vật lí chương Dao động cơ – Vật lí 12, ban Cơ bản THPT. Chƣơng 3. Thực nghiệm sư phạm. 6 CHƢƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.1. Thí nghiệm Vật lí và vai trò trong dạy học ở trƣờng phổ thông 1.1.1. Thí nghiệm Vật lí và đặc điểm của thí nghiệm Vật lí Thí nghiệm Vật lí (TNVL) là sự tác động một cách có chủ định, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan. Thông qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của sự tác động, ta có thể thu nhận được tri thức mới [5, tr. 76] Theo một số định nghĩa thì thí nghiệm là: - Một sự thử nghiệm trong điều kiện có thể kiểm soát được nhằm minh hoạ cho một chân lí đã biết, kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết khoa học, xác định tính hiệu quả của cái gì đó mà chưa được xác nhận. - Một sự thử nghiệm hay một quá trình trong điều kiện có thể kiểm soát được nhằm kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết khoa học hay đưa ra một phát hiện mới. Thí nghiệm Vật lí có các đặc điểm sau: - Các điều kiện của thí nghiệm phải được lựa chọn và được thiết lập một cách có chủ định sao cho thông qua quá trình thí nghiệm, có thể trả lời được các câu hỏi đặt ra, có thể kiểm tra được các giả thuyết hoặc hệ quả suy ra từ giả thuyết. Mỗi thí nghiệm có ba yếu tố cấu thành cần được xác định rõ, bao gồm đối tượng cần nghiên cứu, phương tiện gây tác động lên đối tượng cần nghiên cứu và phương tiện quan sát, đo đạc để thu nhận các kết quả của sự tác động. - Các điều kiện của thí nghiệm có thể làm biến đổi được để ta có thể nghiên cứu sự phụ thuộc giữa hai đại lượng nào đó, trong khi các đại lượng khác được giữ không đổi. - Các điều kiện của thí nghiệm phải được khống chế, kiểm soát theo như dự định nhờ sử dụng các thiết bị thí nghiệm có độ chính xác ở mức độ cần 7 thiết, nhờ quá trình phân tích thường xuyên các yếu tố của đối tượng cần nghiên cứu, làm giảm tối đa ảnh hưởng của các tác động gây nhiễu. - Đặc điểm đóng vai trò quan trọng của thí nghiệm là khả năng có thể quan sát được những biến đổi của đại lượng nào đó được gây ra bởi sự biến đổi của đại lượng khác. Điều này đạt được nhờ các giác quan của con người và sự hỗ trợ của các phương tiện quan sát, đo đạc. - Đặc tính có thể lặp lại của thí nghiệm. Tức là: với các thiết bị thí nghiệm, các điều kiện thí nghiệm như nhau, khi bố trí lại hệ thống thí nghiệm, tiến hành lại thí nghiệm thì hiện tượng, quá trình Vật lí phải diễn ra trong thí nghiệm giống như các lần thí nghiệm trước đó. [7, tr. 56-61] Trong nghiên cứu khoa học nói chung, đặc biệt trong nghiên cứu vật lí thì thí nghiệm đóng vai trò hết sức quan trọng. Các định nghĩa này đề cập đến các nội dung sau: - Mục đích của thí nghiệm (kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết, đưa ra một phát hiện mới hay minh hoạ cho một qui luật đã biết) - Đặc điểm của hoạt động thí nghiệm (sự thử nghiệm hay một quá trình trong điều kiện có thể kiểm soát được) - Trong các định nghĩa trên, nội hàm đầy đủ của hoạt động gọi là thí nghiệm với tư cách là một quá trình chưa được chú ý trình bày. 1.1.2. Vai trò của thí nghiệm trong dạy học Vật lí ở THPT 1.1.2.1. Vai trò thí nghiệm theo quan điểm lý luận nhận thức Xu hướng dạy học hiện đại coi kiến thức về phương pháp hoạt động là một loại kiến thức cơ bản, quan trọng, đó là kiến thức công cụ. Học tập vật lí tốt nhất là dùng chính phương pháp nhận thức của Vật lí (Phương pháp thực nghiệm, phương pháp mô hình), tổ chức quá trình học tập của học sinh tương tự với quá trình nghiên cứu của các nhà khoa học. Con đường nhận thức Vật lí cũng đã được nhiều nhà Vật lí chỉ ra như Newton, A.Einstein, M.Planck, M.Born ... V.G. Razumôpxki đã khái quát 8 thành chu trình nhận thức như sau: Từ việc khái quát những sự kiện xuất phát đi đến xây dựng mô hình trừu tượng giả định (có tính chất như một giả thuyết); từ mô hình dẫn đến việc rút ra hệ quả lý thuyết (bằng suy luận lôgíc hay suy luận toán học); Để rồi, những hệ quả lý thuyết ấy sẽ được kiểm tra bằng thực nghiệm. + Nếu thực nghiệm phù hợp với những hệ quả trên thì mô hình giả thuyết là đúng và đó là cơ sở để giải thích thực tế. + Nếu thực nghiệm không xác định những hệ quả lý thuyết ấy thì hoặc làm mô hình lý thuyết không phù hợp hoặc tìm ra giới hạn áp dụng cho mô hình giả thuyết. Chu trình nhận thức khoa học này được V.G. Razumôpxki khái quát bằng sơ đồ như trên hình 1.1. [5] Các hệ quả lôgíc Mô hình giả định trừu tƣợng Những sự kiện Thí nghiệm khởi đầu kiểm tra Hình 1.1: Sơ đồ Chu trình sáng tạo theo V.G. Razumôpxki. [5] Do mỗi mô hình, mỗi lí thuyết chỉ phản ánh một mặt của thực tế nên khi ta mở rộng phạm vi ứng dụng của mô hình sẽ đến một lúc ta gặp những sự kiện thực nghiệm mới không thể giải thích được bằng mô hình cũ, lúc này ta phải bổ sung, chỉnh lý mô hình cũ cho phù hợp hoặc thậm chí phải bỏ đi để xây dựng một mô hình mới cho một chu trình mới của quá trình nhận thức. Như vậy, chu trình nhận thức khoa học không khép kín mà được mở rộng dần dần, làm giàu thêm kiến thức khoa học và cũng nhờ đó mà con người ngày càng tiếp cận gần hơn với chân lý khách quan. Tương ứng với chu trình sáng tạo khoa học, đối với việc xây dựng một 9 kiến thức vật lí cụ thể thì tiến trình hoạt động giải quyết vấn đề được mô tả như sau:"đề xuất vấn đề - suy đoán giải pháp - khảo sát lí thuyết hoặc thực nghiệm - kiểm tra, vận dụng kết quả". - Đề xuất vấn đề: Từ cái đã biết và nhiệm vụ cần giải quyết nảy sinh nhu cầu về một cái còn chưa biết, về một cách giải quyết không có sẵn, nhưng hi vọng có thể tìm tòi, xây dựng được. Diễn đạt nhu cầu đó thành câu hỏi. - Suy đoán giải pháp: Để giải quyết vấn đề đặt ra, suy đoán điểm xuất phát cho phép đi tìm lời giải: chọn hoặc đề xuất mô hình có thể vận hành được để đi tới cái cần tìm; hoặc phỏng đoán các biến cố thực nghiệm có thể xảy ra mà nhờ đó có thể khảo sát thực nghiệm để xây dựng cái cần tìm. - Khảo sát lí thuyết hoặc thực nghiệm: Vận hành mô hình rút ra kết luận lôgíc về cái cần tìm hoặc thiết kế phương án thực nghiệm, tiến hành thực nghiệm, thu lượm dữ liệu cần thiết và xem xét, rút ra kết luận về cái cần tìm. - Kiểm tra, vận dụng kết quả: xem xét khả năng chấp nhận được của các kết quả tìm được, trên cơ sở vận dụng chúng để giải thích /tiên đoán các sự kiện và xem xét sự phù hợp của lí thuyết và thực nghiệm. Xem xét sự cách biệt giữa kết luận có được nhờ suy luận lí thuyết với kết luận có được từ các dữ liệu thực nghiệm để quy nạp chấp nhận kết quả tìm được khi có sự phù hợp giữa lí thuyết và thực nghiệm, hoặc để xét lại, bổ sung, sửa đổi đối với thực nghiệm hoặc đối với sự xây dựng và vận hành mô hình xuất phát khi chưa có sự phù hợp giữa lí thuyết và thực nghiệm, nhằm tiếp tục tìm tòi xây dựng cái cần tìm. Sự xây dựng tri thức khoa học như trên không phải là công việc chỉ của riêng một nhà khoa học mà là một quá trình mang tính xã hội. Nhận thức của mỗi cá nhân, thành viên xã hội, tiến triển trong sự tương tác xã hội và xung đột xã hội - nhận thức. Kết quả nghiên cứu của mỗi cá nhân nhà khoa học có sự hỗ trợ của người khác. Kết quả đó được thông báo và trải qua sự tranh luận, phản bác, bảo vệ trong cộng đồng các nhà khoa học. Nhờ đó kết quả 10 nghiên cứu được chỉnh lí, bổ sung, hoàn thiện và được cộng đồng khoa học chấp nhận. Trong dạy học vật lí, cần tạo điều kiện cho học sinh trải qua các giai đoạn của các giai đoạn nhận thức theo các nhà khoa học, để học sinh khám phá ra các kiến thức Vật lí, tái tạo lại, biến chúng thành vốn liếng của bản thân mình. Những trải nghiệm đó sẽ là cơ sở để sau này, người học hoàn toàn có thể khám phá ra được những kiến thức mới. Quá trình hoạt động nhận thức Vật lí thường diễn ra những hành động phổ biến sau: - Quan sát hiện tượng Vật lí xảy ra rồi từ đó phân tích nó được thành những hiện tượng đơn giản, xác định các giai đoạn diễn biến của hiện tượng và tìm ra những dấu hiệu đặc trưng, bản chất của sự vật, hiện tượng. - Tìm ra những tính chất chung; mối quan hệ khách quan, phổ biến giữa các sự vật, hiện tượng. - Mô hình hoá những sự kiện quan sát được dưới dạng những khái niệm, những mô hình lý tưởng để sử dụng chúng làm công cụ tư duy. - Đo đạc các đại lượng Vật lí, tìm ra mối quan hệ dưới dạng hàm số giữa các đại lượng Vật lí, biểu diễn bằng công cụ toán học. - Dự đoán diễn biến của một hiện tượng trong những điều kiện thực tế xác định; giải thích một hiện tượng thực tế. - Xây dựng một giả thuyết, từ giả thuyết suy ra hệ quả. - Lập phương án thí nghiệm để kiểm tra giả thuyết (hệ quả). - Tìm những biểu hiện cụ thể trong thực tế của những khái niệm, định luật Vật lí. - Diễn đạt bằng lời những kết quả thu được. Đánh giá kết quả hành động. - Tìm phương pháp chung để giải quyết một loạt các vấn đề tương tự. Cuối cùng, mỗi hành động được thực hiện bằng nhiều thao tác, được sắp xếp theo một trình tự xác định. Ứng với mỗi thao tác trong những điều kiện cụ thể là những phương tiện, công cụ thích hợp. 11