Tài liệu Luận án tiến sĩ xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học các kiến thức về phóng xạ (vật lí lớp 12) theo hướng bồi dưỡng năng lực thực nghiệm của học sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI LÊ ANH ĐỨC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC CÁC KIẾN THỨC VỀ PHÓNG XẠ (VẬT LÍ LỚP 12) THEO HƯỚNG BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC THỰC NGHIỆM CỦA HỌC SINH Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật lí Mã số: 9.14.01.11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HƯNG 2. TS. TRẦN NGỌC CHẤT HÀ NỘI – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI LÊ ANH ĐỨC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC CÁC KIẾN THỨC VỀ PHÓNG XẠ (VẬT LÍ LỚP 12) THEO HƯỚNG BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC THỰC NGHIỆM CỦA HỌC SINH Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật lí Mã số: 9.14.01.11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. NGUYỄN NGỌC HƯNG 2. TS. TRẦN NGỌC CHẤT HÀ NỘI – 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình khoa học nào. Hà Nội, ngày... tháng... năm 2022 Tác giả luận án Lê Anh Đức ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận án, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến Thầy PGS.TS. Nguyễn Ngọc Hưng, Thầy TS. Trần Ngọc Chất đã tận tâm chỉ dạy, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới: Phòng Sau đại học, Ban chủ nhiệm Khoa vật lí, Quý Thầy Cô Tổ Lí luận và Phương pháp Dạy học Bộ môn vật lí - Khoa vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới: Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lí, Tổ Vật lí Hạt nhân trường Đại học Sư phạm Tp.HCM đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu. Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, Quý Thầy Cô và các em học sinh lớp 12 (niên khóa 2020-2021) trường Trung Học Thực hành Đại học Sư phạm Tp.HCM và trường THPT Trần Văn Giàu Tp.HCM, đã hợp tác, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực nghiệm sư phạm. Xin cảm ơn Thầy PGS.TS. Nguyễn Văn Biên đã luôn động viên, giúp đỡ tôi; cảm ơn Th.S Nguyễn Lê Anh đã hỗ trợ tôi; cảm ơn những học trò Quốc B, Minh Duy, Minh Triết... luôn đồng hành và hỗ trợ tôi vô điều kiện. Cảm ơn bạn Lê Hải Mỹ Ngân luôn chia sẻ và động viên tinh thần cùng tiến với tôi. Cảm ơn các anh/ chị NCS đã luôn chia sẻ, đóng góp ý kiến quý báu cho luận án của tôi. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, ngày... tháng... năm 2022 Tác giả luận án Lê Anh Đức iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................vii DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ..........................................................................................ix DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ .......................................................................................xii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài ...................................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 2 4. Giả thuyết khoa học ................................................................................................ 2 5. Các nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................................................ 3 6. Các phương pháp nghiên cứu.................................................................................. 3 7. Những đóng góp của đề tài ..................................................................................... 4 8. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................ 6 1.1. Các nghiên cứu về năng lực............................................................................... 6 1.1.1. Định nghĩa năng lực ...................................................................................... 6 1.1.2. Qui trình xây dựng khung cấu trúc năng lực ................................................ 7 1.1.3. Dạy học bồi dưỡng, phát triển và đánh giá năng lực .................................... 8 1.2. Các nghiên cứu về năng lực thực nghiệm ........................................................ 9 1.2.1. Định nghĩa và cấu trúc năng lực thực nghiệm .............................................. 9 1.2.2. Một số nghiên cứu về xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học, một số nghiên cứu dạy học bồi dưỡng và đánh giá năng lực thực nghiệm ....... 12 1.3. Thiết bị thí nghiệm phóng xạ - các nghiên cứu xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm phóng xạ trên Thế giới .................................................................... 16 iv 1.3.1. Các thiết bị thí nghiệm phóng xạ từ các hãng sản xuất thiết bị thí nghiệm lớn trên Thế giới ................................................................................................... 16 1.3.2. Các nghiên cứu việc xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm phóng xạ trong dạy học ở một số nước trên Thế giới........................................................... 18 1.4. Những vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu ................................................. 19 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM PHÓNG XẠ TRONG DẠY HỌC CÁC KIẾN THỨC VỀ PHÓNG XẠ THEO HƯỚNG BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC THỰC NGHIỆM CỦA HỌC SINH ............................................................ 20 2.1. Năng lực thực nghiệm ...................................................................................... 20 2.1.1. Định nghĩa năng lực thực nghiệm............................................................... 20 2.1.2. Cấu trúc năng lực thực nghiệm ................................................................... 20 2.1.3. Các mức độ của các chỉ số hành vi năng lực thực nghiệm ......................... 24 2.2. Thực trạng dạy học một số kiến thức về phóng xạ ở các trường THPT và các quan niệm về phóng xạ của HS, SV ở Việt Nam ................................... 25 2.2.1. Phương pháp dạy học và thực trạng thiết bị thí nghiệm để dạy học một số kiến thức về phóng xạ ở các trường THPT Việt Nam ..................................... 25 2.2.2. Quan niệm sai về phóng xạ của HS, SV Việt Nam .................................... 27 2.3. Xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm thực tập trong dạy học vật lí ..... 29 2.3.1. Vai trò và sự cần thiết của thí nghiệm ........................................................ 29 2.3.2. Chức năng và hiệu quả giáo dục của TBTN thực tập trong DH vật lí ....... 30 2.3.3. Các yêu cầu đối với thiết bị thí nghiệm thực tập vật lí ............................... 31 2.3.4. Quy trình xây dựng thiết bị thí nghiệm thực tập vật lí ............................... 32 2.3.5. Quy trình sử dụng thiết bị thí nghiệm thực tập vật lí.................................. 33 2.3.6. Các kiểu hướng dẫn HS trong quá trình xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm thực tập ...................................................................................................... 34 2.4. Xây dựng và sử dụng TBTN thực tập trong tiến trình dạy học GQVĐ ..... 35 2.4.1. Tiến trình xây dựng kiến thức vật lí theo tiến trình GQVĐ ....................... 35 v 2.4.2. Tiến trình nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật của vật lí theo triến trình GQVĐ ................................................................................................................... 38 2.5. Các biện pháp bồi dưỡng năng lực thực nghiệm của HS trong dạy học vật lí ......... 39 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ........................................................................................ 41 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC CÁC KIẾN THỨC VỀ PHÓNG XẠ ................................. 42 3.1. Phân tích mục tiêu dạy học các kiến thức về phóng xạ, vật lí lớp 12 .......... 42 3.2. Nội dung các kiến thức về phóng xạ và các thí nghiệm về phóng xạ cần được tiến hành trong dạy học ở chương trình vật lí lớp 12 ................................ 43 3.2.1. Nội dung các kiến thức về phóng xạ .......................................................... 43 3.2.2. Đặc điểm của các kiến thức phóng xạ và các thí nghiệm về phóng xạ cần được tiến hành ................................................................................................ 45 3.3. Xây dựng các thiết bị thí nghiệm về phóng xạ .............................................. 45 3.3.1. Sự cần thiết phải xây dựng các TBTN về phóng xạ ................................... 45 3.3.2. Nguồn phóng xạ và mức độ an toàn ........................................................... 46 3.3.3. Buồng sương sử dụng đá khô ..................................................................... 48 3.3.4. Buồng sương sử dụng chip Peltier .............................................................. 51 3.3.5. TBTN phát hiện tia phóng xạ alpha, beta nhờ tia lửa điện ......................... 54 3.3.6. Đầu dò sử dụng ống đếm khí Geiger- Müller ............................................. 58 3.3.7. Hệ đầu dò điều khiển tự động từ xa qua Wifi............................................. 72 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ........................................................................................ 74 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY HỌC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ PHÓNG XẠ THEO HƯỚNG BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC THỰC NGHIỆM CỦA HỌC SINH LỚP 12 ................................. 75 4.1. Mục tiêu bồi dưỡng năng lực thự nghiệm của HS qua các tiến trình dạy học phóng xạ ............................................................................................................ 75 4.2. Soạn thảo tiến trình dạy học kiến thức “Hiện tượng phóng xạ – Các loại tia phóng xạ” ............................................................................................................ 78 4.2.1. Tiến trình xây dựng kiến thức “Hiện tượng phóng xạ – Các loại tia phóng xạ” .... 78 vi 4.2.2. Tiến trình dạy học cụ thể kiến thức “Hiện tượng phóng xạ – Các loại tia phóng xạ” .............................................................................................................. 82 4.3. Soạn thảo tiến trình dạy học kiến thức “Định luật phóng xạ” .................... 91 4.3.1. Tiến trình xây dựng kiến thức “Định luật phóng xạ” ................................. 91 4.3.2. Tiến trình dạy học cụ thể kiến thức “Định luật phóng xạ” ......................... 94 4.4. Soạn thảo tiến trình dạy học ƯDKT “Thiết bị kĩ thuật sử dụng tia  để phát hiện khuyết tật trong vật liệu” ...................................................................... 98 4.4.1. Tiến trình nghiên cứu ƯDKT “Thiết bị kĩ thuật sử dụng tia  để phát hiện khuyết tật trong vật liệu” .............................................................................. 99 4.4.2. Tiến trình dạy học cụ thể ƯDKT “Thiết bị kĩ thuật sử dụng tia  để phát hiện khuyết tật trong vật liệu” ............................................................................ 102 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ...................................................................................... 105 CHƯƠNG 5. THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM ........................................................ 107 5.1. Mục đích và nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm ............................................. 107 5.1.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm. .............................................................. 107 5.1.2. Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm ............................................................... 107 5.2. Tiến hành thực nghiệm sư phạm .................................................................. 107 5.2.1. Chọn đối tượng, địa bàn thực nghiệm sư phạm ........................................ 107 5.2.2. Kế hoạch thực nghiệm sư phạm ............................................................... 109 5.2.3. Phương pháp thu thập và xử lí số liệu thực nghiệm ................................. 111 5.3. Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm ...................................................... 111 5.3.1. Phân tích định tính .................................................................................... 111 5.3.2. Đánh giá định lượng ................................................................................. 130 5.3.3. Đánh giá tính khả thi của các thiết bị thí nghiệm phóng xạ ..................... 135 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 ...................................................................................... 136 KẾT LUẬN CHUNG VÀ ĐỀ XUẤT .................................................................. 137 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ ............... 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 140 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 1.PL vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ viết đầy đủ 1 DH Dạy học 2 GQVĐ Giải quyết vấn đề 3 GV Giáo viên 4 HS Học sinh 5 SV Sinh viên 6 NL Năng lực 7 ThN Thực nghiệm 8 NLThN Năng lực thực nghiệm 9 CSHV Chỉ số hành vi 10 TN Thí nghiệm 11 TBTN Thiết bị thí nghiệm 12 Tp.HCM Thành phố Hồ Chí Minh 13 ThNSP Thực nghiệm sư phạm 14 THPT Trung học phổ thông 15 ƯDKT Ứng dụng kĩ thuật 16 HN Hạt nhân 17 PX Phóng xạ 18 HĐ Hoạt động 19 SGK Sách giáo khoa 20 TBKT Thiết bị kĩ thuật 21 NTHĐ Nguyên tắc hoạt động 22 G-M Geiger- Müller 23 GDPT Giáo dục phổ thông Thứ tự viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Cấu trúc năng lực thực nghiệm .................................................................21 Bảng 3.1. Các yêu cầu cần đạt về nội dung kiến thức phần Vật lí HN và phóng xạ 42 Bảng 3.2. Phân loại và đặc điểm của các loại tia PX ................................................44 Bảng 3.3. Các thiết bị cần thiết để chế tạo đầu dò sử dụng ống đếm G-M...............59 Bảng 4.1. Bồi dưỡng NLThN qua việc dạy học từng nội dung kiến thức phóng xạ 75 Bảng 5.1. Kế hoạch thực nghiệm sư phạm .............................................................109 ix DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu trúc khung năng lực [9], [12] ...........................................................8 Hình 1.2. Qui trình dạy học TN mở để bồi dưỡng NLThN [35] ...........................14 Hình 1.3. Nguồn PX alpha-beta, gamma [43] có hoạt độ thấp. ...........................17 Hình 1.4. Đá tự nhiên có PX alpha-beta (Uranium Ore), được bán trên các trang thương mại điện tử eBay, Amazon ..............................................17 Hình 2.1. Các thành tố của NLThN.......................................................................20 Hình 2.2. Kết quả khảo sát HS về phương tiện và hình thức dạy học các kiến thức PX ở trường THPT mà GV sử dụng..............................................26 Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn sự suy giảm của số hạt nhân PX .................................43 Hình 3.2. Bộ nguồn PX gamma tại Phòng thí nghiệm Hạt nhân, trường Đại học Sư phạm Tp.HCM .................................................................................47 Hình 3.3. Nguyên lý tạo thành vệt sương của các tia PX α, β trong buồng sương. ....48 Hình 3.4. Hình vẽ buồng sương (a) và hình vẽ mặt cắt dọc thiết kế buồng sương sử dụng đá khô (b) .................................................................................49 Hình 3.5. Buồng sương hoàn chỉnh và vệt của tia PX trong buồng sương. ..........50 Hình 3.6. Sò nóng lạnh – chip Peltier....................................................................51 Hình 3.7. Sơ đồ/ (hình vẽ mặt cắt dọc) buồng sương sử dụng chip Peltier...........51 Hình 3.8. Một số bước gia công, chế tạo buồng sương sử dụng chip Peltier........52 Hình 3.9. Thí nghiệm với buồng sương sử dụng chip Peltier ...............................53 Hình 3.10. Bố trí TN để kiểm nghiệm tính đâm xuyên của tia  ............................54 Hình 3.11. Hiệu ứng thác lũ điện tử. .......................................................................55 Hình 3.12. TBTN cao áp đánh lửa hoàn chỉnh ........................................................55 Hình 3.13. Sơ đồ kết nối các bộ phận của cao áp đánh lửa. ....................................56 Hình 3.14. Thí nghiệm kiểm nghiệm tính đâm xuyên của hạt .............................57 Hình 3.15. Sơ đồ cấu tạo của ống đếm G-M. ..........................................................58 Hình 3.16. Các bộ phận của đầu dò sử dụng ống đếm G-M ...................................59 Hình 3.17. Sơ đồ kết nối của đầu dò sử dụng ống đếm G-M. .................................61 x Hình 3.18. Mặt trước và mặt sau của đầu dò sử dụng ống đếm G-M. ....................62 Hình 3.19. Bố trí TN kiểm nghiệm tính ngẫu nhiên của PX ...................................63 Hình 3.20. Đồ thị số lượng xung mà ống đếm G-M ghi nhận được trong cùng một khoảng thời gian dt có sự khác biệt................................................63 Hình 3.21. Các tấm vật liệu (chì, nhôm, nhựa) mỏng. ............................................64 Hình 3.22. Sơ đồ bố trí và tiến hành TN kiểm nghiệm khả năng đâm xuyên của tia β ........................................................................................................64 Hình 3.23. Bố trí thí nghiệm kiểm nghiệm khả năng đâm xuyên của tia γ. ............66 Hình 3.24. Đồ thị sự suy giảm cường độ PX theo bề dày vật liệu che chắn (vật liệu chì) ..................................................................................................67 Hình 3.25. Đồ thị sự suy giảm cường độ PX theo bề dày vật liệu che chắn ...........67 Hình 3.26. Đồ thị hoạt độ PX H suy giảm theo thời gian của nguồn Tc-99m ........69 Hình 3.27. Các thanh sắt có khuyết tật bên trong, các ống có tắc nghẽn bên trong. ...71 Hình 3.28. Bố trí TN sử dụng tia γ phát hiện khuyết tật trong vật liệu. ..................71 Hình 3.29. Hệ thống đầu dò điều khiển từ xa sử dụng ống đếm G-M ....................73 Hình 4.1. Tấm phim ghi lại hình ảnh thanh đồng bị tia PX của Uranium chiếu vào; từ trái sang phải là các nhà vật lí Henri Becquerel, Marie Curie, Pierre Curie. ...........................................................................................81 Hình 4.2. Thiết kế minh hoạ NTHĐ của TBKT phát hiện vị trí khuyết tật bên trong vật liệu ........................................................................................100 Hình 4.3. Hình ảnh khuyết tật bên trong vật liệu đúc và hình ảnh bài báo có đề cập đến các ống dầu bị tắc nghẽn phải tháo ra để tìm vị trí tắc nghẽn. ...101 Hình 5.1. Các buồng sương được gia công và lắp ráp theo thiết kế không chính xác nên không quan sát được vệt của tia PX .......................................113 Hình 5.2. HS gia công, lắp ráp theo thiết kế đã chỉnh sửa và chế tạo thành công buồng sương. .......................................................................................114 Hình 5.3. HS tiến hành TN, chiếu đèn và quan sát vệt của tia PX trong buồng sương. ......................................................................................115 Hình 5.4. HS tìm hiểu và dùng thước kẹp để đo bề dày vật liệu. ........................118 xi Hình 5.5. HS đặt đầu dò và nguồn PX trên giấy có ô ly để xác định và cố định khoảng cách giữa nguồn PX và đầu dò. ..............................................119 Hình 5.6. Các thao tác thay đổi bề dày vật liệu che chắn tia PX γ bằng cách thêm các tấm vật liệu vào. ...................................................................119 Hình 5.7. HS vẽ đồ thị sự suy giảm số đếm theo bề dày vật liệu trên giấy.........121 Hình 5.8. HS làm theo hướng dẫn của GV để vẽ đồ thị và khớp hàm để tìm ra định luật PX. ........................................................................................125 Hình 5.9. HS dùng các quyển sách/ một thanh sắt khác để làm vật kê, sao cho tia PX γ truyền qua ống nhựa/ thanh sắt rồi mới tới đầu dò. ...............128 Hình 5.10. HS phân vùng và đánh dấu vị trí có khuyết tật trên thanh sắt, hoặc vị trí tắc nghẽn trong ống. ........................................................................129 xii DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ Sơ đồ 2.1. Sơ đồ khái quát tiến trình xây dựng kiến thức vật lí mới theo con đường lí thuyết.......................................................................................37 Sơ đồ 2.2. Tiến trình xây dựng kiến thức vật lí mới theo kiểu tìm hiểu lịch sử hình thành kiến thức vật lí .....................................................................38 Sơ đồ 2.3. Tiến trình DH ƯDKT của vật lí theo con đường 1 ...............................39 1 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Giáo dục phổ thông (GDPT) ở Việt Nam đang diễn ra sự thay đổi. Thay vì chủ yếu theo tiếp cận nội dung, Chương trình GDPT được thực hiện từ năm 2018 có mục tiêu là hình thành, phát triển những phẩm chất và các năng lực cần thiết để học sinh (HS) trở thành người lao động thích nghi được với hoàn cảnh sống, học tập và làm việc luôn biến đổi [1]. Trong bộ môn vật lí nói riêng và các môn khoa học khác nói chung, khi tổ chức các hoạt động (HĐ) dạy học (DH), người giáo viên (GV) phải chú trọng việc bồi dưỡng cho HS các năng lực (NL) đặc thù của bộ môn, đặc biệt là năng lực thực nghiệm (NLThN). HS có NLThN thì sẽ có khả năng để thực hiện thành công nhiệm vụ thực nghiệm (ThN) trong quá trình học tập hay lao động sau này. Để có thể bồi dưỡng NLThN của HS, đồng thời nâng cao hiệu quả DH kiến thức thì một trong những biện pháp hữu hiệu là sử dụng các thí nghiệm (TN) và lựa chọn các phương pháp DH thích hợp trong quá trình tổ chức các HĐ nhận thức. Bên cạnh đó, để hình thành và phát triển tất cả các thành tố của NLThN, không chỉ tổ chức cho HS tiến hành các TN với các TBTN có sẵn, mà cần tổ chức, hướng dẫn cho HS nghiên cứu thiết kế, chế tạo và sử dụng các TBTN khi xây dựng và vận dụng kiến thức. Trong chương trình vật lí THPT ở nước ta, các kiến thức về cơ học, điện từ học, nhiệt học và quang học… đã được kiểm nghiệm và minh họa bằng TN rất trực quan. Danh mục các TN tối thiểu trong chương trình vật lí lớp 12 có các bộ thiết bị thí nghiệm (TBTN) dao động cơ học; đo vận tốc truyền âm, sóng cơ, giao thoa sóng, sóng dừng; bộ TBTN mạch điện xoay chiều, máy biến áp, máy phát điên ba pha; bộ TBTN quang phổ, giao thoa ánh sáng; bộ TBTN về hiện tượng quang điện ngoài [2]… Tuy nhiên không có TN nào được sử dụng trong dạy học các kiến thức liên quan đến phóng xạ HN. Phương pháp DH phần này chủ yếu là thông báo – tiếp nhận [3]. GV thông báo, giảng dạy các nội dung kiến thức, HS tiếp nhận và sau đó vận dụng các kiến thức này vào việc giải bài tập. Theo chúng tôi, HS cần phải có các TN để học khoa học, vì trong dạy học, các kiến 2 thức khoa học phải được xây dựng qua khảo sát, kiểm nghiệm hay minh hoạ một cách trực quan nhất. TN có vai trò rất quan trọng trong giáo dục và nghiên cứu vật lí cho nên vật lí được nhắc đến như là một môn khoa học thực nghiệm. TN có rất nhiều chức năng, có thể sử dụng trong tất cả các giai đoạn của quá trình DH. Bên cạnh đó, TN có thể là công cụ để vận dụng các kiến thức, lý thuyết đã học vào thực tiễn cuộc sống. Cuối cùng, quá trình thiết kế, chế tạo và sử dụng các TBTN phóng xạ (PX) có thể tạo ra nhiều cơ hội để NLThN của HS được bộc lộ và được bồi dưỡng. Xuất phát từ những điều trình bày ở trên, tôi đã chọn đề tài “Xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học các kiến thức về phóng xạ (vật lí lớp 12) theo hướng bồi dưỡng năng lực thực nghiệm của học sinh”. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng (thiết kế, chế tạo hoặc cải tiến) các TBTN phóng xạ và tổ chức dạy học một số kiến thức về phóng xạ (Vật lí lớp 12) với những TBTN đã chế tạo để bồi dưỡng NLThN của HS. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ❖ Đối tượng nghiên cứu của đề tài: - NLThN của HS. - Tiến trình DH GQVĐ nói chung và tiến trình hướng dẫn HS xây dựng và sử dụng TBTN vật lí trong tiến trình DH GQVĐ nói riêng. ❖ Phạm vi nghiên cứu: - Nội dung các kiến thức vật lí về PX trong chương trình vật lí lớp 12 hiện hành và trong chương trình vật lí lớp 12 năm 2018. - Tiến trình DH GQVĐ một số kiến thức về PX và tiến trình hướng dẫn HS xây dựng và sử dụng các TBTN trong học tập những kiến thức này. - Cấu trúc của NLThN trong học tập những kiến thức PX. 4. Giả thuyết khoa học Nếu xây dựng được các TBTN phóng xạ đáp ứng các yêu cầu của TBTN thực tập và sử dụng chúng trong tiến trình dạy học GQVĐ một số kiến thức về phóng xạ (Vật lí 12) thì có thể bồi dưỡng được năng lực thực nghiệm của HS. 3 5. Các nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt được mục đích nghiên cứu đã đề ra, đề tài có các nhiệm vụ nghiên cứu sau: - Nghiên cứu lí luận về DH vật lí bồi dưỡng NL nói chung và NLThN nói riêng, lí luận về việc xây dựng và sử dụng TBTN trong tiến trình DH GQVĐ để từ đó xác định được các yêu cầu về việc xây dựng và sử dụng TBTN trong DH các kiến thức về PX nhằm bồi dưỡng NLThN của HS. - Nghiên cứu chương trình, SGK vật lí 12 hiện hành và chương trình vật lí lớp 12 năm 2018 về PX của hạt nhân nguyên tử để xác định các nội dung kiến thức về PX và các thí nghiệm cần tiến hành trong DH các nội dung này. - Tìm hiểu thực tế việc DH các kiến thức về PX ở lớp 12 gồm: phương pháp dạy của GV, phương pháp học của HS, thực tế TBTN và phương pháp sử dụng TBTN trong dạy học các kiến thức về PX, các khó khăn trong dạy học về PX và những sai lầm phổ biến thường mắc phải của HS. Đây là một trong những cơ sở để xác định các TBTN sẽ xây dựng và các TN cần phải tiến hành với các TBTN này. - Soạn thảo tiến trình DH một số nội dung kiến thức theo tiến trình DH GQVĐ, trong đó có tiến trình hướng dẫn HS xây dựng các TBTN để tiến hành các TN về PX. - Thực nghiệm sư phạm (ThNSP) tiến trình DH các kiến thức đã soạn thảo để sơ bộ đánh giá tính khả thi và hiệu quả bồi dưỡng NLThN của tiến trình DH một số kiến thức về PX nói chung và tiến trình hướng dẫn HS xây dựng, sử dụng TBTN nói riêng. Từ đó chỉnh sửa, bổ sung cho hoàn thiện hơn các tiến trình này. 6. Các phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành các nhiệm vụ trên, những phương pháp nghiên cứu sau đã được sử dụng: - Phương pháp nghiên cứu lí thuyết: nghiên cứu các tài liệu in (sách, báo, tạp chí, luận án, luận văn cao học, chương trình vật lí lớp 12, SGK, SGV, sách báo đề cập đến các TBTN về PX của hạt nhân nguyên tử...) và các thông tin trên internet. - Phương pháp khảo sát thực tế: DH về PX ở các trường THPT ở Việt Nam. 4 - Phương pháp nghiên cứu trong phòng TN: thử nghiệm việc chế tạo các TBTN và tiến hành các TN về PX với các TBTN này. - Phương pháp thực nghiệm sư phạm ở trường THPT để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của các tiến trình DH nói chung và tiến trình hướng dẫn HS xây dựng và sử dụng TBTN về PX nói riêng đối với việc bồi dưỡng NLThN của HS. - Phương pháp thống kê toán học để xử lí các kết quả ThNSP thu được. 7. Những đóng góp của đề tài - Đã đề xuất cấu trúc của NLThN trong trường hợp phải thiết kế, chế tạo TBTN để thực hiện TN. - Đã xây dựng (thiết kế, chế tạo) được 5 TBTN: Buồng sương sử dụng đá khô, buồng sương sử dụng sò nóng lạnh (chip Peltier), thiết bị phát hiện tia PX alpha-beta bằng tia lửa điện, đầu dò sử dụng ống đếm G-M, và hệ đầu dò điều khiển từ xa qua wifi. Các TBTN này dùng để tiến hành các TN: TN kiểm nghiệm tính ngẫu nhiên của sự PX, TN kiểm nghiệm 3 đặc điểm của tia , TN kiểm nghiệm khả năng đâm xuyên của tia , TN kiểm nghiệm khả năng đâm xuyên của tia , TN kiểm nghiệm nội dung định luật PX và TN minh hoạ nguyên tắc hoạt động của thiết bị kĩ thuật sử dụng tia γ để phát hiện vị trí khuyết tật trong vật liệu/ vị trí tắc nghẽn trong đường ống. - Soạn thảo 3 tiến trình DH các kiến thức về PX (Vật lí 12) theo tiến trình DH GQVĐ, trong đó có tiến trình hướng dẫn HS xây dựng và sử dụng các TBTN PX nhằm bồi dưỡng NLThN của HS. - Vận dụng cấu trúc chung của NLThN đã đề xuất để xác định mục tiêu bồi dưỡng các hành vi của NLThN của HS khi nghiên cứu từng nội dung kiến thức về PX và xây dựng rubric đánh giá NLThN tương ứng. Từng tiến trình DH, trong đó có tiến trình hướng dẫn HS xây dựng và sử dụng TBTN đã được ThNSP, bước đầu khẳng định được tính khả thi và hiệu quả đối với việc bồi dưỡng NLThN của HS. 5 8. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 5 chương: Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lí luận và thực tiễn của việc xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm phóng xạ trong dạy học các kiến thức về phóng xạ theo hướng bồi dưỡng năng lực thực nghiệm của học sinh Chương 3: Xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học các kiến thức về phóng xạ Chương 4: Thiết kế tiến trình dạy học GQVĐ một số kiến thức về phóng xạ theo hướng bồi dưỡng năng lực thực nghiệm của học sinh Chương 5: Thực nghiệm sư phạm 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Các nghiên cứu về năng lực 1.1.1. Định nghĩa năng lực Hầu hết các định nghĩa về năng lực (NL) đều xem NL là sự kết hợp của kiến thức, kĩ năng cơ bản với thái độ (tình cảm, giá trị, động cơ cá nhân...) [4]. + Theo Bloom và cộng sự: “Kiến thức được định nghĩa là một cái gì đó đã được biết và lưu trữ trong tâm trí, còn NL bao gồm việc ứng dụng những kiến thức như vậy” [5]. + Weinert [6] định nghĩa “NL là những khả năng và kỹ xảo học được hoặc sẵn có của cá thể nhằm giải quyết các tình huống xác định, cũng như sự sẵn sàng về động cơ và khả năng vận dụng các cách giải quyết vấn đề một cách hiệu quả, trách nhiệm trong những tình huống linh hoạt”. + Theo từ điển Tiếng Việt của Hoàng Phê [7]: “NL là khả năng, theo điều kiện chủ quan hoặc tự nhiên sẵn có để thực hiện một hoạt động nào đó, là phẩm chất tâm lí tạo cho con người khả năng hoàn thành một hoạt động nào đó với chất lượng cao”. + NL là kết quả của việc “huy động tổng hợp các kiến thức, kĩ năng và các thuộc tính cá nhân khác” nhưng không phải chính “sự huy động” ấy [4]. Các định nghĩa NL ở trên chưa đề cập đến bối cảnh cụ thể, mức độ của các hành vi NL và sự phát triển của NL của học sinh khi được đặt vào trong một hoàn cảnh cụ thể. Định nghĩa NL của Rychen và Salganik, Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế OECD (Organization for Economic Cooperation and Development): “NL liên quan đến khả năng đáp ứng nhu cầu phức tạp, bằng cách huy động nguồn lực tâm lý xã hội (bao gồm cả kỹ năng và thái độ) trong một bối cảnh cụ thể” [8]. Cũng đề cập đến khả năng thực hiện một nhiệm vụ trong một bối cảnh cụ thể, Griffin đưa ra định nghĩa sau: “Năng lực là một đặc điểm tiềm ẩn xác định khả năng của một người để thực hiện các nhiệm vụ và thể hiện các kỹ năng. Năng lực là một thuộc tính cá nhân tiềm ẩn mà chỉ có thể được