Tài liệu Sử dụng lí thuyết sáng tạo và các biện pháp phát triển năng lực sáng tạo trong dạy học vật lí khi nghiên cứu đề tài các định luật bảo toàn vật lí 10 trung học phổ thông (lv02382)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 ====== NGUYỄN THỊ DUY SỬ DỤNG LÍ THUYẾT SÁNG TẠO VÀ CÁC BIỆN PHÁP PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC SÁNG TẠO TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ KHI NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” VẬT LÍ 10 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Chuyên ngành: Lí luận và Phƣơng pháp dạy học bộ môn Vật lí Mã số: 60 14 01 11 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học PGS. TS. TẠ TRI PHƢƠNG HÀ NỘI, 2017 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên của luận văn tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới thầy giáo hƣớng dẫn PGS - TS Tạ Tri Phƣơng, ngƣời đã định hƣớng chọn đề tài và tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm và hoàn thiện luận văn. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo và các em học sinh trƣờng THPT Lê Văn Thịnh đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn cổ vũ, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Hà Nội, tháng 09 năm 2017 Tác giả Nguyễn Thị Duy LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số liệu, các kết quả nêu trong luận văn là trung thực, khách quan và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kì công trình khoa học nào. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc ghi rõ nguồn gốc. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Duy MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài ............................................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................................... 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 3 4. Giả thuyết khoa học ....................................................................................................... 3 5. Nhiệm vụ nghiên cứu ..................................................................................................... 3 6. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................... 3 7. Dự kiến đóng góp của đề tài .......................................................................................... 4 8. Cấu trúc của đề tài ......................................................................................................... 4 CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA VIỆC BỒI DƢỠNG NĂNG LỰC SÁNG TẠO CHO HỌC SINH TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ ..................................... 5 1.1. Sáng tạo trong nghiên cứu các khoa học tự nhiên ...................................................... 5 1.1.1. Nghiên cứu khoa học(NCKH) là hoạt động sáng tạo .......................................... 5 1.1.2. Cơ chế sáng tạo khoa học .................................................................................... 7 1.1.3. Tư duy sáng tạo.................................................................................................. 13 1.2. Dạy học sáng tạo ....................................................................................................... 15 1.2.1. Sự tương đồng và khác biệt giữa sáng tạo của nhà nghiên cứu và sáng tạo của học sinh. ....................................................................................................................... 16 1.2.2. Bồi dưỡng năng lực sáng tạo (NLST) trong dạy học vật lí. ............................... 17 1.3. Những nội dung của lí thuyết “Sáng tạo” và “Dạy học sáng tạo” sử dụng trong dạy học đề tài: “Các định luật bảo toàn” Vật lí 10 THPT ...................................................... 22 1.3.1. Sử dụng các bài tập sáng tạo( BTST) nhằm hình thành và khuyến khích các ý tưởng sáng tạo ............................................................................................................. 22 1.3.2. Sử dụng nguyên lí về tính chu trình để hình thành cho học sinh cơ chế sáng tạo. ..................................................................................................................................... 24 1.3.3. Sử dụng dạy học GQVĐ để luyện tập phỏng đoán, xây dựng giả thuyết, đề xuất các phương án kiểm tra giả thuyết .............................................................................. 30 1.4. Thực trạng của việc vận dụng lí thuyết sáng tạo trong dạy học vật lí ở trƣờng phổ thông ................................................................................................................................ 32 Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................................ 34 CHƢƠNG 2. SỬ DỤNG LÍ THUYẾT SÁNG TẠO TRONG DẠY HỌC ĐỀ TÀI ''CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN''- VẬT LÍ 10 THPT ................................................................. 35 2.1. Phân tích cấu trúc, cấu trúc logic và nội dung đề tài ''Các định luật bảo toàn''- Vật lí 10 THPT .......................................................................................................................... 35 2.1.1. Vai trò của hệ thống kiến thức của đề tài .......................................................... 36 2.1.2. Động lượng và ĐLBT động lượng ..................................................................... 37 2.1.3. Định luật bảo toàn năng lượng. ......................................................................... 40 2.2. Sử dụng nguyên lí về tính chu trình để thiết kế tiến trình dạy học của một số kiến thức trong đề tài ''Các định luật bảo toàn''- Vật lí 10 THPT ............................................ 43 2.3. Xây dựng và sử dụng một số bài toán mang đặc trƣng sáng tạo của đề tài “Các định luật bảo toàn” – Vật lý 10 THPT ..................................................................................... 60 Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................................ 67 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM ........................................................................ 68 3.1. Xây dựng các tiêu chuẩn và tiêu chí đánh giá năng lực sáng tạo ............................. 68 3.1.1. Đánh giá năng lực ............................................................................................. 68 3.1.2. Đánh giá năng lực sáng tạo ............................................................................... 69 3.2. Tiến hành thực nghiệm sƣ phạm ............................................................................... 72 3.2.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm ......................................................................... 72 3.2.2. Nhiệm vụ của thực nghiệm sư phạm . .............................................................. 72 3.2.3. Đối tượng thực nghiệm sư phạm........................................................................ 73 3.2.4. Phương pháp thực nghiệm sư phạm. ................................................................. 74 3.3. Kết quả thực nghiệm sƣ phạm .................................................................................. 75 3.3.1. Phân tích định tính ............................................................................................. 75 3.3.2. Phân tích định lượng ......................................................................................... 78 Kết luận chƣơng 3 ................................................................................................................ 84 KẾT LUẬN CHUNG .......................................................................................................... 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 87 PHỤ LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ 1 NCKH Nghiên cứu khoa học 2 NLST Năng lực sáng tạo 3 THPT Trung học phổ thông 4 BTST Bài tập sáng tạo 5 GQVĐ Giải quyết vấn đề 6 HS Học sinh 7 GV Giáo viên 8 SGK Sách giáo khoa 9 ĐLBT Định luật bảo toàn 10 TNo Thí nghiệm 11 BTXP Bài tập xuất phát 12 TNg Thực nghiệm 13 ĐC Đối chứng 14 TNSP Thực nghiệm sƣ phạm DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Thống kê kết quả học tập của HS lớp TNg và ĐC trƣớc TNSP .... 73 Bảng 3.2. Phân bố tần suất lũy tích trƣớc TNSP ............................................ 73 Bảng 3.3: Kết quả đánh giá của GV về sự phát triển năng lực sáng tạo của HS qua phiếu kiểm tra và quan sát. .......................................... 79 Bảng 3.4. Thống kê kết quả học tập của HS lớp TNg và ĐC sau TNSP. ....... 80 Bảng 3.5 Bảng phân bố tần suất sau TNSP .................................................... 80 Bảng 3.6 Phân bố tần suất lũy tích sau TNSP ................................................. 80 Bảng 3.7. Các tham số thống kê...................................................................... 82 Bảng 3.8. Kết quả kiểm nghiệm giả thuyết E0 ................................................ 82 Bảng 3.9. Kết quả kiểm nghiệm giả thuyết H0................................................ 82 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 ............................................................................................................................. 9 Hình 1.2: Chu trình sáng tạo khoa học ...................................................................... 11 Hình 1.3 ........................................................................................................................... 12 Hình 1.5 ........................................................................................................................... 26 Hình 1.4 ........................................................................................................................... 26 Hình 1.6 ........................................................................................................................... 26 Hình 1.7. Các giai đoạn hoạt động nhận thức của học sinh trong quá trình hoạt động học tập vật lí ..................................................................... 28 Hình 3.1. Đồ thị tích lũy hội tụ trƣớc TNSP ............................................................ 74 Hình 3.2. Biểu đồ phân phối tần suất sau TNSP ..................................................... 80 Hình 3.3. Đồ thị tích lũy hội tụ sau TNSP ................................................................ 81 1 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài 1.1 Nhân loại đã bƣớc sang thế kỉ XXI, thế giới gọi đây là kỉ nguyên của kinh tế dựa vào kĩ năng. Năng lực của con ngƣời đƣợc đánh giá trên cả ba yếu tố: Kiến thức, kĩ năng và thái độ. Trong đó, sản phẩm của giáo dục là năng lực và chất lƣợng nguồn nhân lực tƣơng lai của một đất nƣớc. Đứng trƣớc tình hình đó tổ chức UNESCO đã đề ra chiến lƣợc giáo dục mới với 4 mục đích học tập: Học để biết, học để làm, học để cùng chung sống và học để làm ngƣời. Nổi bật lên vấn đề là cần thay đổi trật tự ƣu tiên từ kiến thức, kĩ năng của thế kỉ trƣớc thành trật tự mới: Năng lực - thái độ, kĩ năng, kiến thức 2. Sự thay đổi trật tự này sẽ góp phần giải quyết mâu thuẫn giữa sự bùng nổ tri thức của nhân loại với thời gian đào tạo có giới hạn. 1.2 Chúng ta là một thành viên của UNESCO, đang từng bƣớc hội nhập với quốc tế, cùng các nƣớc bƣớc vào thế kỉ XXI với mục tiêu trở thành một nƣớc công nghiệp hiện đại. Nên cần một nguồn nhân lực chất lƣợng cao nghĩa là đang rất cần một nền giáo dục có chất lƣợng thực sự. Việt Nam đã nhìn thấy rõ tính cấp thiết của các yêu cầu trên. Trong khi ra nhập WTO, chúng ta chấp nhận sự cạnh tranh quyết liệt trong nền kinh tế thế giới. Trong điều kiện này, Việt Nam cũng đã sớm xác định yếu tố quan trọng nhất, quyết định sự thành công không phải là vốn liếng, tài sản, tài nguyên (vì nƣớc ta rất hạn chế về vấn đề này) mà phải là yếu tố con ngƣời, hơn lúc nào hết, xã hội rất cần những con ngƣời có năng lực. Trƣớc tình hình đó, Đảng ta đƣa ra đƣờng lối đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục, đào tạo, phát triển nguồn nhân lực, xác định đây là một kế sách, quốc sách hàng đầu, tiêu điểm của sự phát triển, mang tính đột phá, khai mở con đƣờng phát triển nguồn nhân lực Việt Nam trong thế kỷ XXI, khẳng định triết lí nhân sinh mới của nền giáo dục nƣớc nhà. Trong đó tinh thần chủ đạo là: ''Đổi mới phƣơng pháp giáo dục và đào 2 tạo, khắc phục lối truyền thụ một chiều, rèn luyện nếp tƣ duy sáng tạo của ngƣời học...'' và ''...đào tạo theo hƣớng coi trọng phát triển phẩm chất, năng lực của ngƣời học'' [4]. 1.3 Khái niệm ''năng lực'' là tổ hợp của nhiều khả năng của con ngƣời đƣợc bộc lộ trong khi hành động, trong đó năng lực sáng tạo đƣợc coi trọng hàng đầu. Đã có nhiều các nghiên cứu về bồi dƣỡng năng lực cho học sinh trong dạy học vật lí nhƣ: Sử dụng các phƣơng pháp dạy học hiện đại, các kĩ thuật dạy học tiên tiến mang lại hiệu quả cao cho việc phát triển tƣ duy sáng tạo; Sử dụng các bài tập vật lí mang đặc trƣng sáng tạo... Tuy nhiên việc nghiên cứu để sử dụng đồng bộ các nội hàm của lí thuyết sáng tạo vào dạy học vẫn chƣa đƣợc chú ý thỏa đáng. 1.4 Tƣ tƣởng về sự bảo toàn là một tƣ tƣởng quan trọng, xuyên suốt toàn bộ chƣơng trình vật lí phổ thông. Trong quá trình phát triển khoa học vật lí, việc ra đời các định luật bảo toàn là một sáng tạo khoa học đặc biệt, là một bƣớc ngoặt lịch sử để cho môn khoa học này phát triển rực rỡ nhƣ ngày nay. Nhiều khái niệm và định luật cơ bản đƣợc nghiên cứu ở đề tài này là các cơ sở khoa học quan trọng cho các ngành năng lƣợng học, cơ giới học, nghiên cứu hàng không và nghiên cứu vũ trụ. Rất nhiều những kĩ thuật và công nghệ thể hiện sự sáng tạo không có giới hạn của nhân loại sẽ đƣợc học sinh tiếp nhận. Xuất phát từ những phân tích trên, chúng tôi lựa chọn đề tài: Sử dụng lí thuyết sáng tạo và các biện pháp phát triển năng lực sáng tạo trong dạy học vật lí khi nghiên cứu đề tài ''Các định luật bảo toàn'' Vật lí 10 Trung học phổ thông. 2. Mục đích nghiên cứu - Phân tích những nội dung cơ bản của lí thuyết sáng tạo và sự sáng tạo trong dạy học vật lí. 3 - Sử dụng những nội dung đó vào dạy học đề tài '' Các định luật bảo toàn''- Vật lí 10 THPT. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài Hoạt động dạy và học trong quá trình nghiên cứu đề tài '' Các định luật bảo toàn''- Vật lí 10 THPT. 3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài Kiến thức chƣơng '' Các định luật bảo toàn''- Vật lí 10 THPT. 4. Giả thuyết khoa học Việc sử dụng có chọn lọc với các mục đích chuyên biệt của các nội dung của lí thuyết sáng tạo; Sự tăng dần các mức độ yêu cầu về phát triển năng lực sáng tạo sẽ đảm bảo tính hiệu quả, khả thi cho việc hình thành và phát triển năng lực sáng tạo cho học sinh trong dạy học Vật lí. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu 5.1 Phân tích làm xuất hiện những thành tố quan trọng nhất của lí thuyết sáng tạo và sáng tạo trong dạy học vật lí. 5.2 Sử dụng những thành tố đó vào dạy học đề tài '' Các định luật bảo toàn''- Vật lí 10 THPT. 5.3 Xây dựng các tiêu chuẩn, các tiêu chí để đánh giá năng lực sáng tạo của học sinh trong quá trình nghiên cứu vật lí. 5.4 Thực nghiệm sƣ phạm nhằm kiểm chứng giả thuyết khoa học của đề tài. 6. Phƣơng pháp nghiên cứu 6.1 Phƣơng pháp nghiên cứu lí luận về lí thuyết sáng tạo và sáng tạo trong dạy học vật lí. 6.2 Phƣơng pháp nghiên cứu thực tiễn: 4 Điều tra thực tiễn về việc vận dụng lí thuyết sáng tạo vào dạy học tại trƣờng THPT 6.3 Thực nghiệm sƣ phạm. 7. Đóng góp của đề tài 7.1 Về mặt lí luận - Khái quát hóa những nội hàm của ''Sáng tạo''; ''Sáng tạo trong dạy học''. - Xây dựng quy trình sử dụng các thành tố của ''Sáng tạo'' và '' Dạy học sáng tạo''. 7.2 Về thực tiễn - Thiết kế một số bài giảng trong đó thể hiện các thành tố của ''Sáng tạo'' và '' Dạy học sáng tạo''. - Xây dựng một số bài toán sáng tạo. 8. Cấu trúc của đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục. Nội dung chính của đề tài gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1. Cơ sở lí luận và thực tiễn của việc bồi dƣỡng năng lực sáng tạo cho học sinh trong dạy học vật lí Chƣơng 2. Sử dụng lí thuyết sáng tạo trong dạy học đề tài '' Các định luật bảo toàn''- Vật lí 10 THPT Chƣơng 3. Thực nghiệm sƣ phạm 5 CHƢƠNG 1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA VIỆC BỒI DƢỠNG NĂNG LỰC SÁNG TẠO CHO HỌC SINH TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 1.1. Sáng tạo trong nghiên cứu các khoa học tự nhiên 1.1.1. Nghiên cứu khoa học(NCKH) là hoạt động sáng tạo Để có thể đƣa ra điều khẳng định này cần thiết phải phân tích (một cách khái quát nhất) khái niệm ''nghiên cứu của khoa học''. * Khái niệm khoa học Hiện nay có rất nhiều cách hiểu về khái niệm khoa học xuất phát từ nhiều cách tiếp cận khác nhau. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng định nghĩa mà tổ chức Giáo dục, Khoa học và văn hóa của Liên Hợp Quốc (UNESCO) sử dụng trong các văn kiện chính thức và đƣợc thừa nhận chung trong giới nghiên cứu trên thế giới: ''Khoa học là hệ thống tri thức về mọi loại quy luật của vật chất và sự vận động của vật chất, những quy luật của tự nhiên, xã hội, tư duy'' [UNESCO, Paris 1961]. * Nghiên cứu khoa học. Tƣơng tự nhƣ khái niệm khoa học, có rất nhiều các định nghĩa khác nhau về NCKH. Trong luận văn, chúng tôi sử dụng các định nghĩa có liên quan trực tiếp đến bản chất của NCKH. - Định nghĩa 1: NCKH là sự phát hiện bản chất sự vật, phát triển nhận thức khoa học về thế giới, hoặc sáng tạo ra phƣơng pháp mới và phƣơng tiện kĩ thuật mới để biến đổi sự vật phục vụ cho mục tiêu hoạt động của con ngƣời. - Định nghĩa 2: NCKH là quá trình hình thành và chứng minh luận điểm khoa học về một sự vật hoặc hiện tƣợng cần khám phá. 6 * Sản phẩm của NCKH Theo những định nghĩa tổng quát nhƣ trên, có thể khẳng định sản phẩm chung nhất của NCKH gồm: 1. Phát minh (Tiếng Anh – discovery) là sự khám phá ra những quy luật, những tính chất hoặc những hiện tƣợng của thế giới vật chất tồn tại một cách khách quan mà trƣớc đó chƣa ai biết, nhờ đó làm thay đổi cơ bản nhận thức của con ngƣời. Ví dụ: Niu tơn phát minh định luật vạn vật hấp dẫn v.v... Phát minh là tìm ra các quy luật khách quan, có ý nghĩa áp dụng trực tiếp vào sản xuất và đời sống. Vì vậy phát minh không có giá trị thƣơng mại, không có khái niệm cấp bằng phát minh và không đƣợc bảo hộ pháp lí [6]. 2. Phát hiện (Tiếng Anh cũng là discovery) là sự khám phá ra những vật thể, những quy luật xã hội đang tồn tại một cách khách quan. Ví dụ: Marie Curie phát hiện nguyên tố phóng xạ radium, Christop Colomb phát hiện ra châu Mĩ v.v… Phát hiện cũng chƣa thể áp dụng trực tiếp, chỉ có thể đƣợc áp dụng thông qua các giải pháp do đó cũng không có giá trị thƣơng mại, không đƣợc cấp bằng và không đƣợc bảo hộ pháp lí. 3. Sáng chế (Tiếng anh – invention) là một giải pháp kĩ thuật mới về nguyên lí kĩ thuật, tính sáng tạo và áp dụng đƣợc ngay. Ví dụ: James watt sáng chế ra máy hơi nƣớc v.v… Vì sáng chế có khả năng áp dụng, nên có ý nghĩa thƣơng mại, đƣợc cấp bằng sáng chế độc quyền, có thể mua bán, đƣợc bảo hộ quyền sở hữu. Trong dạy học nói chung, dạy học vật lí nói riêng, học sinh sẽ đƣợc tiếp cận với cả ba sản phẩm khoa học đặc biệt này (3 thành tựu khoa học đặc biệt). * Kết luận sơ bộ Từ những khái niệm trên, ta có thể rút ra những kết luận quan trọng sau đây: 7 1. Bản chất của NCKH là hoạt động sáng tạo của các nhà khoa học nhằm nhận thức thế giới, tạo ra hệ thống tri thức có giá trị để sử dụng vào cải tạo thế giới [18]. 2. Phƣơng pháp luận về NCKH và hoạt động sáng tạo khoa học có những nội dung điển hình tƣơng đồng nhau: Khái niệm, đặc điểm, cơ chế, thu thập và xử lí thông tin,... 3. Bồi dƣỡng (hình thành và phát triển) NLST cho học sinh trong quá trình dạy học vật lí đồng nghĩa với quá trình hình thành và phát triển năng lực NCKH cho học sinh phổ thông. 1.1.2. Cơ chế sáng tạo khoa học 1.1.2.1. Khái niệm sáng tạo “ Sáng tạo là một hoạt động mà kết quả của nó là một sản phẩm tinh thần hay vật chất có tính cách tân, có ý nghĩa xã hội, có giá trị giúp giải quyết những khó khăn, những bế tắc nhất định…”[14] Trong từ điển Tiếng Việt thì “Sáng tạo là tìm ra cái mới, cách giải quyết mới, không bị gò bó, phụ thuộc vào cái đã có”. Theo lí thuyết về TRIZ [6], để đánh giá một đối tƣợng cho trƣớc có phải là sáng tạo hay không, ngƣời ta sử dụng 5 bƣớc sau: Bƣớc 1: Chọn đối tƣợng tiền thân; Bƣớc 2: So sánh đối tƣợng cho trƣớc với đối tƣợng tiền thân; Bƣớc 3: Tìm tính mới của đối tƣợng cho trƣớc; Bƣớc 4: Trả lời câu hỏi: Tính mới đó đem lại lợi ích gì, trong phạm vi áp dụng nào? Bƣớc 5: Kết luận theo định nghĩa sáng tạo. Ví dụ 1: Để biết hệ mặt trời theo lí thuyết của Côpenic có thật sự “mới” hay không ta có thể so sánh nó với đối tƣợng tiền thân là hệ địa tâm của ptolêmê. Điểm mới của hệ côpenic là chọn mặt trời làm tâm của hệ thống, coi 8 là đứng yên và các hành tinh khác quay xung quanh nó, kể cả trái đất. Điểm mới này đã cho phép giải thích đƣợc chuyển động của rất nhiều các ngôi sao chứ không bị hạn chế nhƣ hệ thống địa tâm. Theo định nghĩa sáng tạo, lí thuyết của Côpenic là sản phẩm của sự sáng tạo. Ví dụ 2: Việc tìm ra định luật bảo toàn động lƣợng là một sáng tạo có tính cách mạng cho nghiên cứu khoa học nếu so sánh nó với các định luật của niuton đã có. Thật vậy, bài toán cơ bản của bộ môn cơ học là xác định vị trí của vật trong sự tƣơng tác của vật với các vật khác xung quanh nó. Các định luật của Niutơn cho phép tính đƣợc lực tác dụng và do đó cho phép tính đƣợc gia tốc trong tƣơng tác ( F  ma ). Việc xác định đƣợc gia tốc lại cho phép tìm đƣợc vận tốc ( a  ( v dv ) và cuối cùng nhờ tìm đƣợc a cho phép tìm đƣợc độ dời dt ds ). Khi đã có độ dời s và dựa vào các điều kiện ban đầu ta hoàn toàn dt xác định đƣợc tọa độ của vật, bài toán cơ bản của cơ học đã đƣợc giải quyết. Tuy nhiên có một loạt sự kiện mới xuất hiện (bài toán), trong đó không cho phép tính toán đƣợc lực tác dụng (trong các va chạm, các vụ nổ). Bài toán cơ bản của cơ học gặp một bế tắc. Định luật bảo toàn động lƣợng cho phép giải quyết bế tắc đó. Sử dụng định luật bảo toàn động lƣợng ta hoàn toàn có thể xác định đƣợc vận tốc của các vật trƣớc và sau va chạm, và nhƣ logic trình bày ở trên, khi đã tính toán đƣợc vận tốc lại có thể xác định đƣợc tọa độ. 1.1.2.2. Cơ chế sáng tạo khoa học tự nhiên. Khi nghiên cứu về lịch sử của sự phát triển của khoa học tự nhiên, ngƣời ta thƣờng đƣa ra 3 cơ chế sáng tạo khoa học. *Cơ chế trực giác. Theo nhà bác học Anbert Anhxtanh thì quá trình sáng tạo khoa học diễn ra theo hình 1.1 9 trực giác S A trực giác lo gic S' S'' E Hình 1.1 - Chúng ta có những dữ liệu E, những dữ liệu trực tiếp của kinh nghiệm cảm tính. - A là những tiên đề mà từ đó rút ra các kết luận. Về mặt tâm lí, A dựa trên cơ sở của E nhƣng không có con đƣờng logic nào để đi từ E đến A, chỉ có mối liên hệ trực giác (khái niệm tâm lí) luôn đƣợc tái diễn. - Từ các tiên đề A có thể rút ra một cách logic những khẳng định bộ phận S với độ chặt chẽ cao bằng logic hay toán học. - Những khẳng định đó đƣợc đối chiếu với E (kiểm tra bằng thí nghiệm). Giai đoạn này cũng sử dụng tới trực giác vì mối quan hệ của các khái niệm chứa trong S đối với các dữ kiện trực tiếp của kinh nghiệm cảm giác E không có tính logic về mặt bản chất. Ví dụ: - Các định luật Newton và cả thuyết tƣơng đối hẹp của Anhxtanh đều dựa trên một loạt các tiên đề, chẳng hạn tính đồng nhất và đẳng hƣớng của không gian, sự tƣơng đƣơng của khối lƣợng quán tính và khối lƣợng hấp dẫn… - Trƣớc khi tìm ra định luật I Newton đã có những dữ liệu trực tiếp của kinh nghiệm cảm tính về chuyển động của các vật và lực tác dụng. Đặc biệt là những tài liệu của Galile và những thí nghiệm vật lí đầu tiên của ông. - Nhiều thế kỉ trƣớc ngƣời ta cho rằng để cho vật chuyển động với vận tốc không đổi cần có sự tác động thƣờng xuyên của các vật thể khác vào vật. Galile làm thí nghiệm về chuyển động của vật trên mặt phẳng nghiêng và nhận thấy: 10 Khi vật chuyển động xuống dƣới, vật chuyển động nhanh dần (có gia tốc). Để giữ cho vật đứng yên cần phải dùng lực. Khi vật đi lên cần phải dùng lực để đẩy nó lên cũng nhƣ giữ nó ở phía trên. Khi hạ dần độ nghiêng của mặt phẳng nghiêng ta thấy vật chuyển động đƣợc quãng đƣờng dài hơn. Từ các tiên đề và các dữ kiện rút ra đƣợc khẳng định bộ phận là: Một vật nếu không có tác dụng của vật khác nó sẽ chuyển động thẳng đều mãi mãi (bằng lôgic). Khi đối chiếu khẳng định đó với dữ liệu E ngƣời ta thƣờng xuyên sử dụng những thí nghiệm tƣơng đƣơng với một mặt nhẵn dài vô tận. Việc sử dụng thí nghiệm trên đệm không khí hiện nay cũng chỉ có giá trị giúp cho việc khái quát hóa đó. * Chu trình sáng tạo khoa học (cơ chế Algorit) V.G.Razumopxki khi khái quát những lời phát biểu của các nhà khoa học nổi tiếng nhƣ: Anbert Anhxtanh, Plank, Boocno, Kapitta… đã đề ra chu trình sáng tạo khoa học gồm bốn giai đoạn (sơ đồ 1.2). Từ việc khái hóa những sự kiện đi đến xây dựng mô hình trừu tƣợng của hiện tƣợng (đề xuất giả thuyết); từ mô hình dẫn đến việc rút ra các hệ quả lí thuyết; từ việc rút ra các hệ quả dẫn đến sự kiểm tra chúng bằng thực nghiệm. Nếu thực nghiệm xác nhận các hệ quả suy ra một cách lôgic từ mô hình giả thuyết là đúng thì trở thành lí thuyết. Ngƣợc lại, chƣa đúng thì phải xem lại mô hình giả thuyết, điều chỉnh lại cho phù hợp. Hình 1.2 diễn tả chu trình sáng tạo khoa học (cơ chế Algorit) gồm 4 giai đoạn. 11 Mô hình giả định trừu tƣợng Những sự kiện khởi đầu Các hệ quả logic Thực nghiệm kiểm chứng Hình 1.2: Chu trình sáng tạo khoa học Ta thấy chu trình bắt đầu bằng việc lựa chọn một nhóm những sự kiện, sau đó đề ra giả thuyết về tính tổng quát của chúng, nó cho phép nhìn thấy trƣớc (tiên đoán) những sự kiện khác chƣa biết. Trong rất nhiều trƣờng hợp, không thể kiểm tra trực tiếp đƣợc giả thuyết đó. Do đó cần đề xuất các hệ quả cho phép kiểm tra đƣợc. Nếu hệ quả khẳng định bằng thực nghiệm thì mô hình trừu tƣợng đƣợc chấp nhận làm cơ sở cho lí thuyết đó. Nếu lại xuất hiện các sự kiện, hiện tƣợng không nằm trong khuôn khổ của lí thuyết đó thì lại phải xây dựng một mô hình trừu tƣợng (giả thuyết khoa học) mới… Do đó chúng ta lại có một chu trình thứ hai, thứ ba…( đƣợc biểu diễn bằng các đƣờng nét đứt trong hình 1.2). Trong các giai đoạn của chu trình đều cần đến sự sáng tạo nhƣng có hai giai đoạn đòi hỏi sự sáng tạo cao nhất là đƣa ra mô hình giả thuyết trừu tƣợng và đƣa ra các phƣơng án thực nghiệm để kiểm chứng vì ở đây không thể dùng tƣ duy lôgic mà nhờ trực giác khoa học.Việc tìm ra định luật rơi tự do (Hình 12 1.3) là một ví dụ điển hình của cơ chế này [12] Sự kiện ban đầu Các vật khác nhau rơi chạm đất đồng thời (tháp nghiêng) Mô hình giả thuyết Sự rơi là chuyển động nhanh dần (v -t) Hệ quả Nếu vậy (s - t2) Thực nghiệm Kiểm tra thông qua chuyển động của vật trên mặt phẳng nghiêng Hình 1.3 * Cơ chế Ơrictic Cơ chế này đã xuất hiện đầu tiên trong nghiên cứu khoa học tự nhiên, gắn với từ “ơ - rê - ca” (tìm ra rồi) trong truyền thuyết về Acsimet. Cơ chế đƣợc bắt đầu từ việc hình thành các giả thuyết khoa học dựa trên cơ sở phát hiện các mâu thuẫn, sai sót của các lí thuyết đã có. Các sai sót này không thể giải quyết đƣợc bằng những kiến thức đã có, do đó các nhà khoa học phải đƣa ra những phỏng đoán mới, tức là phải hình thành các giả thuyết khoa học mới. Lịch sử phát triển của vật lí học đã khẳng định đây là cơ chế đóng vai trò then chốt để cho vật lí học phát triển rực rỡ nhƣ ngày nay. Một loạt những phát minh ra đời gắn với các suy nghĩ xảy ra theo cơ chế này nhƣ lí thuyết sóng - hạt, thuyết lƣợng tử ,…