Tài liệu Tổ chức hoạt động dạy học một số kiến thức phần điện từ học vật lí 11 nâng cao theo chu trình nhận thức khoa học vật lí cho học sinh trung học phổ thông

1 MỞ ĐẦU I. Lí do chọn đề tài Chúng ta đang sống trong thời đại bùng nổ tri thức. Trong thời đại đó, đất nước đứng trước nhiều thời cơ, vận hội nhưng cũng nhiều thách thức, mà ở đó sự thành công phụ thuộc chủ yếu vào năng lực tri thức và sáng tạo của con người. Trước những yêu cầu đó, Đảng ta đã coi Giáo dục - đào tạo là quốc sách hàng đầu. Trong đó, vấn đề giáo dục thế hệ trẻ trong nhà trường trở thành những con người mới phát triển toàn diện, lành mạnh cả về thể chất lẫn tinh thần là một trong những mục tiêu cần vươn tới. Từ đó mục đích giáo dục ở nước ta đã có xu hướng không chỉ dừng lại ở việc truyền thụ kiến thức, kỹ năng loài người đã tích lũy được mà còn quan tâm đến việc thắp sáng ở học sinh niềm tin, năng lực sáng tạo, phương pháp tiếp cận các kiến thức, cách giải quyết vấn đề … Theo W. B. Yeats: “ Giáo dục không nhằm mục tiêu nhồi nhét kiến thức mà là thắp sáng niềm tin” [3]. Để thực hiện được điều này, chiến lược phát phát triển giáo dục 2001 2010, mục 5.2 ghi rõ: “Đổi mới và hiện đại hóa phương pháp giáp dục. Chuyển từ việc truyền thụ tri thức thụ động, thầy giảng, trò ghi sang hướng dẫn người học chủ động tư duy sáng tạo trong quá trình tiếp cận tri thức; dạy cho người học phương pháp tự học, tự thu nhận thông tin một cách có hệ thống và có tư duy phân tích, tổng hợp, phát triển năng lực cho mỗi cá nhân; tăng cường tính chủ động, tính tự chủ của học sinh, sinh viên trong quá trình học tập …’’ [1]. Cũng như vậy, luật giáo dục 2005, Điều 5 mục 2 quy định: “Phương pháp giáo dục phải phát huy tính tích cực, tự giác, chủ động, tư duy sáng tạo của người học; bồi dưỡng cho người học năng lực tự học, khả năng thực hành, lòng say mê học tập và ý chí vươn lên” [19]. 2 Chính vì vậy, việc rèn luyện phương pháp nhận thức khoa học bộ môn cho học sinh trong quá trình học tập là một trong hướng đi cần thực hiện. Vật lí là một bộ môn khoa học trong hệ thống các môn học ở nhà trường phổ thông. Nó cung cấp cho học sinh những kiến thức cơ bản về hiện tượng vật lí, các khái niệm, định luật, các thuyết… Trong thực tế, việc rèn luyện phương pháp nhận thức khoa học bộ môn Vật lí đã được Bộ giáo dục đào tạo chỉ đạo, quan tâm và đã đưa vào việc viết SGK từ Vật lí 6, Vật lí 7. Tuy nhiên ở các trường phổ thông hiện nay việc áp dụng phương pháp nhận thức khoa học Vật lí trong dạy học còn chưa nhiều, chưa triệt để. Vì vậy đại đa số học sinh chỉ nắm được kiến thức khoa học nhưng chưa biết phương pháp để đi đến kiến thức ấy nên khi được tiếp cận các em còn tỏ ra lúng túng, bỡ ngỡ. Đồng thời, nhiều học sinh còn bộc lộ những yếu kém về chất lượng kiến thức, chưa biết vận dụng kiến thức Vật lí vào thực tiễn, quen với kiểu suy nghĩ rập khuôn, máy móc nên không linh hoạt trong việc điều chỉnh hướng suy nghĩ khi bắt gặp những trở ngại trong cuộc sống. Kiến thức phần “Điên từ học” có những khái niệm, hiện tượng vật lí, các ứng dụng khá quen thuộc và gần gũi với các em học sinh trong cuộc sống. Trong phần này có một số kiến thức có thể tổ chức hoạt động dạy học phỏng theo chu trình nhận thức khoa học Vật lí. Với những lý do như trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Tổ chức hoạt động dạy học phần “Điện từ học” - Vật lí 11 nâng cao theo chu trình nhận thức khoa học Vật lí cho học sinh trung học phổ thông”. Theo các nhà tâm lý học sư phạm, giáo dục học và lý luận học trên thế giới, để làm cho nền giáo dục toàn dân phù hợp với những thành tựu của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật, việc đổi mới cách thức hoạt động dạy học các bộ môn là một trong những vấn đề trọng tâm cần được nghiên cứu. Nhà tâm 3 lý học Mỹ J.Bruner cho rằng: “Hoạt động trí óc của HS và của các nhà bác học có cùng một bản chất (chỉ khác nhau về mức độ chứ không khác nhau về loại), vì vậy hợp lý hơn cả là xây dựng các môn khoa học phù hợp với cấu trúc nhận thức chính cái tri thức khoa học ấy. Học sinh khi nghiên cứu vật lí họ là một nhà vật lí, và để HS đó dễ dàng nghiên cứu vật lí hơn thì họ phải hành động giống như nhà bác học vật lí” [4]... Nguyễn Ngọc Quang đã nêu lên tư tưởng chuyển hóa phương pháp khoa học thành phương pháp dạy học. Theo ông: “phương pháp khoa học bộ môn đã dần dần chuyển hóa thành phương pháp dạy học bộ môn đó; trong sự chuyển hóa này, phương pháp khoa học đã bị biến đổi đi cho phù hợp với những đặc điểm của chủ thể HS và những điều kiện của quá trình dạy học”[12]. Vật lí là một trong những khoa học bộ môn, phương pháp khoa học Vật lí có thể chuyển hóa thành phương pháp dạy học vật lí theo quy luật chung của nó. Trong những năm trước đây, trên thế giới đã xuất hiện một loạt hướng đi mới về mặt phương pháp dạy học như: dạy học nêu vấn đề, dạy học theo dự án, dạy học kiến tạo, dạy học theo trạm, dạy học chương trình hóa và algôrit hóa… Mỗi phương pháp dạy học mới đều có những mặt tích cực và đã góp phần không nhỏ vào việc nâng cao chất lượng dạy học theo hướng rèn luyện phương pháp nghiên cứu khoa học cho học sinh. Tuy nhiên, chúng tôi nhận thấy những phương pháp trên chưa đề cập đến cấu trúc của quá trình nhận thức khoa học Vật lí. Từ đó nảy ra trong chúng tôi ý định nghiên cứu đề tài theo hướng có thể khắc phục được tình trạng này. 4 Kiến thức phần “Điện từ học” cũng đã có các công trình nghiên cứu nhằm phát huy tính tích cực, tự lực của học sinh. Nhưng chưa có ai nghiên cứu dạy nó theo chu trình nhận thức khoa học Vật lí. Với những lý do như trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Tổ chức hoạt động dạy học phần “Điện từ học” - Vật lí 11 nâng cao theo chu trình nhận thức khoa học Vật lí cho học sinh trung học phổ thông”. II. Lịch sử vấn đề Theo V.V. Davuđov, thời gian trước đây tư tưởng của J.Bruner và những tư tưởng tương tự đã được các chuyên gia Mỹ, Anh thuộc tâm lý học sư phạm và lý luận dạy học như: V.Volle, A.Golet, J.xedle hưởng ứng. Tuy nhiên họ mới dừng ở mức nghiên cứu lý luận. Ở Liên Xô (cũ) hướng nghiên cứu này đã được các nhà sư phạm rất quan tâm. Đặc biệt là V.G.Razumovski trên cơ sở nghiên cứu CTNTKHVL đã đề nghị giảng dạy theo nguyên tắc chu trình. Ông đã cùng E.I.AFrina, H.A.Babaevva và tập thể các nhà sư phạm khác tổ chức thực nghiệm ở một số đề tài thuộc các phần cơ, nhiệt, điện… của chương trình phổ thông cơ sở và trung học Liên Xô (cũ) và đã thu được một số kết quả cụ thể trình bày trong cuốn “Giờ học Vật lý hiện đại trong trường phổ thông” [20]. Tuy nhiên, dạy học theo nguyên tắc chu trình của Razumovski thường áp dụng có hiệu quả khi giảng dạy các thuyết Vật lí như thuyết điện tử, thuyết động học phân tử… Ở nước ta, Nguyễn Ngọc Quang đã phát hiện và nêu quy luật về sự chuyển hoá phương pháp khoa học thành phương pháp dạy học. Ông đã vận dụng lý luận này cho môn Hoá học [17] và Thông tin [9]. 5 Phạm Hữu Tòng đã nêu một quan điểm thuộc cơ sở lý luận của hướng nghiên cứu trên trong đề tài: “ Định hướng hoạt động nhận thức của học sinh trong dạy học Vật lý” [16]. Đề tài: “Dạy học một số kiến thức Vật lí lớp 10 TPTH theo chu trình nhận thức khoa học Vật lí” của Nguyễn Thị Hồng Việt đã nghiên cứu thành công việc tổ chức dạy học cho một số kiến thức Vật lí lớp 10 THPT (cũ) [14]. Như vậy, ở Việt Nam cũng đã có một số công trình nghiên cứu việc dạy học kiến thức vật lý cụ thể theo chu trình nhận thức khoa học Vật lí. Tuy nhiên, chưa có công trình nào nghiên cứu phần “Cảm ứng điện từ”. Dạy học theo chu trình nhận thức sáng tạo khoa học Vật lí là đề tài khá rộng, chúng tôi chỉ đi sâu nghiên cứu ở diện hẹp: Tổ chức hoạt động dạy học một số kiến thức chương “Cảm ứng điện từ” - Vật lí 11 nâng cao theo chu trình nhận thức khoa học Vật lí cho học sinh trung học phổ thông. III. Mục đích của đề tài Đề xuất tiến trình dạy học một số kiến thức chương “Cảm ứng điện từ” - Vật lí 11 nâng cao theo chu trình nhận thức khoa học Vật lí, nhằm góp phần rèn luyện phương pháp nhận thức khoa học Vật lí và nâng cao kết quả học tập cho học sinh. IV. Nhiệm vụ của đề tài Để đạt được mục đích nghiên cứu, đề tài có những nhiệm vụ cụ thể sau: 1. Nghiên cứu cơ sở lý luận về: 1.1. Chu trình nhận thức khoa học Vật lí. 1.2. Chu trình nhận thức khoa học Vật lí trong dạy học. 2. Phương pháp nhận thức khoa học Vật lí. 6 3. Đề xuất tiến trình dạy học theo CTNTKHVL . 4. Nghiên cứu cơ sở thực tiễn việc tổ chức HĐDH theo CTNTKHVL. 5. Nghiên cứu nội dung chương trình và xây dựng sơ đồ cấu trúc logic nội dung phần “Cảm ứng điện từ” – Vật lí 11 nâng cao. 6. Đề xuất tiến trình dạy học theo CTNTKHVL cho một số kiến thức chương “Cảm ứng điện từ” - Vật lí 11 nâng cao. 7. Thực nghiệm sư phạm. 8. Kết luận. V. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu: Hoạt động dạy học theo chu trình nhận thức khoa học Vật lí 2. Phạm vi nghiên cứu: - Về nội dung: Áp dụng cho một số kiến thức chương “Cảm ứng điện từ” - Vật lí 11 nâng cao. - Về đối tượng: Học sinh THPT Nguyễn Thị Giang và THPT Nguyễn Viết Xuân - Vĩnh Tường - Vĩnh Phúc. VI. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lí thuyết. - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn. - Phương pháp thực nghiệm sư phạm. - Phương pháp thống kê toán học. VII. Giả thuyết khoa học 7 Nếu tổ chức hoạt động dạy học vật lí theo CTNTKHVL đáp ứng yêu cầu của mục tiêu dạy học thì có thể góp phần rèn luyện phương pháp nhận thức khoa học Vật lí và nâng cao kết quả học tập cho học sinh. VIII. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn gồm ba chương: Chương I: Cơ sở lí luận và thực tiễn của việc tổ chức hoạt động dạy học theo CTNTKHVL. Chương II. Đề xuất tiến trình dạy học theo CTNTKHVL cho một số kiến thức chương “Cảm ứng điện từ” - Vật lí 11 nâng cao Chương III. Thực nghiệm sư phạm. 8 NỘI DUNG CHƯƠNG I CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA VIẸC TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC THEO CTNTKHVL I. Chu trình nhận thức khoa học Vật lí và chu trình nhận thức khoa học Vật lí trong dạy học I.1. Chu trình nhận thức khoa học Vật lí Để làm sáng tỏ vấn đề này, chúng tôi xin điểm lại quá trình NTKHVL từ những tư tưởng và phương pháp sơ khai của Vật lí học cho đến sự ra đời của lý thuyết lượng tử và thuyết tương đối. Các nhà triết học cổ Hy Lạp đi tìm chân lý bằng sự suy lý trừu tượng tách rời thực tiễn - là phương pháp không thể dẫn đến thành công. Vì vậy, mặc dù tư tưởng triết học cổ đại rất tinh tế và sâu sắc, nó vẫn không đi tới được chân lý, không đưa đến được sự ra đời của Vật lí học. A . Einstein - nhà vật lí nổi tiếng đã nói: “Tư duy logic thuần túy tự nó không thể cho ta tri thức nào về thế giới các sự kiện. Tất cả sự nhận thức về thế giới thực tại xuất phát từ thực nghiệm và hoàn thành bằng thực nghiệm” [5]. Ngược lại, thời trung thế kỷ, các nhà giả kim thuật đã làm rất nhiều thí nghiệm, nhưng những thí nghiệm của họ không có lý thuyết đúng đắn dẫn đường, đồng thời chúng cũng không phải là xuất phát điểm để xây dựng lý thuyết. Vì vậy, họ cũng không đi đến được chân lý. Tới thế kỉ XV - XVI những bước tiến mới của sản xuất và kỹ thuật đã đề ra những yêu cầu mới đối với khoa học. Nó đòi hỏi phải xây dựng lý thuyết khoa học để giải thích các thành tựu đã đạt được và trên cơ sở đó chỉ ra 9 con đường chắc chắn đi đến những thành tựu mới trong tương lai. Kinh thánh và phương pháp giáo điều không có khả năng đáp ứng yêu cầu đó. Sự ra đời của phương pháp thực nghiệm mà Galilê là người đầu tiên xây dựng đã đưa vật lí học ra khỏi trạng thái trì trệ, tạo cho nó một bước tiến liên tục từ thế kỷ XVI -XVII đến nay. Từ đó, PPNTKHVL ngày càng được bổ sung và hoàn thiện bởi nhiều thế hệ các nhà bác học như: R.Descartes; I.Newton; M.FaraĐây; J.C.Maxwell … Ngày nay, lịch sử Vật lí đã chứng tỏ rằng, lý thuyết và thực nghiệm, quy nạp và diễn dịch đều có vai trò quan trọng, chúng không thể tách rời nhau mà liên hệ chặt chẽ với nhau, hỗ trợ cho nhau tạo thành thể thống nhất và được sử dụng rộng rãi trong quá trình nhận thức khoa học Vật lí. Điều này được thể hiện qua nhiều quá trình sáng tạo khác nhau của nhiều nhà bác học nổi tiếng. Ví dụ, quá trình phát minh ba định luật Newton trong cơ học, quá trình xây dựng lý thuyết trường điện tử của Maxwell, quá trình ra đời của thuyết tương đối hẹp Einstein, … Thực tế, lịch sử phát triển của tư tưởng vật lí, các phương pháp vật lí và con đường nhận thức dẫn đến các phát minh khoa học đã gợi cho các nhà bác học kết luận về tính chu trình sáng tạo trong khoa học Vật lí. Từ thời Galilê, người ta đã phân biệt bốn giai đoạn của quá trình nhận thức khoa học Vật lí. * Tri giác các hiện tượng tự nhiên bằng giác quan. * Chuyển sang xây dựng mô hình - giả thuyết nhờ trực giác. * Phân tích và suy luận đưa ra hệ quả toán học của giả thuyết. * Xác minh mô hình - giả thuyết bằng thực nghiệm. A.Einstein cũng mô tả chu trình nhận thức khoa học như sau: [20]. 10 A Hệ tiên đề Các hệ quả lôgic S1 S2 S3 E (Hình I.1: Sơ đồ CTSTKH theo mô tả của A.Einstein) * Chúng ta có E - những dữ liệu trực tiếp của kinh nghiệm cảm tính. * A là hệ tiên đề được xây dựng (nhờ trực giác) dựa trên các dữ liệu trực tiếp của kinh nghiệm cảm tính và từ đó chúng ta có thể rút ra các hệ quả logic. * Bằng logic suy ra từ các tiên đề A một vài hệ quả S. * Những hệ quả S được so sánh với E (xác minh bằng thực nghiệm). Chúng ta nhận thấy cả Galilê, Einstein và nhiều nhà bác học nổi tiếng như M.Planck, N.Bohr đều quan niệm về tính chu trình sáng tạo có những nét tương tự như nhau: “Từ sự khái quát hóa các sự kiện, đi đến xây dựng mô hình trừu tượng của hiện tượng (đề xuất giả thuyết), từ mô hình dẫn đến việc rút ra các hệ quả, đến sự kiểm tra chúng bằng thực nghiệm” [19]. Nhận thức của con người là quá trình tiếp cận đến chân lý nên chu trình là không khép kín. Quá trình sáng tạo có thể không kết thúc ở một chu trình mà sẽ tiếp tục, khi ấy các sự kiện càng rộng ra và mô hình ngày càng khái quát cao hơn. V.G.Razumovski trên cơ sở nghiên cứu CTNTKHVL đã đề nghị biểu diễn nó một cách ngắn gọn theo sơ đồ (hình I.2) [20]. 11 2 Mô hình giả định trừu tượng 1 Sự kiện khởi đầu Hệ quả Thực nghiệm 3 4 Hình I.2: Sơ đồ mối quan hệ của các thành phần trong quá trình sáng tạo khoa học tự nhiên Từ sơ đồ (hình I.2) chúng ta nhận thấy, CTNTKHVL gồm bốn gia đoạn, tuy nhiên không phải nhà khoa học nào cũng thực hiện đầy đủ bốn giai đoạn trong sáng tạo khoa học của mình. Ví dụ, Michelson đã thực hiện những thí nghiệm khởi đầu về đo vận tốc ánh sáng, để sau đó Einstein đưa ra các tiên đề của thuyết tương đối hẹp và từ các tiên đề suy ra các hệ quả logic, còn thực nghiệm kiểm tra thì dành cho các nhà khoa học khác về sau. Theo đánh giá của các nhà khoa học, đặc trưng hoạt động tư duy của từng giai đoạn là không giống nhau. Cả Galileé và Einstein đều cho rằng giai đoạn từ sự kiện khởi đầu (SKKĐ) đi đến xây dựng mô hình (MH) và giai đoạn từ hệ quả logic (HQLG) đi đến kiểm tra bằng thực nghiệm (TN) tư duy trực giác giữ vai trò quyết định. Còn giai đoạn từ MH suy ra các HQLG, tư duy logic giữ vai trò chủ yếu. Trong đó, giai đoạn chuyển sang xây dựng mô mô hình được xem là cốt lõi của các quá trình nhận thức khoa học Vật lí. Các nhà khoa học cũng cho rằng, các giai đoạn khác nhau của CTNTKHVL không giống nhau về mức độ khó khăn và tầm quan trọng. Theo 12 Einstein, Bohr, Planck … giai đoạn khó khăn nhưng quan trọng nhất của quá trình sáng tạo là từ tổng các sự kiện khởi đầu đi đến mô hình giả định trừu tượng. Chúng ta hãy nghiên cứu cụ thể các giai đoạn của CTNTKHVL. Giai đoạn 1: Sự kiện khởi đầu Theo Razumovski, xuất phát điểm của nhận thức khoa học là các SKKĐ. Thật vậy, lịch sử Vật lí đã chứng tỏ rằng, nhận thức khoa học chỉ bắt đầu khi có câu hỏi, mà câu hỏi chỉ xuất hiện khi có sự kiện trái với những lí thuyết cũ, đòi hỏi phải bổ sung hay thay đổi. Như vậy, SKKĐ là xuất phát điểm của quá trình nhận thức khoa học chỉ với ý nghĩa gợi ra hoặc làm xuất hiện câu hỏi hay vấn đề nghiên cứu. Chẳng thế trong muôn vàn sự kiện diễn ra hàng ngày, nhà khoa học chỉ quan tâm nghiên cứu một số sự kiện chứ không phải toàn bộ. Nghĩa là SKKĐ và vấn đề có mối quan hệ khăng khít, chính SKKĐ là nguồn gốc làm nảy sinh vấn đề trong quá trình nhận thức khoa học. Với ý nghĩa trên, SKKĐ có thể là một trong những loại sau: - Những hiện tượng diễn ra trong thực tế mà nhà khoa học quan sát được. Ví dụ, tình cờ Bercoren rút ngăn kéo và thấy hiện tượng lạ: Giấy ảnh để trong ngăn kéo từ lâu đã bị đen. Hoặc hiện tượng hổ phách hay êbônit bị cọ sát thì hút mẩu giấy nhỏ … - Có thể là những sự kiện thực nghiệm làm nảy sinh vấn đề. Ví dụ, thí nghiệm Michelson nhằm phát hiện ra chuyển động trong không gian tuyệt đối, nhưng thí nghiệm càng chính xác bao nhiêu thì lại càng khẳng định một 13 kết luận ngược lại: không phát hiện được gió ête. Lý thuyết cổ điển chịu bó tay. Đây là điểm xuất phát cho việc xây dựng thuyết tương đối của Einstein. - Hoặc sự kiện cũng có thể là sự phân tích những cơ sở lí thuyết đã có sẵn làm nảy sinh câu hỏi. Ví dụ, trên cơ sở phân tích lí thuyết trường hấp dẫn. lí thuyết trường điện từ… Các nhà vật lí đi đến nghiên cứu lí thuyết trường thống nhất. Vấn đề ở đây là, phải lựa chọn các SKKĐ nào để đem đến sự hiểu biết về bản chất của các hiện tượng cần nghiên cứu. Điều này còn dựa vào khả năng dự đoán thiên tài của từng nhà bác học. Như vậy, để đạt được mục đích nhận thức các sự vật, hiện tượng cần nghiên cứu, điểm mấu chốt là các nhà bác học đã phán đoán, lựa chọn các SKKĐ sao cho có sự liên hệ bản chất giữa các sự kiện đó với mô hình cần xây dựng. Rõ ràng, phán đoán về sự thống nhất các sự kiện và hiện tượng xảy ra đồng thời với việc đưa ra các mô hình. Giai đoạn 2: Giai đoạn từ SKKĐ đi đến xây dựng mô hình giả định trừu tượng Theo V.A.Stopho: “Ta hiểu mô hình là một hệ thống được hình dung trong óc, hoặc được thực hiện một cách vật chất. hệ thống đó hoặc phản ánh, hoặc tái tạo đối tượng nghiên cứu nên có khả năng thay thế đối tượng nghiên cứu khiến cho việc nghiên cứu nó cung cấp cho ta thông tin mới về đối tượng đó”.[4] Để nghiên cứu hiện tượng thực tế, nhà bác học xây dựng mô hình của hiện tượng này và nghiên cứu mô hình ấy, qua đó tìm thấy những tính chất và quy luật của hiện tượng thực. Nếu kết quả được thực nghiệm khẳng định, chứng tỏ mô hình được xây dựng là hợp lý, có thể sử dụng nó để nghiên cứu tiếp các hiện tượng thực tế. Nếu thực nghiệm không xác nhận, nghĩa là mô 14 hình chưa phù hợp hoặc chưa đầy đủ, cần xây dựng lại hoặc điều chỉnh mô hình. Vậy trong quá trình nhận thức khoa học, mô hình luôn luôn mang tính chất một giả thuyết, vì vậy nó cần được xác minh bằng thực nghiệm. Quan niệm như vậy về mô hình trong giai đoạn này, CTNTKHVL theo Razumovski, thường diễn ra trong quá trình các nhà khoa học nghiên cứu các thuyết vật lí lớn như: thuyết điện tử, thuyết động học phân tử… Từ SKKĐ đi đến xây dựng MHGĐTT tư duy trực giác giữ vai trò quyết định. Đây là giai đoạn quan trọng của quá trình sáng tạo. Giai đoạn ba: Từ MHGĐTT suy ra HQLG Để chứng minh tính đúng đắn của mô hình việc rút ra từ đó những hệ quả lôgic có thể kiểm tra được bằng thực nghiệm có ý nghĩa rất quan trọng. Ở giai đoạn này cần phải bằng tư duy logic hoặc các phép biến đổi toán học để suy ra từ MHGĐTT những hệ quả có thể kiểm tra bằng thực nghiệm. Giai đoạn bốn: Từ HQLG đi đến kiểm tra bằng thực nghiệm Đây là giai đoạn có tính chất quyết định của quá trình sáng tạo. Giai đoạn này người ta có thể dùng thực nghiệm để kiểm tra tính đúng đắn của mô hình, đồng thời xét vận dụng của chúng trong thực tiễn. Giai đoạn này liên quan đến việc trình bày các kết luận rút ra từ mô hình và việc tìm kiếm các phương tiện kĩ thuật để thực hiện nó. Nhiều trường hợp, giai đoạn cuối cùng này lại là khởi điểm của một chu trình mới. Tóm lại, CTNTKHVL không phải được rút ra từ con đường nhận thức của một vài phát minh riêng lẻ, cũng không phải được nêu lên bởi ý kiến của một vài cá nhân nào, mà nó là kết quả đúc rút của cả quá trình hoạt động sáng tạo của các nhà bác học vật lí từ trước đến nay. Vì vậy, nó có cơ sở thực tiễn 15 vững chắc và đủ sức thuyết phục để chúng ta tin tưởng vào sự đúng đắn rằng, quá trình sáng tạo khoa học Vật lí mang bản chất chu trình, nó có tính chất phổ biến với hầu hết các quá trình sáng tạo khoa học Vật lí. Nó tuân theo quy luật nhận thức nói chung đã được V.Lênin nêu lên trong công thức nổi tiếng: “Từ trực quan sinh động đến tư duy trừu tượng, từ tư duy trừu tượng trở về thực tiễn - đó là con đường biện chứng của nhận thức chân lý, nhận thức thực tế khách quan”, đồng thời nó mang đặc trưng riêng của bộ môn Vật lí. Quá trình nhận thức đó không phải là một quá trình khép kín mà là một quá trình luôn mở rộng và phát triển: từ một lí thuyết đã được xây dựng người ta phải trở về phạm vi những hiện tượng thực tiễn rộng hơn, qua đó lại bổ sung, chỉnh lí và mở rộng lí thuyết… Quá trình đó cứ tiếp diễn liên tục, từ đó con người ngày càng hiểu biết thực tế sâu sắc hơn, đa dạng hơn. I.2. CTNTKHVL trong dạy học Vật lí Trên cơ sở nghiên cứu CTNTKHVL, Razumovski đã nêu lên nguyên tắc chu trình trong dạy học. Khi phân tích nội dung các lý thuyết vật lí (định luật, thuyết, định lí…) Razumovski nhận thấy trong kết cấu của chúng đều có chung các thành phần như đã biểu diễn ở sơ đồ (hình I.2). Ông đã lấy nòng cốt cấu trúc này làm cơ sở để hình thành con đường nhận thức các lý thuyết vật lí cho học sinh. Ông gọi “ Nguyên tắc về phương pháp giảng dạy lấy logic nhận thức khoa học làm cơ sở xây dựng tư liệu học tập trong giờ học là nguyên tắc chu trình” [20]. Ông đã cùng tập thể các nhà sư phạm Liên Xô (cũ) tiến hành thực nghiệm và rút ra kết luận: “phù hợp với CTNTKHVL có thể xây dựng quá trình dạy học bao gồm tất cả những thành phần cần thiết của quá trình sáng tạo: Sự chuyển một cách trực giác từ tổng số những sự kiện xuất phát đến mô hình trừu tượng, việc rút ra từ chính những hệ quả logic, kiểm tra bằng thực nghiệm 16 những hệ quả đó”. [6]. Ông đã dẫn ra nhiều ví dụ để minh họa cho tư tưởng của mình: Ví dụ, khảo sát việc trình bày tài liệu giáo khoa về đề tài “dòng điện trong kim loại” theo sơ đồ: Sự kiện thực nghiệm xuất phát  Mô hình  Hệ quả  Kiểm tra hệ quả bằng thực nghiệm. [21]. Ở ví dụ này, kiến thức chủ yếu được trình bày là thuyết điện tử về tính dẫn điện của kim loại: Đầu tiên làm các thí nghiệm chứng tỏ điện trở của những vật liệu có cấu trúc tinh thể khác nhau thì khác nhau. Chúng chia thành chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất cách điện. Từ đó xây dựng giả thuyết: Các tính chất điện của vật liệu có liên quan đến loại hình cấu trúc tinh thể của nó. Các thí nghiệm đã chứng tỏ rằng: Những tinh thể ion không có tính dẫn điện, những tinh thể liên kết cộng hóa trị là chất bán dẫn, còn những tinh thể liên kết kim loại là chất dẫn điện. Trường hợp thứ nhất trong vật liệu không có điện tử tự do, trường hợp thư hai có ít, trường hợp thứ ba có nhiều. Thí nghiệm lịch sử của Mandelstana- Palekxi và Tolman- Stewart cho thấy có thể quan sát được dòng điện quán tính. Như vậy hệ quả rút ra được từ thuyết điện tử về tính dẫn điện của kim loại đã được thực nghiệm xác nhận (chu trình được khép kín). Sau đó, có thể hình dung dòng điện trong kim loại như dòng trôi dạt của những điện tử tự do trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường. Từ giả thuyết đó có thể dẫn đến hệ quả là kết luận lý thuyết về định luật Ôm cho đoạn mạch. Một trong những hệ quả của định luật đó là: đường đặc trưng Vôn-Ampe của dây dẫn kim loại là đường thẳng. Thí nghiệm thực tập của học sinh nhằm nghiên cứu đường đặc trưng Vôn- Ampe của dây dẫn kim loại xác nhận kết luận đó (chu trình lại khép kín). Sự phân tích công thức về định luật Ôm dẫn đến một hệ quả quan trọng: khi nung nóng kim loại thì thời gian chuyển động tự do của điện tử giảm, có nghĩa là với một cường độ điện trường đã cho, vận tốc trôi dạt của điện tử giảm đi nghĩa là cường độ dòng điện giảm. Nói cách khác, khi tăng 17 nhiệt độ thì điện trở suất của kim loại phải tăng lên. Thí nghiệm thực tập của học sinh nhằm nghiên cứu sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại vào nhiệt độ xác nhận (một cách định tính) kết luận đó (chu trình tiếp theo được khép kín). Như vậy, tư tưởng cơ bản của nguyên tắc chu trình trong dạy học chính là việc xây dựng cấu trúc nội dung tài liệu học tập theo CTNTKHVL. Nguyên tắc này thường dễ thực hiện và đạt hiệu quả cao khi giảng dạy các thuyết vật lí hoặc một phần kiến thức. II. Phương pháp nhận thức khoa học Vật lí Có nhiều phương pháp dạy học khác nhau: Phương pháp thí nghiệm lí tưởng; phương pháp tương tự; phương pháp mô hình; phương pháp thực nghiệm… Tuy nhiên, trong phạm vi đề tài chúng tôi xin trình bày phương pháp thực nghiệm trong day học vât lí. II.1. Các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm Để giúp học sinh có thể bằng hoạt động của bản thân mình mà tái tạo, chiếm lĩnh được các kiến thức vật lí thì tốt nhất là giáo viên phỏng theo phương pháp thực nghiệm của các nhà khoa học mà tổ chức cho học sinh hoạt động theo các giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Giáo viên mô tả một hoàn cảnh thực tiễn hay biểu diễn một vài thí nghiệm và yêu cầu các em dự đoán diễn biến của hiện tượng, tìm nguyên nhân hoặc xác lập một mối quan hệ nào đó (lên nêu một câu hỏi mà học sinh chưa biết câu trả lời, cần phải suy nghĩ tìm tòi mới trả lời được). Giai đoạn 2: Giáo viên hướng dẫn, gợi ý cho học sinh xây dựng một câu trả lời dự đoán ban đầu, dựa vào sự quan sát tỉ mỉ kỹ lưỡng, vào kinh nghiệm bản thân, vào những kiến thức đã có … (ta gọi là xây dựng giả 18 thuyết). Những dự đoán này có thể còn thô sơ, có vẻ hợp lí nhưng chưa chắc chắn. Giai đoạn 3: Từ giả thuyết dùng suy luận loogic hay suy luận toán học suy ra một hệ quả: Dự đoán một hiện tượng trong thực tiễn, một mối quan hệ giữa các đại lượng vật lí. Giai đoạn 4: Xây dựng và thực hiện một phương án thí nghiệm để kiểm tra xem hệ quả dự đoán ở trên có phù hợp với kết quả thực nghiệm không. Nếu phù hợp thì giả thuyết trên trở thành chân lí, nếu không phù hợp thì phairxaay dựng giả thuyết mới. Giai đoạn 5: Ứng dụng kiến thức. Học sinh vận dụng kiến thức để giải thích hay dự đoán một số hiện tượng trong thực tiễn, để nghiên cứu các thiết bị kĩ thuật. Thông qua đó, trong một số trường hợp, sẽ đi tới giới hạn áp dụng của kiến thức và xuất hiện mâu thuẫn nhận thức mới cần giải quyết. II.2. Các mức độ sử dụng phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí Những bài học mà học sinh có thể tham gia đầy đủ vào cả 5 giai đoạn trên không nhiều. Đó là những bài mà việc xây dựng giả thuyết không đòi hỏi một sự phân tích quá phức tạp và có thể kiểm tra giả thuyết bằng những thí nghiệm đơn giản sử dụng những dụng cụ đo lường mà học sinh đã quen thuộc. Ví dụ các bài: Định luật về sự rơi tự do, định luật III Niutơn , quy tắc mômen về cân bằng cảu vật quay quanh một trục, định luật Bôilơ – Mariôt… Trong nhiều trường hợp, học sinh gặp khó khăn không thể vượt qua được thì có thể sử dụng phương pháp thực nghiệm ở các mức độ khác nhau, thể hiện ở mức độ học sinh tham gia vào các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm. 19 Giai đoạn 1: Mức độ 1: Học sinh tự lực phát hiện vấn đề, nêu câu hỏi. Giáo viên giới thiệu hiện tượng xảy ra đúng như thường thấy trong tự nhiên để học sinh tự lực phát hiện những tính chất hay những mối quan hệ đáng chú ý cần nghiên cứu. Ví dụ như cho học sinh quan sát sự rơi của nhiều vậ khác nhau: Hòn gạch, tờ gấy, cái lá, miếng bấc, hòn bi, cái long chim. Sự rơi xảy ra rất khác nhau. Những câu hỏi mà học sinh đã quen nêu ra là: Nguyên nhân nào khiến cho các vật rơi khác nhau? Sự rơi của các vật có gì giống nhau không? Mức độ 2: Giáo viên tạo ra một hoàn cảnh đặc biệt trong đó xuất hiện một hiện tượng mới lạ, lôi cuốn sự chú ý của học sinh, gây cho họ sự ngạc nhiên, sự tò mò; từ đó, học sinh nêu ra một vấn đề, một câu hỏi cần giải đáp. Ví dụ: Dao chem. Gỗ thì gỗ đứt, cũng dao đó chém vào đó thì dao mẻ, vậy giữa lực của dao tác dụng vào gỗ (hay đá) và lực của gỗ (hay đá) tác dụng vào dao lực nào lớn hơn? Mức độ 3: Giáo viên nhắc lại một vấn đề, một hiện tượng đã biết và yêu cầu học sinh phát hiện xem trong vấn đề hay hiện tượng đã biết, có chỗ nào chưa được hoàn chỉnh, đầy đủ cần tiếp tục nghiên cứu. Ví dụ: Sauk hi đã học định luật cảm ứng điện từ, đã biết điều kiện phát sinh ra dòng điện cảm ứng, giáo viên yêu cầu học sinh xem muốn biết đầy đủ hơn về dòng điện cảm ứng còn phải xét vấn đề gì nữa? Học sinh dựa vào hiểu biết đã có về dòng điện, sẽ có thể đề xuất hai câu hỏi mới: Độ lớn của dòng điện cảm ứng phụ thuộc những yếu tố nào?c chiều của dòng điện cảm ứng được xác định thế nào? Giai đoạn 2: Risa Fâyman cho rằng “Các định luật vật lí có nội dung rất đơn giản, nhưng biểu hiện của chúng trong thực tế lại rất phức tạp”. Bởi vậy, từ sự phân tích các hiện tượng thực tế đến việc dự đoán các mối quan hệ 20 đơn giản nêu trong các định luật là cả một nghệ thuật. Cần phải làm cho học sinh quen dần. Mức độ 1: Dự đoán định tính: Trong những hiện tượng thực tế phức tạp, dự đoán về nguyên nhân chính, mối quan hệ chính chi phối hiện tượng. Có thể có rất nhiều dự đoán mà ta sẽ phải lần lượt tìm ra cách bác bỏ. Ví dụ như trường hợp định luật cảm ứng điện từ, có thể bắt đầu từ dự đoán dựa trên sự quan sát đơn giản: Chuyển động tương đối giữa nam châm và ống dây, sau đó xây dựng dự đoán đòi hỏi sự phân tích tỉ mỉ hơn: Sự biến thiên từ thông qua ống dây. Mức độ 2: Dự đoán định lượng: Những quan sát đơn giản khó có thể dẫn tới một dự đoán về mối quan hệ hàm số, định lượng giữa các đại lượng vật lí biểu diễn các đặc tính của sự vật, các mặt của hiện tượng. Nhưng các nhà vật lí nhận thấy rằng: những mối quan hệ định lượng đó thường được biểu diễn bằng một số ít hàm số đơn giản. Việc dự đoán định lượng có thể dựa trên một số cặp số liệu được biểu diễn trên đồ thị, dựa trên dạng của đồ thị mà dự đoán mối quan hệ hàm số giưa hai đại lượng. Ví dụ: Dự đoán P tỉ lệ nghịch với V đối với một lượng khí xác định, ở nhiệt độ không đổi. Trường hợp định luật nêu lên mối quan hệ giữa ba đại lượng thì thông thường giữ một đại lượng không đổi, xét mối liên hệ giữa hai đại lượng kia rồi tổng hợp kết quatrong một công thức. Ví dụ như: Trường hợp định luật II Niutơn F = m.a, định luật Ôm cho đoạn mạch I = U : R. Mức độ 3: Những dự đoán đòi hỏi một sự quan sát chính xác, tỉ mỉ, một sự tổng hợp nhiều sự kiện, không có điều kiện thực hiệm ở trên lớp, tóm lại là vượt quá khả năng của học sinh. Ở đây. Giáo viên dùng phương pháp kể chuyện lịch sử để giới thiệu các giả thuyết mà các nhà bác học đã đưa ra. Ví dụ như: Trường hợp định luật vạn vật hấp dẫn, định luật bảo toàn năng lượng.