Tài liệu Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm ảo hỗ trợ rèn luyện kỹ năng thí nghiệm trong dạy học bài thí nghiệm thực hành phần quang hình học vật lí 11

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC PHẠM VĂN BÌNH XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM THÍ NGHIỆM ẢO HỖ TRỢ RÈN LUYỆN KỸ NĂNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH PHẦN QUANG HÌNH HỌC VẬT LÍ 11 LUẬN VĂN THẠC SỸ SƯ PHẠM VẬT LÍ HÀ NỘI – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC PHẠM VĂN BÌNH XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM THÍ NGHIỆM ẢO HỖ TRỢ RÈN LUYỆN KỸ NĂNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH PHẦN QUANG HÌNH HỌC VẬT LÍ 11 LUẬN VĂN THẠC SỸ SƯ PHẠM VẬT LÍ Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp dạy học (bộ môn Vật lí) Mã số: 60 14 01 11 Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Kim Chung HÀ NỘI – 2014 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành: Trường Đại học Giáo dục-Đại học Quốc Gia Hà Nội, Các Khoa và các phòng chức năng đã tạo mọi điều kiện 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. Gia đình và toàn thể anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm, động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Hà Nội, tháng 11 năm 2014 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 MTĐT Máy tính điện tử PTDH Phương tiện dạy học SGK Sách giáo khoa SP Sư phạm TH Thực hành THPT Trung học phổ thông 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 VL Vật lí ii MỤC LỤC Lời cảm ơn ...............................................................................................................i Danh mục những chữ viết tắt trong luận văn............................................................ii Danh mục các bảng ................................................................................................ vi Danh mục các hình ................................................................................................vii MỞ ĐẦU 1. Lí 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. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................. 4 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................................. 5 9. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 5 10. Cấu trúc của luận văn ........................................................................................ 5 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ 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, các 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 phổ thông ......................................................... 15 1.1.4. Một số yêu cầu đối với thí nghiệm Vật lí trong việc tổ chức hoạt động nhận thức tích cực, tự lực của học sinh THPT ................................................................ 17 1.1.5. Xu hướng đổi mới tổ chức hoạt động thực hành thí nghiệm ......................... 17 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. Kĩ năng thí nghiệm cần rèn luyện ở học sinh trong dạy học Vật lí ở trường THPT..................................................................................................................... 20 1.2.3. Các cấp độ phát triển kĩ năng thí nghiệm của học sinh ................................ 25 iii 1.2.4. Các giai đoạn phát triển kĩ năng .................................................................. 28 1.3. 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................................................................ 29 1.3.1. Thí nghiệm thực hành Vật lí ......................................................................... 29 1.3.2. Nội dung, hình thức tổ chức thí nghiệm thực hành trong dạy học Vật lí ở trường THPT ......................................................................................................... 31 1.4. Sử dụng phần mềm thí nghiệm ảo trong dạy học Vật lí ................................... 35 1.4.1. Khái niệm phần mềm dạy học ...................................................................... 35 1.4.2. Những yêu cầu chung đối với phần mềm dạy học ......................................... 36 1.4.3. Phần mềm thí nghiệm ảo trong dạy học vật lí .............................................. 39 1.5. Thực trạng của việc rèn luyện kĩ năng thí nghiệm cho học sinh trong dạy học vật lí ở trường THPT ............................................................................................. 43 1.5.1. Mục đích tìm hiểu ........................................................................................ 43 1.5.2. Nội dung tìm hiểu ........................................................................................ 43 1.5.3. Phương pháp tìm hiểu .................................................................................. 43 1.5.4. Kết quả tìm hiểu........................................................................................... 44 1.6. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 47 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM VẬT LÍ ẢO HỖ TRỢ THỰC HÀNH VẬT LÍ PHẦN QUANG HÌNH HỌC VẬT LÍ 11 CƠ BẢN THPT ..........................................................48 2.1. Phân tích nội dung, mục tiêu dạy học bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học................................................................................................................. 48 2.1.1. Vị trí của bài thực hành trong phần Quang hình học ................................... 48 2.1.2. Mục tiêu bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học ............................ 49 2.1.3. Nội dung bài TH “Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì” ......................... 50 2.1.4. Những khó khăn khi làm thực hành phần Quang hình học ........................... 57 2.2. Đề xuất các giải pháp xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực hành phần Quang hình học ....................................................................... 58 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 .......................................................................... 58 2.2.2. Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ làm quen với các iv thiết bị thí nghiệm thực và xây dựng quy trình thao tác tiến hành thực hành thí nghiệm thực ........................................................................................................... 60 2.2.3. Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ quá trình kiếm tra, đánh giá .......................................................................................................... 61 2.3. Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực hành Vật lí phần Quang hình học ............................................................................................. 63 2.3.1. Ý tưởng xây dựng phần mềm ........................................................................ 63 2.3.2. Xây dựng bài thí nghiệm thực hành Vật lí ảo bằng Flash ............................. 65 2.4. Sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực hành Vật lí phần Quang hình học................................................................................................................. 74 2.4.1. Tổ chức thực hành TN với sự hỗ trợ của TN Vật lí ảo .................................. 74 2.4.2. Thiết kế tiến trình dạy học thực hành thí nghiệm “Xác định tiêu cự của thấu kính phân kỳ” ........................................................................................................ 78 2.5. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 82 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM ....................................................... 84 3.1. Mục đích, đối tượng, nội dung thực nghiệm sư phạm. .................................... 84 3.1.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm.................................................................... 84 3.1.2. Đối tượng và nội dung thực nghiệm sư phạm. .............................................. 84 3.2. Phương pháp thực nghiệm sư phạm. ............................................................... 85 3.2.1. Chuẩn bị thực nghiệm. ................................................................................. 85 3.2.2. Phương thức tổ chức quá trình thực nghiệm sư phạm. ................................. 86 3.3. Kết quả thực nghiệm sư phạm......................................................................... 89 3.3.1. Phân tích định tính....................................................................................... 89 3.3.2. Phân tích kết quả định lượng ....................................................................... 92 3.4. Hiệu quả của biện pháp đề tài đã đề xuất ........................................................ 96 3.5. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 97 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ...................................................................... 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 101 PHỤ LỤC 1. CÁC CÂU HỎI KIỂM TRA SỬ DỤNG TRONG PHẦN MỀM ... 103 PHỤ LỤC 2. PHIẾU CHUẨN BỊ THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM ................... 105 PHỤC LỤC 3. BẢNG TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ KĨ NĂNG THÍ NGHIỆM ..... 110 v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Đặc trưng của phòng thí nghiệm Tái tạo và phòng TN tìm tòi................ 19 Bảng 1.2. Bảng các kĩ năng thí nghiệm cơ bản cần rèn luyện cho học sinh THPT trong dạy học vật lí . .............................................................................................. 21 Bảng 1.3. Các cấp độ mục tiêu nhận thức .............................................................. 25 Bảng 1.4. Các cấp độ mục tiêu kĩ năng tâm vận. .................................................... 26 Bảng 1.5. Thang đánh giá sự thực hiện (PRS)........................................................ 27 Bảng 1.6. Các cấp độ mục tiêu kĩ năng thí nghiệm của học sinh trong dạy học vật lí ở trường phổ thông. ............................................................................................... 27 Bảng 1.7. Thống kê phiếu khảo sát ở học sinh THPT Lý Tử Tấn. .......................... 45 Bảng 2.1. Mục tiêu bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học ...................... 49 Bảng 2.2. Bảng số liệu bài thực hành số 1 - phương án 1 ....................................... 55 Bảng 2.3. Bảng số liệu bài thực hành số 1 - phương án 2 ....................................... 57 Bảng 3.1 - Bảng thống kê điểm số ......................................................................... 93 Bảng 3.2 - Bảng thống kê số hoc sinh đạt từ điểm xi trở xuống (Bảng tần suất luỹ tích hội tụ lùi) ........................................................................................................ 93 Bảng 3.3 - Các tham số thống kê ........................................................................... 94 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ Chu trình sáng tạo theo Razumôpxki............................................ 10 Hình 2.1. Sơ đồ thiết kế phương án 1, bài thí nghiệm Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì .................................................................................................................. 51 Hình 2.2. Sơ đồ thiết kế phương án 2, bài thí nghiệm Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì .................................................................................................................. 52 Hình 2.3. Hình ảnh bố trí thí nghiệm xác định ảnh của vật qua thấu kính hội tụ..... 53 Hình 2.4. Hình ảnh bố trí thí nghiệm xác định tiêu cự của thấu kính phân kì ......... 54 Hình 2.5.Hình ảnh bố trí thí nghiệm xác định ảnh của vật qua thấu kính hội tụ...... 56 Hình 2.6. Hình ảnh bố trí thí nghiệm xác định tiêu cự của thấu kính phân kì ......... 56 Hình 2.7. Màn hình lựa chọn dụng cụ thí nghiệm .................................................. 59 Hình 2.9. Màn hình kiểm tra kiến thức trước khi thực hiện phần thí nghiệm .......... 62 Hình 2.10. Màn hình kiểm tra kiến thức lí thuyết ................................................... 66 Hình 2.11. Hình ảnh các dụng cụ thí nghiệm đưa vào phần mềm ........................... 66 Hình 2.12. Màn hình thực hiện thí nghiệm với menu lựa chọn ............................... 71 Hình 2.13. Màn hình giới thiệu phần thực hành các phương án thí nghiệm ............ 73 Hình 2.14. Các phần màn hình hiển thị kết quả ...................................................... 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 .............................. 93 vii MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Vật lí là một bộ môn khoa học thực nghiệm, vì vậy việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học vật lí ở trường phổ thông không chỉ là công việc bắt buộc, mà nó còn là một trong những biện pháp quan trọng giúp nâng cao chất lượng dạy học, góp phần tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh. Một trong những tác dụng của thí nghiệm vật lí là tạo ra sự trực quan sinh động trước mắt học sinh và cũng chính vì thế mà sự cần thiết của thí nghiệm trong dạy học vật lí còn được quy định bởi tính chất của quá trình nhận thức của học sinh dưới sự hướng dẫn của giáo viên. Thông qua thí nghiệm vật lí, có thể tạo ra những tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan, với 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. Hiện nay, mặc dù các phòng thí nghiệm ở các trường phổ thông đã được trang bị một cách đầy đủ về số lượng trong các năm gần đây, nhưng vẫn còn những khó khăn như: nhiều dụng cụ thí nghiệm chưa chính xác, nhân viên quản lí thí nghiệm thì không chuyên trách về môn học nên việc chuẩn bị thí nghiệm cho một tiết học trên lớp là rất khó khăn. Đồng thời, khi sử dụng các thí nghiệm dạy học trên lớp còn gặp trở ngại cho cả thầy và học trò vì mỗi tiết học ở trường phổ thông chỉ diễn ra trong thời gian 45 phút, một thời gian rất ngắn đối với bài thực hành Vật lí. Trong mỗi bài thực hành Vật lí, việc giới thiệu và lắp ráp thiết bị mất nhiều thời gian, thời gian thực tế để tiến hành thí nghiệm rất ít. Như vậy giáo viên phải mất rất nhiều thời gian cho việc chuẩn bị trước một giờ lên lớp. Hơn nữa số tiết dạy liền nhau ở các lớp khác nhau và điều này chỉ có thể thực hiện được bằng cách: một là, học sinh phải đi đến phòng chức năng thí nghiệm riêng biệt; hai là, các thầy cô phải di chuyển hệ 1 thống dụng cụ thí nghiệm tới các lớp học của học sinh. Cả hai phương án này đều gây ra rất nhiều khó khăn vì không phải trường phổ thông nào cũng có đủ các phòng chức năng riêng cho các bộ môn hay phòng chức năng đủ điều kiện làm thí nghiệm. Thiết bị thí nghiệm có thể bị hỏng hóc do vận chuyển, chất lượng dạy và học bị hạn chế. Nhiều khi có đủ điều kiện tiến hành thí nghiệm, có phòng chức năng nhưng việc đăng ký giờ dạy vẫn không thực hiện được vì đồng loạt nhiều lớp đăng ký, nhiều bộ môn đăng ký nên khi đến lượt làm thí nghiệm thì chương trình học đã đi qua rất lâu không có hiệu quả giảng dạy nữa. Hơn nữa, bài thực hành thường được chia làm 2 tiết, tiết 1 dạy cơ sở lí 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 lí số liệu. Nếu tiết 1 chỉ có giới thiệu dụng cụ thí nghiệm và học sinh chỉ quan sát thí nghiệm thì không thể tự bản thân học sinh có thể hiểu phương án thí nghiệm cũng như đưa ra phương án và các bước tiến hành thí nghiệm. Cũng như vậy, khi làm thí nghiệm cũng có những nhóm thu được số liệu xa rời thực tế. Ngày nay, việc nghiên cứu các ứng dụng công nghệ thông tin là một giải pháp tốt giúp khắc phục những khó khăn cho giáo viên khi lên lớp, tạo hứng thú cho học sinh khi học bài thực hành, giảm áp lực cho cả giáo viên và học sinh khi có tiết thực hành, góp phần 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 các loại hình thí nghiệm, loại hình kiểm tra trực tiếp trên máy tính nhằm mục đích nâng cao chất lượng giảng dạy của giáo viên cũng như việc học tập của học sinh. Phần mềm Flash CS3 có khả năng lập trình đa phương tiện, có khả năng chạy tốt trên cả các máy tính và mạng Internet đang rất được quan tâm trong việc phát triển các phần mềm dạy học. Có thể dùng phần mềm Flash CS3 lập trình thí nghiệm ảo dựa trên các bộ thí nghiệm thực sẽ góp phần giải quyết các khó khăn và nâng cao được chất lượng dạy học vật lí hiện nay. 2 Phần Quang hình học – Vật lí 11 Trung học phổ thông có nhiều thí nghiệm mà học sinh có thể tự lực tiến hành, thậm chí có thể tự thiết kế, chế tạo các dụng cụ thí nghiệm nếu có sự hướng dẫn chi tiết của giáo viên và các công cụ hỗ trợ, đặc biệt là các phần mềm trên máy tính. Với những lí do trên tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm ảo hỗ trợ rèn luyện kỹ năng thí nghiệm trong dạy học bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học Vật lí 11”. 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo, các công cụ, thiết kế tiến trình dạy học Vật lí nhằm rèn luyện kĩ năng thí nghiệm cho học sinh trong dạy học bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học - Vật lí 11 chương trình cơ bản. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lí luận về vai trò của thí nghiệm Vật lí trong việc tổ chức hoạt động nhận thức của học sinh ở các trường THPT. - Nghiên cứu cơ sở lí luận, yêu cầu đối với thí nghiệm ảo. - Ứng dụng công nghệ thông tin để xây dựng bài thí nghiệm thực hành Vật lí ảo trong phần Quang hình học (Vật lí 11 Cơ bản THPT) đáp ứng các yêu cầu cơ bản của thí nghiệm thực hành vật lí 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 được trong quá trình dạy bài thực hành phần Quang hình học. - 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. 3 4. Khách thể và đối tượng nghiên cứu - Khách thể nghiên cứu: Quá trình dạy và học thực hành thí nghiệm của giáo viên và học sinh lớp 11 trường THPT Lý Tử Tấn, huyện Thường Tín, thành phố Hà Nội. - Đối tượng nghiên cứu: Kĩ năng thí nghiệm của học sinh trong học tập Vật lí ở trường trung học phổ thông. 5. Vấn đề nghiên cứu Đề tài tập trung vào nghiên cứu hai vấn đề cơ bản sau: - Ứng dụng công nghệ thông tin để xây dựng bài thí nghiệm thực hành Vật lí ảo trong phần Quang hình học như thế nào để đáp ứng các yêu cầu cơ bản của thực hành vật lí hiện nay? - Việc sử dụng thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ trong quá trình dạy bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học 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 vể hình ảnh các thiết bị, quy trình, thao tác thí nghiệm và thiết kế tiến trình dạy học kết hợp 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 trình độ kiến thức, kĩ năng thí nghiệm cho học sinh trong dạy học Vật lí. 7. Phạm vi nghiên cứu - Sử dụng phần mềm Flash CS3 để xây dựng thí nghiệm ảo trong bài thí nghiệm thực hành của phần Quang hình học (Vật lí 11 Cơ bản THPT). - Sử dụng thí nghiệm ảo trong tiết dạy thực hành thí nghiệm phần Quang hình học, Vật lí 11 chương trình cơ bản THPT. 4 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Về lí luận: Đề tài phát triển lí luận về rèn luyện kĩ năng thí nghiệm Vật lí cho học sinh THPT. - Về 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. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lí luận: Nghiên cứu lí luận về thí nghiệm trong dạy và học Vật lí ở trường THPT; lí luận về thí nghiệm ảo, các yêu cầu đối với thí nghiệm ảo. - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: + Nghiên cứu thực tiễn việc dạy và học thí nghiệm thực hành trong phần Quang hình học. + 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 vật lí 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. 10. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, khuyến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn dự kiến được trình bày trong 3 chương: 5 Chương 1: Cơ sở lí luận và thực tiễn của đề tài. Chương 2: Xây dựng và sử dụng thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực hành Vật lí phần Quang hình học – Vật lí 11 Cơ bản THPT. Chương 3: Thực nghiệm sư phạm. 6 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.1. Thí nghiệm Vật lí và vai trò trong dạy học ở trường phổ thông 1.1.1. Thí nghiệm Vật lí, các đặc điểm của thí nghiệm Vật lí Thí nghiệm Vật lí (TNVL) là sự tác động 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 [7, tr. 76] Thí nghiệm Vật lí có các đặc điểm sau: - Các điều kiện của thí nghiệm phải được lựa chọn và được thiết lập có chủ định sao cho thông qua thí nghiệm, có thể trả lời được câu hỏi đặt ra, có thể kiểm tra được giả thuyết hoặc hệ quả suy ra từ giả thuyết.. Mỗi thí nghiệm có ba yếu tố cấu thành cần được xác định rõ: 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, trong khi các đại lượng khác giữ không đổi. - Các điều kiện của thí nghiệm phải được khống chế, kiểm soát đúng như dự định nhờ sử dụng các thiết bị thí nghiệm có độ chính xác ở mức độ cần thiết, nhờ sự phân tích thường xuyên các yếu tố của đối tượng cần nghiên cứu, làm giảm tối đa ảnh hưởng của các nhiễu. - Đặc điểm đặc biệt quan trọng của thí nghiệm là tính có thể quan sát được các biến đổi của đại lượng nào đó do 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. 7 - Có thể lặp lại thí nghiệm. Tức là: với các thiết bị thí nghiệm, các điều kiện thí nghiệm như nhau thì khi bố trí lại hệ thí nghiệm, tiến hành lại thí nghiệm, hiện tượng, quá trình Vật lí phải diễn ra trong thí nghiệm giống như ở các lần thí nghiệm trước đó. [9, tr. 56-61] 1.1.2. Vai trò của thí nghiệm trong dạy học Vật lí ở THPT 1.1.2.1. Nhiệm vụ cơ bản của dạy học Vật lí Dạy học Vật lí là tổ chức, hướng dẫn cho học sinh thực hiện các hành động nhận thức Vật lí, để họ có thể tái tạo được kiến thức, kinh nghiệm xã hội (nhờ đó biến chúng thành tri thức của mình), đồng thời làm biến đổi bản thân học sinh, hình thành và phát triển những phẩm chất năng lực của họ. Để thực hiện có hiệu quả mục đích này của hoạt động dạy và hoạt động học, người giáo viên nhất thiết phải nghiên cứu các hoạt động theo một trình tự logic của kiến thức phù hợp với tư duy nhận thức, hành động của học sinh. Hơn nữa giáo viên phải chú ý tới từng đối tượng học sinh nói riêng để định ra những hành động phù hợp, đặc biệt là hành động để tạo ra những điều kiện thuận lợi giúp cho học sinh có thể thực hiện tốt các hành động học tập. Dạy học Vật lí (DHVL) ở phổ thông phải đảm bảo thực hiện tốt những nhiệm vụ cơ bản sau: - Hình thành cho học sinh hệ thống kiến thức cơ bản (về khoa học và về phương pháp nghiên cứu khoa học Vật lí), vững chắc ở mức độ hiện đại. - Phát triển tư duy và năng lực sáng tạo của học sinh. - Hình thành thế giới quan duy vật biện chứng cho học sinh. - Góp phần giáo dục kỹ thuật tổng hợp và bảo vệ môi trường. Các nhiệm vụ trên có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, được tiến hành trong quá trình DHVL. Trên cơ sở hệ thống kiến thức Vật lí, đặc điểm của học sinh và nhiệm vụ của nhà trường THPT, giáo viên cần lựa chọn những 8 hình thức tổ chức và phương pháp dạy học phù hợp để thực hiện các nhiệm vụ đó một cách tối ưu. 1.1.2.2. Vai trò thí nghiệm theo quan điểm lí luận nhận thức Kế thừa những thành tựu của rất nhiều nhà khoa học trên con đường đi tìm chân lí, V.I. Lênin đã khái quát hoá và đưa ra con đường nhận thức khoa học như sau: “Từ trực quan sinh động đến tư duy trừu tượng, rồi từ tư duy trừu tượng trở về thực tiễn, đó là con đường biện chứng của sự nhận thức chân lí, của sự nhận thức hiện thực khách quan”. Như vậy thực nghiệm luôn là cơ sở để bắt đầu quá trình nhận thức và đồng thời cũng nhờ thực nghiệm mà quá trình nhận thức mới đi đến cái đích là thực tiễn khách quan. Đối với khoa học Vật lí, con đường nhận thức đó đã được nhiều nhà Vật lí nổi tiếng như A.Einstein, M.Planck,... phát biểu, tuy bằng nhiều cách khác nhau nhưng đều toát lên rằng quá trình nhận thức sáng tạo ấy diễn ra theo một chu trình: 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 lí thuyết hoặc bằng suy luận lôgíc hoặc bằng suy luận toán học; để rồi, những hệ quả lí 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 lí thuyết ấy thì hoặc làm mô hình lí thuyết không phù hợp hoặc tìm ra giới hạn áp dụng cho mô hình giả thuyết. - Và đương nhiên xuất phát từ thực nghiệm người học phải tìm mọi cách để chứng minh giả thuyết của mình và từ đó lại phát hiện những mâu thuẫn mới cần giả thuyết mới và người học lại kiểm chứng bằng thực tế,.... 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 9 kiện thực nghiệm mới không thể giải thích được bằng mô hình cũ, lúc này ta phải bổ sung, chỉnh lí 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 lí khách quan. Chu trình nhận thức sáng tạo này theo Razumôpxki có thể được biểu diễn bằng sơ đồ trên hình1.1. [7] Mô hình giả định Các hệ quả lôgíc trừu tượng Những sự kiện Thí nghiệm khởi đầu kiểm tra Hình 1.1: Sơ đồ Chu trình sáng tạo theo Razumôpxki. Trong hoạt động nhận thức Vật lí thường diễn ra những hành động phổ biến sau: - Quan sát, phân tích một hiện tượng phức tạp ra 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 các tính chất chung; mối quan hệ khách quan, phổ biến giữa các sự vật, hiện tượng. - Mô hình hoá những sự kiện thực tế quan sát được dưới dạng những khái niệm, những mô hình lí tưởng để sử dụng chúng làm công cụ tư duy. - Đo các đại lượng Vật lí, tìm mối quan hệ hàm số giữa các đại lượng 10 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 một 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 qua hành động. Đánh giá kết quả hành động. - Tìm phương pháp chung để giải quyết một loạt các vấn đề. Cuối cùng, mỗi hành động được thực hiện bằng nhiều thao tác, 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. Những thao tác phổ biến cần dùng trong hoạt động nhận thức Vật lí là: - Thao tác vật chất: + Nhận biết bằng giác quan. + Tác động lên các vật thể bằng công cụ: chiếu sáng, hơ nóng, làm biến dạng, cọ xát ... + Sử dụng các dụng cụ đo. + Làm thí nghiệm (bố trí, lắp ráp, vận hành thiết bị ...). + Thu thập tài liệu, ghi nhận số liệu thực nghiệm. + Thay đổi các điều kiện thí nghiệm, điều chỉnh.... - Thao tác tư duy: Phân tích, tổng hợp, so sánh, trừu tượng hoá, khái quát hoá, quy nạp, diễn dịch.... Vai trò của thí nghiệm trong mỗi giai đoạn nhận thức phụ thuộc vào vốn hiểu biết của con người, khối kiến thức đã có về đối tượng cần nghiên cứu. Trong dạy học Vật lí ở phổ thông thí nghiệm có các vai trò sau: + Thí nghiệm là phương tiện để học sinh thu nhận tri thức: 11