vận dụng phương pháp thực nghiệm vào dạy học chương động lực học chất điểm và chương các định luật bảo toàn vật lí lớp 10 với sự hỗ trợ của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH DƯƠNG QUỐC VIỆT VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀO DẠY HỌC CHƯƠNG "ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM" VÀ CHƯƠNG "CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN" VẬT LÍ LỚP 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH

DƯƠNG QUỐC VIỆT

VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀO DẠY HỌC CHƯƠNG "ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM" VÀ CHƯƠNG "CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN" VẬT LÍ LỚP 10 VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM ẢO

Chuyên ngành : Lí luận và phương pháp dạy học môn Vật lí

Mã số : 60 14 10

LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS MAI VĂN TRINH

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu hồn thành luận văn, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến:

- PGS.TS Mai Văn Trinh, người hướng dẫn khoa học, đã tận tình hướng dẫn tơi trong suốt thời gian nghiên cứu và hồn thành luận văn này

- Các Thầy (Cơ) trong Khoa Vật lí và Phịng KHCN & SĐH Trường ĐHSP Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hồn thành luận văn này

- Ban giám hiệu, các Thầy (Cơ) trong tổ Vật lí trường THPT Nguyễn Văn Tiếp huyện Tân Phước, Tiền Giang nơi tơi cơng tác và tiến hành thực nghiệm sư phạm

- Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này

Tác giả

Dương Quốc Việt

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 0

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 3

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 3

4 Giả thuyết khoa học 4

5 Nhiệm vụ nghiên cứu 4

6 Phương pháp nghiên cứu 4

7 Cấu trúc luận văn 5

8 Những đóng góp của luận văn 5

Chương I: CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM ẢO TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG 6

1.1 Những định hướng cơ bản trong việc đổi mới phương pháp dạy học vật lí ở trường phổ thông 6

1.2 Phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu khoa học vật lí 10

1.2.1 Khái niệm chung 10

1.2.2 Sự ra đời của phương pháp thực nghiệm trong sự phát triển của vật lí học 12

1.2.3 Nội dung của phương pháp thực nghiệm 13

1.3 Phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí 15

1.3.1 Sự chuyển hóa của phương pháp nhận thức khoa học thành phương pháp dạy học 15

1.3.2 Các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí 15

1.3.3 Vai trò của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí ở phổ thông 17 1.3.4 Các mức độ sử dụng phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí 18

1.3.5 Phối hợp phương pháp thực nghiệm và các phương pháp nhận thức khác trong dạy học vật lí 22

1.3.6 Những sự chuẩn bị cần thiết để sử dụng phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí 23

1.3.7 Ưu điểm và hạn chế của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí 25 1.4 Phương pháp thực nghiệm với sự hỗ trợ của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo 26 1.4.1 Thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo 26 1.4.2 Các đặc điểm của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo 31 1.4.3 Nguyên tắc sử dụng thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo trong dạy học vật lí 32 1.4.4 Khả năng sử dụng thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo trong dạy học vật lí 33 1.4.5 Khả năng ứng dụng thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo vào các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí 37 1.5 Phương pháp soạn thảo tiến trình dạy học một kiến thức vật lí cụ thể theo phương pháp thực nghiệm 38 1.6 Kết luận chương 1 39

Chương II: VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM ẢO VÀO DẠY HỌC CHƯƠNG “ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM” VÀ CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” VẬT LÍ 10 40

2.1 Phân tích mục tiêu dạy học và cấu trúc nội dung chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” 40 2.1.1 Mục tiêu 40 2.1.2 Nội dung 42 2.2 Thực trạng khi dạy học chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” 47 2.3 Thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” theo phương pháp thực nghiệm với sự

hỗ trợ của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo 49 2.3.1 Định luật III Niu-tơn 49 2.3.2 Định luật bảo toàn cơ năng 60

Chương III: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 77

3.1 Mục đích của thực nghiệm sư phạm 77

3.2 Đối tượng và nhiệm vụ của thực nghiệm sư phạm 77

3.2.1 Đối tượng thực nghiệm sư phạm 77

3.2.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm 78

3.3 Phương pháp thực nghiệm sư phạm 78

3.3.1 Chọn mẫu thực nghiệm 78

3.3.2 Quan sát giờ học 79

3.3.3 Các bài kiểm tra 79

3.4 Kết quả thực nghiệm sư phạm 79

3.4.1 Nhận xét về tiến trình dạy học 79

3.4.2 Đánh giá kết quả học tập của học sinh 80

3.4.3 Kiểm định giả thuyết thống kê 84

3.5 Kết luận chương 3 85

KẾT LUẬN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ

CNTT : Công nghệ thông tin

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 – Bảng hoạch định các hoạt động của giáo viên và học sinh ………10

Bảng 1.2 – Bảng so sánh các đặc điểm của thí nghiệm thực và mô phỏng bằng máy vi tính……….29

Bảng 2.1 – Cấu trúc nội dung chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn”……….42

Bảng 3.1 – Bảng thống kê các điểm số (Xi) của bài kiểm tra……… 80

Bảng 3.2 – Bảng phân bố tần suất của hai nhóm……… 81

Bảng 3.3 – Bảng phân bố tần suất tích lũy của hai nhóm……….82

Bảng 3.4 – Bảng phân loại theo học lực……… 82

Bảng 3.5 – Bảng tổng hợp các tham số thống kê……….83

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ Trang Đồ thị 3.1 – Đồ thị phân bố điểm của nhóm thực nghiệm và nhóm đối chứng 81

Đồ thị 3.2 – Đồ thị phân bố tần suất của nhóm thực nghiệm và nhóm đối chứng 81

Đồ thị 3.3 – Đồ thị phân bố tần suất tích lũy của nhóm thực nghiệm và nhóm đối chứng 82

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Xã hội của thế kỉ XXI là một xã hội dựa vào tri thức, xã hội của nền văn minh hiện đại, thời kì của sự bùng nổ tri thức và khoa học công nghệ… Để hòa nhập với tốc độ phát triển của nền khoa học kĩ thuật trên thế giới, sự nghiệp giáo dục cũng phải nhanh chóng đổi mới nhằm đào tạo ra những con người có đủ trình độ kiến thức, năng lực trí tuệ sáng tạo và phẩm chất đạo đức tốt Sự đổi mới này đòi hỏi nhà trường phải tạo ta những con người lao động tự chủ, năng động và sáng tạo Đặc

biệt là người học phải đạt tới trình độ: học để biết, học để làm, học để phát triển

Vì vậy, đổi mới phương pháp dạy học (PPDH) là một trong những mục tiêu lớn được ngành giáo dục đào tạo đặt ra trong giai đoạn hiện nay và là mục tiêu chính đã

được Nghị quyết TW 2 (khóa VIII) nêu rõ: “Đổi mới mạnh mẽ phương pháp giáo

dục và đào tạo, khắc phục lối truyền thụ một chiều, rèn luyện nếp tư duy sáng tạo của người học Từng bước áp dụng các phương pháp tiên tiến và phương tiện hiện đại vào quá trình dạy học, đảm bảo điều kiện và thời gian tự học, tự nghiên cứu cho học sinh,…” [8] và đã được thể chế hóa trong Luật Giáo dục Điều 24.2 Luật Giáo

dục qui định: “Phương pháp giáo dục phổ thông phải phát huy tích cực, tự giác,

chủ động, sáng tạo của học sinh; phù hợp với đặc điểm của từng lớp học, môn học; bồi dưỡng phương pháp tự học, khả năng làm việc theo nhóm; rèn luyện kĩ năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn; tác động đến tình cảm, đem lại niềm vui, hứng thú học tập cho học sinh” [17]

Chiến lược phát triển Giáo dục 2001 - 2010 (ban kèm quyết định số 201/2001/QĐ – TTg ngày 28 tháng 12 năm 2001 của Thủ tướng Chính phủ), ở mục

5.2 ghi rõ: “Đổi mới và hiện đại hóa phương pháp giáo dục Chuyển từ việc truyền

thụ tri thức thụ động thầy giảng trò ghi sang hướng dẫn người học chủ động tư duy 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, có tư duy phân tích tổng hợp; phát triển năng lực của mỗi cá nhân; tăng cường tính chủ động tích cực của học sinh, sinh viên trong quá trình học tập,…”

Ở nước ta, vấn đề ứng dụng công nghệ thông tin (CNTT) trong giáo dục đào tạo được Đảng và Nhà nước rất coi trọng, coi yêu cầu đổi mới PPDH có sự hỗ trợ của các phương tiện kỹ thuật hiện đại là điều hết sức cần thiết Các Văn kiện, Nghị quyết, Chỉ thị của Đảng, Chính phủ, Bộ Giáo dục – Đào tạo đã thể hiện rõ điều này Chỉ thị số 29 của Bộ Giáo dục – Đào tạo (ngày 30/7/2001/CT) về tăng cường giảng dạy, đào tạo và ứng dụng CNTT trong ngành giáo dục giai đoạn 2001 – 1005

nêu rõ “CNTT là phương tiện để tiến tới một xã hội hóa học tập nhưng giáo dục và

đào tạo phải đóng vai trò quan trọng bậc nhất thúc đẩy sự phát triển của CNTT ”

Chiến lược phát triển Giáo dục đến năm 2010 của Bộ Giáo dục – Đào tạo đã yêu cầu ngành giáo dục phải từng bước phát triển giáo dục dựa trên CNTT, vì “CNTT và

đa phương tiện sẽ tạo ra những thay đổi lớn trong quản lý hệ thống giáo dục, trong chuyển tải nội dung chương trình đến người học, thúc đẩy cuộc cách mạng về phương pháp dạy và học”

Đặc biệt, công văn số 9584/BGDĐT – CNTT ngày 7/9/2007 của Bộ Giáo dục và Đào tạo gửi cho các Sở Giáo dục và Đào tạo, các trường đại học, cao đẳng sư phạm

và các khoa sư phạm, yêu cầu phải nhanh chóng “đẩy mạnh việc dạy môn Tin học

và ứng dụng CNTT trong giáo dục, góp phần đổi mới phương pháp dạy học và quản

lí giáo dục”

Hiện nay ở trên thế giới cũng như ở nước ta có rất nhiều PPDH hiện đại nhằm phát huy tốt vai trò của học sinh (HS) trong đó có dạy học theo phương pháp thực nghiệm (PPTN) Dạy học theo PPTN nhằm tích cực hóa tư duy của người học, giúp người học tìm kiếm, phát hiện, khám phá ra vấn đề và giải quyết vấn đề trong quá trình dạy học đồng thời nâng cao tính chủ động và sáng tạo của người học Vì thế việc nghiên cứu và vận dụng PPTN vào dạy học vật lí (DHVL) là rất cần thiết Thực trạng giáo dục nước ta qua nghiên cứu cho thấy việc giảng dạy kiến thức vật lí (VL) nói chung, chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật

bảo toàn” VL lớp 10 nói riêng cho HS vẫn còn được tiến hành theo lối thông báo –

tái hiện HS phổ thông có quá ít điều kiện để nghiên cứu, quan sát và tiến hành các

thí nghiệm vật lí (TNVL) HS tiếp thu kiến thức một cách thụ động, máy móc chủ yếu là học thuộc lòng các kiến thức Từ đó, HS cảm thấy chán học, mệt mỏi, không hiểu bài, không làm bài tập được…

Bên cạnh đó, cách tiếp cận một số kiến thức trong chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” VL lớp 10 được các tác giả viết theo

trình tự: xuất phát từ thí nghiệm vật lí → từ kết quả thí nghiệm rút ra các định luật

vật lí → vận dụng các định luật vào việc giải thích một số hiện tượng VL thường

gặp trong đời sống hoặc giải các bài tập VL trong phạm vi áp dụng các định luật đó Trong thực tế DHVL thường gặp những hiện tượng, quá trình không thể tiến hành thí nghiệm thực để kiểm tra được do hạn chế về thời gian, không gian, giá cả quá đắt… Máy vi tính với những thế mạnh về lưu trữ, xử lý và trình bày thông tin một cách linh hoạt cho phép xây dựng những thí nghiệm mô phỏng (TNMP) và thí nghiệm ảo (TNA) Những thí nghiệm này được sử dụng một cách linh hoạt trong quá trình dạy học nhằm nâng cao chất lượng nắm vững kiến thức và vận dụng kiến thức của người học

Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi chọn nghiên cứu đề tài: “Vận dụng phương

pháp thực nghiệm vào dạy học chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” vật lí lớp 10 với sự hỗ trợ của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo”

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu

+ Phương pháp thực nghiệm trong DHVL

+ Máy vi tính với một số phần mềm dạy học

+ Hoạt động dạy của giáo viên (GV) và hoạt động học của HS khi dạy học chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” VL lớp 10

* Phạm vi nghiên cứu

+ Thiết kế tiến trình dạy học một số nội dung chương “Động lực học chất điểm”

và chương “Các định luật bảo toàn” VL lớp 10 theo PPTN với sự hỗ trợ của TNMP

và TNA

+ Thực nghiệm sư phạm (TNSP) ở một số lớp 10 của trường trung học phổ thông (THPT) Nguyễn Văn Tiếp, huyện Tân Phước, tỉnh Tiền Giang

4 Giả thuyết khoa học

Nếu vận dụng PPTN với sự hỗ trợ của TNMP và TNA một cách khoa học vào dạy học chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” VL lớp 10 thì sẽ phát huy tính tích cực học tập, tăng cường sự bền vững của kiến thức

từ đó nâng cao chất lượng DHVL

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

+ Nghiên cứu những định hướng đổi mới phương pháp DHVL ở trường THPT hiện nay

+ Nghiên cứu lí luận về PPTN trong nghiên cứu khoa học VL và trong DHVL với

+ Tiến hành TNSP ở trường THPT để kiểm chứng giả thuyết khoa học và tính khả thi của đề tài

6 Phương pháp nghiên cứu

* Phương pháp nghiên cứu lí thuyết

+ Nghiên cứu các văn kiện của Đảng và Nhà nước, các nghị định, thông tư, chỉ thị của Bộ Giáo dục và Đào tạo về đổi mới PPDH hiện nay ở trường THPT

+ Nghiên cứu cơ sở lí luận của PPTN trong DHVL

+ Nghiên cứu nội dung chương trình, sách giáo khoa (SGK), sách giáo viên VL

10 và các tài liệu tham khảo, các bài báo đăng trong tạp chí khoa học có liên quan đến đề tài

+ Nghiên cứu các tài liệu hướng dẫn một số phần mềm hỗ trợ dạy học

* Phương pháp thực nghiệm sư phạm

Tiến hành TNSP ở trường THPT có đối chứng để kiểm tra tính khả thi của đề tài khi sử dụng PPTN trong DHVL với sự hỗ trợ của TNMP và TNA

* Phương pháp thống kê toán học

Sử dụng phương pháp thống kê toán học mô tả và thống kê kiểm định để xử lý kết quả TNSP và kiểm định giả thuyết thống kê về sự khác biệt trong kết quả học tập của nhóm đối chứng (ĐC) và thực nghiệm (TN), qua đó khẳng định kết quả nghiên cứu của đề tài

7 Cấu trúc luận văn

MỞ ĐẦU

Chương I: Cơ sở lí luận của phương pháp thực nghiệm với sự hỗ trợ của thí nghiệm

mô phỏng và thí nghiệm ảo trong dạy học vật lí ở trường phổ thông

Chương II: Vận dụng phương pháp thực nghiệm với sự hỗ trợ của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo vào dạy học chương “Động lực học chất điểm” và chương

“Các định luật bảo toàn” vật lí lớp 10

Chương III: Thực nghiệm sư phạm

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

8 Những đóng góp của luận văn

- Làm sáng tỏ cơ sở lí luận của PPTN trong DHVL với sự hỗ trợ của TNMP và TNA

- Soạn thảo được 5 tiến trình dạy học kiến thức vật lí chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” theo các giai đoạn của PPTN

- Khai thác và sử dụng có hiệu quả một số TNMP và TNA hỗ trợ các tiến trình dạy học một số kiến thức vật lí theo các giai đoạn của PPTN

- Góp phần nâng cao chất lượng nắm vững kiến thức và bồi dưỡng PPTN trong DHVL cho HS lớp thực nghiệm

Chương I

CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM ẢO TRONG

DẠY HỌC VẬT LÍ Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG

1.1 Những định hướng cơ bản trong việc đổi mới phương pháp dạy học vật lí ở trường phổ thông [2], [3]

1 Sử dụng các phương pháp dạy học truyền thống theo tinh thần phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo của học sinh

Trong việc đổi mới PPDH, ta không phủ nhận vai trò của các PPDH truyền thống Ở một mức độ nào đó, ta phải xem xét các phương pháp này theo quan điểm mới, theo hướng tích cực hóa hoạt động học tập của HS Muốn vậy, GV phải kích thích được óc tò mò khoa học, ham hiểu biết của HS bằng cách tạo ra những tình huống có vấn đề Đó thường là những câu hỏi thú vị gây hứng thú học tập, tạo nhu cầu nhận thức và có thể nghiên cứu được đối với HS

Hệ thống các PPDH truyền thống được phân thành các nhóm phương pháp như nhóm các phương pháp dùng lời, nhóm các phương pháp trực quan, nhóm các phương pháp thực hành Trong dạy học truyền thống, GV thường hay sử dụng kết hợp nhiều PPDH thuộc các nhóm khác nhau một cách linh hoạt

Như vậy, đổi mới PPDH không phải là phủ định hoàn toàn các PPDH truyền thống mà sử dụng chúng theo tinh thần mới như phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo của người học

2 Chuyển từ phương pháp nặng về sự diễn giảng của giáo viên sang phương pháp nặng về tổ chức cho học sinh hoạt động để tự chiếm lĩnh kiến thức và kĩ năng

Theo PPDH truyền thống, GV là người truyền thụ kiến thức, còn HS là người tiếp thu kiến thức Ở đây, GV chủ yếu sử dụng phương pháp giảng giải kết hợp minh họa, việc sử dụng thiết bị dạy học hạn chế dẫn đến tình trạng dạy theo kiểu

“thầy đọc – trò chép” Theo phương pháp mới, GV giao cho HS đọc, nghiền ngẫm SGK, rồi sau đó đặt câu hỏi để kiểm tra sự lĩnh hội kiến thức của các em Thông qua cách trả lời, trình bày, báo cáo mà HS được rèn luyện những kĩ năng và tố chất cần thiết cho mình

Theo quan niệm mới về dạy học, vai trò chủ yếu của GV là tổ chức, hướng dẫn, điều khiển hoạt động học tập của HS, giúp HS đạt được mục tiêu của bài học GV không thuyết trình, giảng giải mọi vấn đề mà chủ động tạo điều kiện rèn luyện óc độc lập suy nghĩ và tư duy sáng tạo cho HS

Việc đổi mới PPDH của GV đòi hỏi HS phải đổi mới phương pháp học tập Đây

là một tất yếu đòi hỏi người học phải nỗ lực, chủ động, sáng tạo trong các hoạt động nhận thức của mình Như vậy, trọng tâm của tiết dạy phải đặt vào hoạt động của HS trong tiết dạy đó

Phối hợp các hình thức tổ chức hoạt động học tập ngoài lớp học để tạo điều kiện cho việc rèn luyện những hoạt động học tập đa dạng của HS, cần phối hợp nhiều hình thức tổ chức học tập ngoài lớp học, trong đó chuyển dần từ dạy học truyền thụ kiến thức sang dạy học giải quyết vấn đề như:

– Tổ chức và hướng dẫn cho HS tự học môn VL ở nhà, làm thí nghiệm thực hành, lấy số liệu thống kê, nghiên cứu học tập, ngoại khóa

– Tổ chức các nhóm nghiên cứu nhỏ, thi nhóm các nhà nghiên cứu trẻ Đề tài nghiên cứu có thể rất đa dạng như làm một thí nghiệm nào đó về VL, tìm hiểu một ứng dụng nào đó của VL trong thực tế hoặc cấu tạo và hoạt động của một thiết bị kĩ thuật nào đó

3 Tăng cường học tập cá nhân, phối hợp một cách hài hòa với học tập hợp tác

Các hình thức tổ chức học tập cá nhân, theo nhóm và theo lớp là các hình thức vẫn được áp dụng theo PPDH truyền thống Theo PPDH mới, hình thức học tập cá nhân vẫn là hình thức học tập cơ bản, có hiệu quả nhưng HS phải có tinh thần học tập một cách tự giác, chủ động Học tập hợp tác là hình thức học tập bổ trợ có tác dụng rèn luyện người học tinh thần hợp tác lao động, chia sẻ kinh nghiệm, học hỏi lẫn nhau, ý thức trách nhiệm với công việc chung Phối hợp chặt chẽ những nỗ lực

cá nhân trong tự học với việc học tập hợp tác trong nhóm Một trong những hình thức tăng cường hoạt động của HS trên lớp là sử dụng phiếu học tập cho HS

Trong học tập, không phải bất kì một nhiệm vụ học tập nào cũng có thể được hoàn thành bởi những hoạt động thuần túy cá nhân Có những câu hỏi, những vấn

đề được đặt ra khó và phức tạp, đòi hỏi có sự hợp tác giữa các cá nhân mới có thể hoàn thành nhiệm vụ Theo lí thuyết về vùng phát triển gần nhất của Vư-gốt-sky,

mỗi cá nhân có thể vươn tới những tầm hiểu biết rộng hơn nhờ sự trao đổi với bạn

bè Thông qua sự hợp tác tìm tòi, nghiên cứu, thảo luận, tranh luận trong tập thể, ý kiến của mỗi cá nhân được điều chỉnh, khẳng định hay bác bỏ, qua đó người học nâng mình lên một trình độ mới

Như vậy, hình thức học tập cá nhân vẫn là hình thức hoạt động chủ yếu giúp HS phát triển các năng lực Hoạt động nhóm suy cho cùng cũng nhằm giúp cá nhân chủ động, tích cực tham gia vào quá trình nhận thức của mình

4 Coi trọng việc bồi dưỡng phương pháp tự học

Trong xã hội hiện đại, sự bùng nổ thông tin đòi hỏi mỗi cá nhân phải nỗ lực học tập biết cách cập nhật thông tin GV cần phải quan tâm đến phương pháp học của

HS, từng bước hình thành năng lực tự học để các em có thể tự bổ sung kiến thức và học thường xuyên suốt đời, bằng cách:

– Coi trọng việc trao dồi kiến thức lẫn việc bồi dưỡng kĩ năng, đặc biệt là những

kĩ năng quá trình để đạt tới kiến thức

– Coi trọng việc truyền thụ các phương pháp nhận thức đặc thù của bộ môn như PPTN, phương pháp mô hình Trong đó các thí nghiệm, mô hình VL không chỉ là phương tiện minh họa kiến thức, mà chủ yếu đóng vai trò cung cấp thông tin và là phương tiện giải quyết vấn đề đặt ra

Việc tự học của HS là hoạt động rất cần thiết Ở đây, người GV cần phải bồi dưỡng cho HS khả năng thu thập thông tin, huấn luyện cho HS cách nắm bắt nội dung chính của tài liệu học tập đồng thời giao bài tập về nhà cho HS, có thể tính toán cân đối giữa nội dung học tập trên lớp và nội dung cần tìm hiểu ở nhà

5 Coi trọng việc rèn luyện kĩ năng ngang tầm với truyền thụ kiến thức Đổi mới kiểm tra đánh giá kết quả học tập của học sinh

Việc rèn luyện kĩ năng là một trong những yêu cầu rất quan trọng trong việc hình thành nhân cách HS Hiện nay, rất ít GV chú ý đến lĩnh vực này cho HS Trên lớp

GV cố gắng truyền đạt kiến thức mà không chú ý đến rèn luyện tư duy, rèn luyện kĩ năng cho HS Đổi mới PPDH cũng như kiểm tra, đánh giá coi trọng những kĩ năng, năng lực thực hành của HS Như vậy, người GV phải bồi dưỡng cho HS kĩ năng sống cần thiết bên cạnh truyền thụ kiến thức

Đổi mới PPDH phải đi đôi với đổi mới đánh giá kết quả học tập của HS Việc kiểm tra đánh giá kết quả học tập của HS phải căn cứ vào mục tiêu của môn học Kiểm tra không những trình độ nắm vững kiến thức và vận dụng kiến thức lí thuyết

mà cả kĩ năng thực hành thí nghiệm, đánh giá cao khả năng vận dụng kiến thức và

kĩ năng xử lí và giải quyết sáng tạo những tình huống mới hoặc ít nhiều thay đổi Phối hợp kiểm tra bằng trắc nghiệm tự luận và trắc nghiệm khách quan Tạo điều kiện để HS tự đánh giá kết quả học tập của mình

6 Tăng cường sử dụng thiết bị dạy học, chú trọng các thí nghiệm, ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học vật lí

Trong PPDH mới đòi hỏi người GV phải tăng cường khai thác và sử dụng thành thạo các thí nghiệm sau đây:

– Thí nghiệm cho HS làm trên lớp dưới hình thức cá nhân hay theo nhóm

– Thí nghiệm do GV với một nhóm HS làm biểu diễn trên lớp

– Thí nghiệm do HS làm trong phòng thí nghiệm

Những năm gần đây, CNTT trong các nhà trường đã được quan tâm Mục tiêu của việc học tin học trong nhà trường, mối quan hệ giữa tin học với tư cách là một môn học với việc ứng dụng CNTT trong dạy học đã dần dần được xác định rõ ràng qua các cấp học Cán bộ quản lí giáo dục và GV đã từng bước nhận thức đầy đủ vai trò của CNTT trong dạy học CNTT được chú trọng ở tất cả các bộ môn để góp phần thực hiện đổi mới PPDH

Việc sử dụng CNTT trong dạy học sẽ góp phần đổi mới PPDH trên các mặt như thực hiện học tập trong hoạt động và bằng hoạt động, tăng cường tự học trong quá trình dạy học, sử dụng luân chuyển những hình thức dạy học đa dạng, hình thành và

sử dụng công nghệ dạy học và đổi mới kiểm tra đánh giá

7 Đổi mới cách soạn giáo án

– Lượng hoá các mục tiêu kiến thức và kĩ năng của bài học

– Chia bài học thành một số nội dung riêng biệt hoặc tổ chức bài học thành một chủ đề học tập

– Chuẩn bị các thiết bị thí nghiệm, các PTDH cần thiết

– Hoạch định các hoạt động học của HS và các hoạt động dạy tương ứng của GV trong tiết học Ví dụ:

Bảng 1.1 – Bảng hoạch định các hoạt động của giáo viên và học sinh

Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh

– Tạo tình huống học tập, giao nhiệm vụ

học tập cho HS

– Tiếp nhận nhiệm vụ học tập

– Tổ chức, hướng dẫn hoạt động cho HS

+ Giảng sơ lược nội dung (nếu cần)

+ Giới thiệu và hướng dẫn cách tham

khảo tài liệu, làm thí nghiệm, lấy kết quả

cáo kết quả

+ Tổ chức cho HS thảo luận nhóm để

nhận xét kết quả, đưa ra kết luận và

hướng dẫn HS cách lập bảng, vẽ đồ thị,

rút ra kết luận từ đồ thị

+ Đánh giá nhận xét, kết luận của HS, tổ

chức hợp thức hoá kiến thức

– Xử lí thông tin và báo cáo kết quả

+ Tranh luận với bạn bè trong nhóm

để rút ra nhận xét, kết luận từ những điều tìm hiểu được Lập bảng, vẽ đồ thị, nhận xét kết quả

+ Báo cáo kết quả trước lớp và trả lời các câu hỏi của GV

– Củng cố bài

– Cho bài tập vận dụng

– Ghi nhận những kết luận cuối cùng – Làm bài tập vận dụng

1.2 Phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu khoa học vật lí

1.2.1 Khái niệm chung [24]

Các hiện tượng VL thì muôn màu, muôn vẻ, muốn nghiên cứu xem các sự vật hiện tượng có những thuộc tính gì đặc trưng thì trước tiên phải xây dựng các khái niệm, các đại lượng VL đặc trưng cho các thuộc tính bản chất tất yếu của sự vật hiện tượng VL

Ví dụ: Để đặc trưng cho chuyển động nhanh, chậm của các vật trong tự nhiên cần

phải xây dựng khái niệm vận tốc…

Khi nghiên cứu các quá trình VL, người ta thường xác định các điều kiện cần thiết để hiện tượng xảy ra và lặp lại các điều kiện này để nghiên cứu tính quy luật của hiện tượng Tính quy luật của các biến đổi của sự vật hiện tượng thể hiện qua

các mối liên hệ, sự phụ thuộc giữa các khái niệm VL, các quy tắc VL, các định luật

=Δrr

…

Việc tìm ra các thuộc tính bản chất của sự vật hiện tượng và quy luật biến đổi của chúng là cơ sở để giải thích và tiên đoán về nhiều sự vật hiện tượng cùng loại khác Tuy nhiên, thực hiện được điều này không hề đơn giản vì sự vật hiện tượng luôn biến đổi không ngừng theo thời gian, nếu con người không tác động được để sự vật hiện tượng bộc lộ những thuộc tính bản chất và quy luật biến đổi của chúng mà chỉ quan sát hiện tượng trong sự biến đổi vận động tự nhiên không ngừng rồi từ đó rút

ra những nhận định theo kiểu quy nạp tự nhiên thì đôi khi mắc phải sai lầm; trong lịch sử VL còn ghi nhận những nhận định sai lầm của các nhà khoa học về thuộc tính bản chất và quy luật biến đổi của các sự vật hiện tượng trong tự nhiên

Cho đến khi Galilê đưa ra phương pháp nghiên cứu mới – PPTN, đòi hỏi con người phải biết cách tác động vào tự nhiên để phát hiện các thuộc tính và quy luật biến đổi của chúng và mọi kết luận khoa học đều phải được TN kiểm chứng tính đúng đắn của nó thì khoa học VL mới hạn chế được những sai lầm và thực sự có bước tiến nhảy vọt

Vậy PPTN là phương pháp thu lượm thông tin bằng cách sắp đặt các điều kiện tác động để sự vật hiện tượng bộc lộ những thuộc tính và quy luật tự nhiên của chúng, nhờ đó nhà nghiên cứu có thể xây dựng hoặc kiểm tra được các tri thức mới PPTN là một phương pháp nhận thức khoa học, trong đó nhà nghiên cứu:

– Tạo ra những điều kiện tác động xác định để nghiên cứu quá trình diễn biến của hiện tượng

– Thay đổi các điều kiện tác động để xem hiện tượng thay đổi như thế nào

– Lặp lại các điều kiện tác động để phát hiện ra tính quy luật của hiện tượng

1.2.2 Sự ra đời của phương pháp thực nghiệm trong sự phát triển của vật lí học

[22],[24]

Trong thời cổ đại, khoa học chưa phân ngành và chưa tách khỏi triết học Các nhà hiền triết thời đó cho rằng: “có thể dùng sự suy lý, sự tranh luận để tìm ra chân lý” Vì vậy, nhiều khi họ đã thay thế những mối quan hệ giữa sự vật hiện tượng có thật trong tự nhiên nhưng mình chưa biết thành những mối quan hệ do tự mình tưởng tượng ra một cách chủ quan

Thời trung thế kỷ, Giáo hội đã dùng uy quyền của mình để chống lại khoa học mỗi khi khoa học chỉ ra một chân lý mới trái với kinh thánh, thậm chí còn dùng cả bạo lực ngăn cản bước tiến của khoa học Giáo hoàng Pôn II (thế kỉ XV) nói: “Tôn giáo phải tiêu diệt khoa học vì khoa học là kẻ thù của tôn giáo” Kết quả Bêcơn bị cầm tù hơn 20 năm, Brunô bị thiêu sống vì dám đưa ra những luận cứ khoa học không thuận lợi cho tôn giáo thời đó

Đến thế kỉ XVII, Galilê cho rằng những cuộc tranh luận suông như thế là vô bổ, không đi đến một kết luận khoa học, muốn hiểu biết những thuộc tính của sự vật hiện tượng từ thiên nhiên thì phải quan sát thiên nhiên, phải làm cho thiên nhiên bộc

lộ ra những thuộc tính đó một cách quy luật và khách quan chứ không tuân theo ý muốn chủ quan của con người hoặc thần linh nào cả Galilê xây dựng một phương pháp nghiên cứu mới là PPTN rất có hiệu quả trên con đường đi tìm chân lý, làm cho VL thực sự trở thành một môn khoa học độc lập

Galilê được công nhận là ông tổ của VLTN, người sáng lập ra PPTN Trước kia, Acsimet đã chú trọng đến TN và Rôgiơ đã đề cao TN nhưng chưa nêu lên được thành một phương pháp Trước một hiện tượng tự nhiên cần tìm hiểu, Galilê bắt đầu quan sát để xác định rõ vấn đề cần nghiên cứu, đưa ra một cách giải thích lý thuyết

có tính chất dự đoán Từ lý thuyết đó, ông rút ra những kết luận có thể kiểm tra được bằng TN Sau đó, ông bố trí thí nghiệm thích hợp, tạo điều kiện thí nghiệm và phương tiện thí nghiệm tốt nhất để có thể đạt được kết quả chính xác tin cậy được Cuối cùng, ông đối chiếu kết quả thu được bằng TN với lý thuyết ban đầu Galilê cho rằng các kết luận khoa học đều phải được TN kiểm chứng mới có giá trị

Phương pháp của Galilê có tính hệ thống, tính khoa học, có chức năng nhận thức luận, tổng quát về mặt lý thuyết những sự kiện thực hiện và phát hiện ra bản chất

của sự vật hiện tượng Về sau, các nhà khoa học khác đã kế thừa phương pháp đó và xây dựng cho hoàn chỉnh hơn Những thành tựu ban đầu của VL học TN đã khiến cho thế kỉ XVII trở thành thế kỉ của cuộc cách mạng khoa học thắng lợi với các đại diện tiêu biểu: Torricelli (1608 – 1662), Pascal (1623 – 1662), Otto Guericke (1602 – 1685), Boyle (1627 – 1691), Gilbert (1540 – 1603)…

Như vậy, PPTN với tư cách là một phương pháp nhận thức khoa học đã ra đời và không những thành công trong sự phát triển của VL học cổ điển mà vẫn còn có ý nghĩa rất quan trọng trong quá trình nghiên cứu VL học hiện đại

1.2.3 Nội dung của phương pháp thực nghiệm [4], [22], [23], [28]

Spaski đã nêu lên thực chất của PPTN của Galilê như sau: Xuất phát từ quan sát

và TN, các nhà khoa học xây dựng một giả thuyết Giả thuyết đó không đơn giản chỉ là sự tổng quát hóa các thí nghiệm đã làm, nó chứa đựng một cái gì đó mới mẻ, không có sẵn trong từng thí nghiệm cụ thể Bằng phép suy luận lôgic và bằng toán học, nhà khoa học có thể từ giả thuyết đó mà rút ra một số hệ quả, tiên đoán một số

sự kiện mới mà trước đó chưa biết Những kết quả và sự kiện mới đó lại có thể dùng

TN để kiểm tra lại được Nếu sự kiểm tra đó thành công, nó khẳng định sự đúng đắn của giả thuyết, khi đó giả thuyết được coi là một định luật VL chính xác

Niu-tơn tiếp tục phát triển phương pháp của Galilê lên mức độ đầy đủ và chặt chẻ hơn Phương pháp của Niu-tơn là kết hợp chặt chẽ giữa thí nghiệm và suy luận lý thuyết Niu-tơn đã làm rõ quan điểm đó bằng bốn quy tắc sau đây:

Quy tắc 1: Đối với mỗi hiện tượng, không thừa nhận những nguyên nhân nào khác ngoài những nguyên nhân đủ để giải thích nó Quy tắc này là sự khẳng định vai trò của lý trí con người trong sự nhận thức chân lý, gạt bỏ những luận điểm tôn giáo, kinh viện, không có liên quan đến khoa học

Quy tắc 2: Những hiện tượng như nhau luôn luôn quy về một nguyên nhân Quy tắc này thể hiện tư tưởng nhân quả, quyết định luận của Niu-tơn: Một nguyên nhân xác định phải gây ra một hệ quả xác định

Quy tắc 3: Tính chất của tất cả các sự vật có thể đem ra thí nghiệm được, mà ta không thể làm cho nó tăng lên hoặc giảm xuống thì được coi là tính chất của mọi vật nói chung Quy tắc này là sự quy nạp khoa học, cho phép ta khái quát hóa những trường hợp riêng lẻ để tìm ra những định luật tổng quát

Quy tắc 4: Bất kỳ khẳng định nào rút ra từ TN, bằng phương pháp quy nạp đều là đúng chừng nào chưa có những hiện tượng khác giới hạn hoặc mâu thuẫn với khẳng định đó Quy tắc này thể hiện quan điểm biện chứng về tính tương đối và tuyệt đối của chân lý Nó thừa nhận mỗi chân lý khoa học đều có thể được chính xác hóa thêm, được hoàn chỉnh thêm một bước một, nhưng trong mỗi bước của quá trình nhận thức nó vẫn hoàn toàn có giá trị khoa học

Ở nước ta, cũng có rất nhiều các bài viết khác nhau về PPTN Theo tác giả Phạm Hữu Tòng, nếu nhà khoa học dựa trên việc thiết kế các phương án thí nghiệm khả thi và tiến hành thí nghiệm để thu được thông tin vá rút ra câu trả lời cho vấn đề đặt

ra (một nhận định về một tính chất, một mối liên hệ, một nguyên lí nào đó, cho phép

đề xuất một kết luận mới hoặc xác minh một giả thuyết, một phỏng đoán khoa học nào đó) thì phương pháp nhận thức trong trường hợp này được gọi là PPTN

Còn theo tác giả Nguyễn Đức Thâm và Nguyễn Ngọc Hưng thì phân biệt PPTN theo nghĩa rộng và nghĩa hẹp Theo nghĩa rộng, PPTN có thể bao gồm những ý tưởng ban đầu của các nhà khoa học cho đến kết luận cuối cùng Theo nghĩa hẹp, PPTN có thể hiểu như sau: Từ lý thuyết đã biết suy ra hệ quả và dùng thí nghiệm để kiểm tra hệ quả Các nhà VLTN không nhất thiết phải tự mình xây dựng giả thuyết

mà giả thuyết đó đã có người khác đề ra rồi nhưng chưa kiểm tra được Nhiệm vụ của nhà VLTN lúc này là từ giả thuyết đã có suy ra hệ quả có thể kiểm tra được và tìm cách bố trí thí nghiệm khéo léo, tinh vi để quan sát hiện tượng do lý thuyết dự đoán và thực hiện các phép đo chính xác

PPTN có thể hiểu theo nghĩa rộng hoặc nghĩa hẹp tùy theo quan điểm của mỗi người xem xét, gắn với lịch sử VL học, cũng như tùy theo mục đích cụ thể của người vận dụng nó trong dạy học ở các bậc học khác nhau Nhưng dù phát biểu theo cách nào thì các yếu tố cơ bản của PPTN trong nghiên cứu khoa học cũng bao gồm: – Vấn đề cần giải đáp hoặc giả thuyết cần kiểm tra

– Xử lý một giả thuyết để có thể đưa nó vào kiểm tra bằng TN

– Xây dựng (thiết kế) phương án thí nghiệm cho phép thu lượm thông tin cần thiết cho sự xác lập giả thuyết hoặc kiểm tra giả thuyết

– Tiến hành thí nghiệm và ghi nhận kết quả

– Phân tích kết quả và kết luận

1.3 Phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí

1.3.1 Sự chuyển hóa của phương pháp nhận thức khoa học thành phương pháp dạy học [6]

Khi nghiên cứu lịch sử phát sinh và phát triển của PPDH, Nguyễn Ngọc Quang

đã phát hiện ra quy luật là các PPDH đều có nguồn gốc là những phương pháp khoa

học tương ứng Hay nói cách khác: “Bất cứ phương pháp khoa học nào cũng có thể

chuyển hóa thành PPDH nói chung thông qua các điều kiện” Đồng thời ông cũng nêu khả năng có thể chuyển hóa phương pháp nhận thức khoa học bộ môn thành

PPDH bộ môn: “Phương pháp khoa học bộ môn đã dần chuyển hóa thành PPDH

bộ môn đó; trong sự chuyển hóa này, phương pháp khoa học dần dần biến đổi cho phù hợp với đặc điểm của chủ thể HS và những điều kiện của quá trình dạy học”.

Như vậy, PPTN trong nghiên cứu khoa học VL có thể chuyển hóa thành PPTN trong DHVL

1.3.2 Các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí [4], [6],

[14], [22]

Ở nước ta, việc áp dụng PPTN trong DHVL đã trở thành tư tưởng chỉ đạo của các nhà sư phạm Ngay từ lớp 6, 7, 8 theo chương trình mới, các tác giả SGK VL đã biên soạn một số bài học theo hướng bồi dưỡng cho HS PPTN Vì vậy, phỏng theo các giai đoạn của PPTN trong nghiên cứu khoa học VL, GV có thể hướng dẫn cho

HS hoạt động nhận thức theo các giai đoạn của PPTN như sau:

Làm nảy sinh vấn

đề cần nghiên cứu (câu hỏi cần trả lời)

Đề xuất giả thuyết

Suy luận logic từ giả thuyết

ra hệ quả kiểm tra được bằng TN

Kiểm tra hệ quả bằng TN (bao gồm: thiết

kế phương án

TN, lập kế hoạch TN, bố trí TN, tiến hành TN thu thập dữ liệu, xử

lý kết quả TN)

Vận dụng kiến thức Kinh

Giai đoạn 1: GV 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, tóm lại là nêu lên một câu hỏi mà HS chưa biết câu trả lời, cần phải suy nghĩ tìm tòi mới trả lời được

Giai đoạn 2: GV hướng dẫn, gợi ý cho HS 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 thuyết) Những dự đoán này có thể còn thô sơ,

có vẻ hợp lý nhưng chưa chắc chắn

Giai đoạn 3: Từ giả thuyết dùng suy luận lôgic 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 VL

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 TN không Nếu phù hợp thì giả thuyết trên trở thành chân lý, nếu không phù hợp thì phải xây dựng giả thuyết mới

Giai đoạn 5: Ứng dụng kiến thức HS vận dụng kiến thức để giải thích hay dự đoán một số hiện tượng trong thực tiễn, để nghiên cứu các thiết bị kỹ 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

Khái niệm “vấn đề” dùng để chỉ một khó khăn, một nhiệm vụ nhận thức mà HS không thể dùng tư duy tái hiện đơn thuần các kiến thức, kĩ năng, cách thức hành động đã có mà phải tìm tòi sáng tạo mới giải quyết được và khi giải quyết được thì

HS đã thu được kiến thức, kĩ năng, cách thức hành động mới Vấn đề là một câu hỏi

về một cái chưa biết, câu trả lời là một cái mới, chứ không phải là câu hỏi chỉ đơn thuần yêu cầu nhớ lại những kiến thức đã có

Tình huống có vấn đề là tình huống trong đó xuất hiện vấn đề cần giải quyết mà

HS cảm thấy với khả năng của mình thì có thể giải quyết được nên kích thích hoạt động nhận thức tích cực của HS Có nhiều cách tạo tình huống có vấn đề: từ kinh nghiệm sống, quan sát tự nhiên, thí nghiệm, giải bài tập VL, kể chuyện lịch sử…

Ví dụ: Thí nghiệm đơn giản về sự rơi nhanh khác nhau của hai tờ giấy giống nhau nhưng một tờ được vo tròn, còn tờ kia được để nguyên mâu thuẫn với kinh nghiệm sẵn có của HS (ảnh hưởng của lực cản không khí lên sự rơi của các vật)

Giả thuyết là câu trả lời có tính chất dự đoán cho câu hỏi đã nêu ra Dự đoán này

có thể còn thô sơ nhưng có căn cứ, có lí lẽ, có vẻ hợp lí nhưng chưa chắc chắn Có nhiều cách đề xuất giả thuyết:

– Dựa vào sự liên tưởng tới một kinh nghiệm đã có

Ví dụ: Dựa vào kinh nghiệm về tác dụng của lực lên cánh cửa ra vào quanh bản lề,

HS đề xuất giả thuyết: Tác dụng làm quay vật của lực tỉ lệ với độ lớn F của lực và

khoảng cách l từ điểm đặt của lực tới trục quay (~ Fl)

– Dựa vào sự tương tự, dựa vào phép ngoại suy

Ví dụ: Khi xét xem chuyển động rơi tự do của một vật thuộc loại chuyển động nào,

sử dụng phép ngoại suy từ quy luật đã biết về chuyển động thẳng nhanh dần đều của một vật trên mặt phẳng nghiêng (góc nghiêng của mặt phẳng 0 < α < 900) cho trường hợp giới hạn (α = 900) để đưa ra giả thuyết: Chuyển động rơi tự do của vật là chuyển động thẳng nhanh dần đều

Trong chương trình VL phổ thông, các mối liên hệ định lượng giữa hai đại lượng thường gặp là bằng nhau, tỉ lệ thuận, tỉ lệ nghịch, tỉ lệ nghịch bậc hai, hàm số bậc nhất, tỉ lệ theo hàm số sin, sự bảo toàn của một đại lượng Để HS có thể đề xuất được dự đoán về mối liên hệ định lượng giữa hai đại lượng, cần tiến hành thí nghiệm với một số phép đo nhất định

1.3.3 Vai trò của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí ở phổ thông [24]

Vật lí học ở phổ thông chủ yếu là VLTN, nó giúp:

– Kích thích hoạt động học tập của HS bằng những tình huống có vấn đề

– Rèn luyện tư duy, trực giác nhạy bén, óc sáng tạo cho HS khi tham gia giải quyết các tình huống nhờ các kiến thức đã biết, kinh nghiệm, kĩ năng đã có, so sánh tình huống mới với các tình huống khác đã biết… Biết tìm tòi ý tưởng ban đầu (giả thuyết) để tìm lời giải đáp là kết luận cuối cùng (kết luận khoa học), biết kết hợp nhiều phương pháp nhận thức trong một quá trình nhận thức giải quyết vấn đề – HS biết kết hợp nhuần nhuyễn giữa quan sát, thí nghiệm và suy luận lí thuyết

để đạt được sự thống nhất giữa lí luận và thực tiễn

– HS rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo thực hành thí nghiệm sẽ hổ trợ rất tốt cho việc phát hiện những đặc tính, quy luật của tự nhiên, kiểm tra sự đúng đắn của các kiến thức lí thuyết

1.3.4 Các mức độ sử dụng phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí [22]

Những bài học mà HS 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 HS đã quen thuộc

Ví dụ: Định luật về sự rơi tự do, định luật III Niutơn, quy tắc mômen về cân bằng của vật rắn quay quanh một trục…

Giai đoạn 1

Mức độ 1: HS tự lực phát hiện vấn đề, nêu câu hỏi GV giới thiệu hiện tượng xảy

ra đúng như thường thấy trong tự nhiên để cho HS tự lực phát hiện những tính chất hay những mối quan hệ đáng chú ý cần nghiên cứu

Ví dụ: Cho HS quan sát sự rơi của nhiều vật khác nhau như hòn gạch, tờ giấy, cái lá, hòn bi, cái lông chim Những câu hỏi mà HS 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: GV tạo ra một hoàn cảnh đặc biệt trong đó xuất hiện một hiện tượng mới lạ, lôi cuốn sự chú ý của HS, gây cho họ sự ngạc nhiên, sự tò mò; từ đó HS nêu

ra một vấn đề, một câu hỏi cần giải đáp

Ví dụ: Dao chém gỗ thì gỗ đứt, cũng dao đó chém vào đá 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: GV nhắc lại một vấn đề, một hiện tượng đã biết và yêu cầu HS 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: Sau khi đã học định luật cảm ứng điện từ, đã biết điều kiện phát sinh ra dòng điện cảm ứng, GV yêu cầu HS xem muốn biết đầy đủ hơn về dòng điện cảm ứng còn phải xét vấn đề gì nữa? HS 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? Chiều của dòng điện cảm ứng được xác định như thế nào?

Giai đoạn 2

Risa Fâyman cho rằng “Các định luật VL 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 những mối quan hệ đơn giản nêu trong các định luật

là cả một nghệ thuật Cần phải làm cho HS 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: 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 VL biểu diễn các đặc tính của sự vật, các mặt của hiện tượng Nhưng các nhà VL nhận thấy rằng: những mối quan hệ định lượng đó thường được biểu diễn bằng một số ít hàm số đơn giản như tỉ lệ thuận, tỉ lệ nghịch, hàm số bậc nhất, hàm số bậc hai, hàm số lượng giác… 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 giữa hai đại lượng

Ví dụ: Dự đoán áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích 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 quan hệ giữa hai đại lượng kia rồi tổng hợp kết quả trong một công thức

Ví dụ: Định luật II Niutơn: F mar = r , định luật Ôm cho một đoạn mạch: UI

R

=

Mức độ 3: Những dự đoán đòi hỏi một sự quan sát chính xác, tỉ mỉ, một sự tổng hợp nhiều sự kiện TN, không có điều kiện thực hiện ở trên lớp GV dùng phương pháp kể chuyện lịch sử để giới thiệu các giả thuyết mà các nhà bác học đã đưa ra

Ví dụ: Trường hợp định luật vạn vật hấp dẫn…

Giai đoạn 3

Việc suy ra hệ quả được thực hiện bằng suy luận lôgic hay suy luận toán học Thông thường ở trường phổ thông các phép suy luận này không quá khó Vì biểu hiện trong thực tế của các kiến thức VL rất phức tạp, cho nên điều khó khăn là hệ quả suy

ra phải đơn giản, có thể quan sát, đo lường được trong thực tế

Mức độ 1: Hệ quả có thể quan sát, đo lường trực tiếp HS có thể bố trí lắp đặt các dụng cụ thiết bị để tiến hành các thí nghiệm để kiểm tra sự đúng đắn của các hệ quả

Ví dụ: Hệ quả suy ra từ các giả thuyết về mối quan hệ giữa thể tích, áp suất và nhiệt

độ của một lượng khí có thể đo trực tiếp bằng các dụng cụ: bình chia độ, áp kế, nhiệt kế

Mức độ 2: Hệ quả không quan sát được trực tiếp bằng các dụng cụ đo mà phải tính toán gián tiếp qua việc đo các đại lượng khác

Ví dụ: Giả thuyết về sự bảo toàn động luợng trong tương tác giữa hai vật không trực tiếp kiểm tra được bằng một dụng cụ đo động lượng mà phải tính toán gián tiếp qua việc đo khối lượng và đo vận tốc

Mức độ 3: Hệ quả suy ra trong điều kiện lý tưởng Có nhiều trường hợp, hiện tượng thực tế bị chi phối bởi rất nhiều yếu tố tác động không thể loại trừ được, nhưng ta chỉ xét quan hệ giữa một số rất ít yếu tố; như vậy, hệ quả suy ra từ giả thuyết chỉ là gần đúng

Ví dụ: Trường hợp định luật bảo toàn năng lượng, ta không thể thực hiện được hệ

cô lập như nêu trong giả thuyết

Ví dụ: Thí nghiệm đo nhiệt lượng do dòng điện tỏa ra Q = RI2t

Mức độ 2: HS đã biết nguyên tắc đo các đại lượng nhưng việc bố trí thí nghiệm cho sát với các điều kiện lý tưởng có khó khăn GV phải giúp đỡ bằng cách giới thiệu phương án làm để HS thực hiện

Ví dụ: Cách tạo ra hai vật tương tác cô lập khi xây dựng định luật bảo toàn động lượng: phải cho hệ hai vật chuyển động trong không khí, trên đệm không khí hoặc trên bánh xe có ma sát lăn rất nhỏ

Mức độ 3: Có nhiều trường hợp thí nghiệm kiểm tra là những thí nghiệm kinh điển rất phức tạp và tinh tế, không thể thực hiện ở trường phổ thông Trong trường

hợp này, GV mô tả cách bố trí thí nghiệm rồi thông báo kết quả các phép đo để HS gia công các số liệu, rút ra kết luận hoặc GV thông báo cả kết luận

Ví dụ: Thí nghiệm kiểm tra định luật vạn vật hấp dẫn trên cân xoắn, thí nghiệm kiểm tra công thức của lực tương tác giữa hai điện tích điểm

Giai đoạn 5

Những ứng dụng của các định luật thường có ba dạng: giải thích hiện tượng, dự đoán hiện tượng và chế tạo thiết bị đáp ứng một yêu cầu của đời sống, sản xuất

Mức độ 1: Ứng dụng trong đó HS chỉ cần vận dụng định luật VL để làm sáng tỏ nguyên nhân của hiện tượng hoặc tính toán trong điều kiện lý tưởng như vật chỉ bị chi phối bởi vài định luật đang nghiên cứu Đó có thể là vài bài tập do GV nghĩ ra, chứ không có ý nghĩa trong đời sống hay sản xuất hàng ngày

Ví dụ: Tính cường độ dòng điện qua các điện trở của một mạch điện mắc theo một

Mức độ 3: Xét một ứng dụng kỹ thuật trong đó không chỉ áp dụng các định luật

VL mà còn cần phải có những giải pháp đặc biệt để làm cho các hiện tượng VL có hiệu quả cao, sao cho thiết bị được sử dụng thuận tiện trong đời sống và sản xuất Trong loại ứng dụng này, HS không những phải vận dụng những định luật VL vừa được thiết lập mà còn phải vận dụng tổng hợp những hiểu biết, những kinh nghiệm

về nhiều lĩnh vực khác nhau của VL

Ví dụ: Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để có thể chế tạo ra được một máy phát điện sản xuất ra dòng điện có cường độ đủ mạnh dùng trong đời sống và sản xuất Ngoài các kiến thức về nguyên nhân của dòng điện cảm ứng, còn cần biết cách

bố trí sao cho khung dây quay trong từ trường, dùng các cổ góp để lấy dòng điện ra ngoài mà không làm cho dây bị xoắn đứt, dùng lõi sắt để tăng thêm độ từ thẩm, dùng các là sắt ghép cách điện làm lõi để tránh dòng Fucô…

Tóm lại, việc thực hiện đầy đủ các giai đoạn ở các mức độ khác nhau là cần thiết nhưng không hoàn toàn phải nhất thiết đối với tất cả khi dạy tất cả các kiến thức cụ thể Có nhiều trường hợp ta có thể bỏ qua giai đoạn này hay giai đoạn khác nhưng cấu trúc tổng thể vẫn không ảnh hưởng Về cơ bản ta cần tuân thủ nguyên tắc thầy

tổ chức trò tự lực xây dựng kiến thức, GV có thể tiến hành thí nghiệm thay HS để khỏi mất thời gian vô ích

1.3.5 Phối hợp phương pháp thực nghiệm và các phương pháp nhận thức khác trong dạy học vật lí [22], [24]

Dạy học các kiến thức VL bằng PPTN là một hướng ưu tiên ở trường phổ thông

Để thực hiện mỗi giai đoạn của PPTN, đòi hỏi phải có suy nghĩ sáng tạo và có kĩ năng, kĩ xảo về nhiều mặt Bởi vậy, người GV phải tùy theo nội dung của mỗi kiến thức, tùy theo trình độ HS, tùy theo điều kiện trang bị ở trường phổ thông mà vận dụng linh hoạt các mức độ sử dụng phương pháp này Trong dạy học các định luật

VL theo PPTN có hai trường hợp đáng lưu ý sau đây:

– Có những định luật VLTN nhưng việc suy luận quá phức tạp hoặc những thí nghiệm quá tinh vi, không có điều kiện thực hiện ở trường phổ thông, GV có thể dùng phương pháp kể chuyện lịch sử để HS biết cách giải quyết của các nhà bác học

– Có những định luật trong lịch sử được phát minh bằng con đường TN nhưng ngày nay có thể coi như hệ quả của một định luật, một lý thuyết khái quát hơn Những suy luận này HS có thể hiểu được Bởi vậy, để rèn luyện khả năng suy luận sắc bén cũng như giảm bớt những khó khăn về việc tổ chức thực hiện các thí nghiệm phức tạp cho nên không dạy học những định luật đó hoàn toàn theo PPTN mà chỉ sử dụng một yếu tố của PPTN là làm thí nghiệm kiểm tra minh họa kết luận thu được bằng suy luận lý thuyết

Trong khi áp dụng PPTN, thường phối hợp với các phương pháp nhận thức khác như phương pháp phân tích – tổng hợp, phương pháp quy nạp – diễn dịch, phương pháp khái quát hóa – trừu tượng hóa…

Ví dụ:

+ Khi thành vấn đề nhận thức phải dùng phương pháp phân tích, phương pháp so

sánh, phương pháp trừu tượng hóa

+ Khi xây dựng giả thuyết phải dùng phương pháp suy luận, phương pháp tương

1.3.6.1 Chuẩn bị nội dung dạy học

Lựa chọn một lôgic nội dung bài học thích hợp Phân chia bài học thành những vấn đề nhỏ, phù hợp với trình độ xuất phát của HS, xác định hệ thống những hành động học tập mà HS có thể thực hiện được với sự cố gắng vừa sức

Xây dựng tình huống có vấn đề tương ứng với mỗi nội dung kiến thức cần xây dựng trong bài học Thông thường căn cứ vào hoạt động tìm tòi nghiên cứu của các nhà VL học về mỗi kiến thức mà tạo ra những tình huống, những điều kiện giúp HS

có thể tự lực hoạt động giải quyết vấn đề GV cần tự lực hoạt động, sáng tạo ra những tình huống thích hợp để hướng dẫn HS tìm tòi khám phá theo khả năng của mình

1.3.6.2 Chuẩn bị thí nghiệm vật lí

a) Sử dụng thí nghiệm để phát hiện vấn đề

+ Dùng thí nghiệm để tạo ra vấn đề mới

– Thí nghiệm phải đơn giản tạo ra hiện tượng dễ quan sát không bị nhiều yếu tố gây nhiễu

– Hiện tượng tạo ra trong thí nghiệm phải gây ấn tượng mạnh cho HS

– Hiện tượng tạo ra trong thí nghiệm phải chứa đựng yếu tố trái với suy nghĩ thông thường của HS

+ Dẫn dắt HS phát hiện ra mâu thuẫn nhận thức

– GV phải nêu ra câu hỏi yêu cầu HS nhớ lại một kiến thức một hiện tượng nào

đó nhằm khẳng định lại sự hiểu biết của HS sau đó đưa ra thí nghiệm tạo ra một hiện tượng mới trái với sự hiểu biết trước đó của HS, yêu cầu HS giải thích nguyên nhân

– GV yêu cầu HS nhắc lại kiến thức cũ, vận dụng kiến thức cũ để dự đoán kết quả hiện tượng sẽ xảy ra Sau đó GV đưa ra thí nghiệm để HS thấy hiện tượng không xảy ra như dự đoán, yêu cầu HS trả lời tại sao?

b) Sử dụng thí nghiệm để giải quyết vấn đề

Thí nghiệm có vai trò quyết định trong việc đánh giá một dự đoán là đúng hay sai Thí nghiệm trong giai đoạn này cần thỏa mãn các yêu cầu sau:

– Hiện tượng mà thí nghiệm tạo ra do nguyên nhân chính rõ rệt có thể dùng làm

cơ sở để dự đoán

– Lập luận từ dự đoán đến hệ quả càng ít giai đoạn trung gian càng tốt

– Hiện tượng tạo ra trong thí nghiệm càng dễ quan sát trực tiếp càng tốt

Tìm hiểu các phương án thí nghiệm có thể sử dụng trong bài học, lựa chọn phương án khả thi phù hợp với trình độ HS, cơ sở vật chất hiện có của nhà trường

1.3.6.3 Những hoạt động chủ yếu của giáo viên

– Xây dựng tình huống có vấn đề

– Lựa chọn một lôgic nội dung bài học thích hợp

– Rèn luyện cho HS kĩ năng thực hiện những thao tác cơ bản

– Lựa chọn và cung cấp cho HS những phương tiện, công cụ cần thiết để thực hiện các thao tác

– Định hướng hành động tư duy HS theo các giai đoạn của PPTN

1.3.6.4 Những kĩ năng cần thiết chuẩn bị cho học sinh

a) Kĩ năng đưa ra dự đoán và kĩ năng đề xuất phương án thí nghiệm

b) Kĩ năng bố trí tiến hành thí nghiệm, thực hiện các phép đó cơ bản, thu thập thông tin cần thiết

– Xác định mục đích thí nghiệm

– Dự kiến bố trí thí nghiệm

– Kĩ năng thực hiện các phép đo cơ bản

– Kĩ năng làm thay đổi các yếu tố tác động theo ý định có trước

– Kĩ năng thu thập thông tin

c) Kĩ năng xử lí thông tin

– Sử dụng các phương pháp suy luận logic để xử lí thông tin

– Sử dụng suy luận toán học

1.3.7 Ưu điểm và hạn chế của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí

[10]

1.3.7.1 Ưu điểm của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí

– Phát huy tính tích cực, chủ động trong học tập cho HS, năng lực tư duy của HS một khi được khơi dậy sẽ giúp HS thích thú và trở nên tự giác trong học tập

– Hình thành và rèn luyện cho HS con đường nhận thức tìm tòi sáng tạo, trong đó đòi hỏi ở HS khả năng khái quát hoá rất cao ở bước đề ra giả thuyết có thể kiểm tra trực tiếp hoặc gián tiếp bằng thí nghiệm

– Trong quá trình nhận thức loại này, thực tiễn là điểm xuất phát và đồng thời là tiêu chuẩn của chân lí

– Việc thiết kế thí nghiệm để kiểm tra giả thuyết hoặc kiểm tra hệ quả được suy ra

từ giả thuyết là một quá trình đỏi hỏi sự sáng tạo đáng kể ở HS

– Quá trình đề xuất giả thuyết cũng như đề xuất phương án thí nghiệm kiểm tra giả thuyết là những cơ hội rất tốt để tổ chức thảo luận, tranh luận trong nhóm HS Bằng cách đó, HS trong nhóm và giữa các nhóm được tương tác với trong quá trình học tập có tính chất tìm tòi, khám phá và sáng tạo

1.3.7.2 Hạn chế của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí

– Nếu áp dụng toàn bộ các bước của phương pháp này thì cần nhiều thời gian cho dạy học Vì thế chỉ nên áp dụng một số bước của phương pháp này

– Tuỳ thuộc vào trình độ và khả năng nhận thức của HS mà áp dụng trong các tình huống có độ phức tạp nhiều hoặc ít Điều này đòi hỏi sự hiểu biết vốn kinh nghiệm của HS và nghiệp vụ sư phạm của GV

1.3.7.3 Một số lưu ý khi dạy học theo phương pháp thực nghiệm

– Rất nhiều trường hợp DHVL có thể áp dụng phương pháp này Đó là những cơ hội tốt để rèn luyện và phát triển tư duy sáng tạo cho HS Vì vậy cần tranh thủ mọi trường hợp có thể áp dụng tất cả hoặc một số bước của phương pháp này

– Dự kiến được các giả thuyết mà HS có thể nêu ra và chuẩn bị được đầy đủ các thiết bị để có thể tiến hành các thí nghiệm tương ứng kiểm tra xác nhận hoặc bác bỏ được giả thuyết đã nêu

– Lựa chọn một số trường hợp vừa sức với trình độ và khả năng nhận thức của HS

để áp dụng phương pháp này

1.4 Phương pháp thực nghiệm với sự hỗ trợ của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo

1.4.1 Thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo

1.4.1.1.Thí nghiệm mô phỏng [21], [32], [33], [34]

a) Khái niệm mô phỏng

Khi nói đến mô phỏng các nhà giáo dục nước ngoài đều đề cập tới mô phỏng bằng máy tính Rất khó để có thể đưa ra một định nghĩa chính xác mô phỏng là gì

để mọi người đều thống nhất

– Waldrop (1992) quan niệm rằng mô phỏng là hình thái thứ ba của khoa học giữa lý thuyết và thực nghiệm

– Arthur (1992) cho rằng ngày nay có ba cách thức để tiến vào khoa học đó là lý thuyết toán học, thực nghiệm và mô phỏng trên máy tính

– Theo Simmson và Thompson (1994) mô phỏng là sự trình bày một cách ngắn gọn, đơn giản những yếu tố mấu chốt, cơ bản nhất của một sự kiện, sự vật, hoặc hiện tượng Mô phỏng là sự bắt chước các sự vật hoặc hiện tượng thực Việc mô phỏng đòi hỏi sự tái hiện gần như chính xác những đặc tính hoặc những quy luật cơ bản nhất của hệ thống VL đã được lựa chọn hoặc thu gọn lại Việc mô phỏng phải dựa trên những mô hình toán học đã được xác định Với cách hiểu về mô phỏng như trên thì ta có thể hiểu TNMP là việc trình bày những yếu tố cơ bản nhất của một TNVL tuân theo những quy luật VL có thể được biểu diễn bằng những mô hình toán học xác định TNMP trên máy tính cho phép người dùng tương tác với thí nghiệm bằng cách thay đổi các thông số đầu vào của thí nghiệm nhờ các công cụ nhập liệu được thiết kế bởi nhà lập trình

– Theo tác giả Lê Công Triêm và Trần Huy Hoàng, mô phỏng là một đối tượng hoặc hệ thống các đối tượng được tạo ra trên máy vi tính mang đầy đủ các thuộc tính của một đối tượng hay hệ thống đối tượng thực mà khi thao tác lên các đối tượng đó thì sẽ làm xuất hiện các thuộc tính bên trong từng đối tượng hay mối quan

hệ giữa các đối tượng đó Nhờ đó mà người nghiên cứu hiểu được đối tượng riêng

lẻ hoặc hệ thống đối tượng cần nghiên cứu

TNMP được hiểu là các thí nghiệm được xây dựng từ các dụng cụ và đối tượng

mô phỏng trên cơ sở các đối tượng thực Khi tiến hành thí nghiệm trên các đối

tượng mô phỏng đó sẽ thu được kết quả phù hợp với các quy luật như trong thí nghiệm thực Do vậy, khi tiến hành thí nghiệm này HS sẽ dễ dàng khám phá được những thuộc tính hay các mối quan hệ giữa các đối tượng

b) Phân loại mô phỏng

Alessi và Trollip (1991) phân mô phỏng thành 4 loại chính như sau:

– Mô phỏng VL (Physical simulations): Những mô phỏng loại này tạo điều kiện cho người học điều khiển các sự vật, hiện tượng trên màn hình

– Mô phỏng quá trình (Process simulations): mô phỏng các quá trình diễn ra quá nhanh hay quá chậm không thể quan sát một cách liên tục và tự nhiên được

– Mô phỏng tiến trình (Procedural simulations): Những mô phỏng loại này hướng dẫn các bước một cách liên tục, phù hợp để thực hiện một tiến trình cụ thể – Mô phỏng tình huống (Situational simulations): Những mô phỏng loại này đưa

ra cho người học những tình huống khác nhau và yêu cầu người học thực hiện những hoạt động để giải quyết những tình huống này Với những mô phỏng này, người học có thể làm các thí nghiệm hoặc thiết kế các mô hình

Năm 1988, Collis đưa ra hệ thống phân loại khác gồm 8 loại như sau:

– Trực quan hoá một hệ thống hoặc quá trình với nội dung được mặc định trước; – Trực quan hoá một hệ thống hoặc đối tượng với nội dung được quyết định bởi

sự lựa chọn của người học từ một điểm xuất phát đầu tiên được mặc định trước; – Mô phỏng các bước trong một quy trình hoặc thí nghiệm mà vốn dĩ không thể làm được nếu không có các thiết bị chuyên dùng đặc biệt;

– Thử nghiệm hiệu ứng của một hoặc một số giá trị của biến số trong một công thức cố định;

– Thử nghiệm hiệu ứng của một hoặc một số giá trị của biến số trong một hệ thống phức tạp;

– Cơ hội nhập vai vào môi trường mô phỏng trong đó các quyết định và hệ quả của nó được quy định trước;

– Cơ hội nhập vai nhưng độ thích hợp của quyết định được đánh giá từ bên ngoài, tức là từ người học;

– Cơ hội xây dựng các khuôn mẫu tình huống và các hệ thống tưởng tượng

Cho dù phân loại như thế nào đi nữa thì mô phỏng đều có các đặc trưng là tạo cái nhìn tổng quan về kiến thức, tiếp cận với vấn đề thực tế, tạo ngữ cảnh, thay đổi các biến số và tuân theo các quy luật tương tác Việc sử dụng các mô phỏng trong dạy học có những ưu điểm nổi bật là đông đảo HS có thể dễ dàng tham gia, giá thành

hạ, độ an toàn cao, dễ dàng chuyển giao, làm giảm các rủi ro và căng thẳng, khuyến khích tinh thần xã hội hoá và hợp tác, điều chỉnh việc học thực tế hơn để đạt hiệu

quả học tập cao nhất và biến điều không thể thành có thể

Theo tác giả Phạm Xuân Quế và Phạm Minh Vĩ, trong DHVL mô phỏng nhờ máy vi tính có thể phân loại như sau: Từ các tiên đề hay các mô hình (các phương trình hay các nguyên lí VL) được viết dưới dạng toán học một cách định lượng hoặc

từ các mối quan hệ có tính chất định tính giữa các đại lượng VL thuộc đối tượng nghiên cứu Tùy theo cơ sở xuất phát khác nhau mà mô phỏng sẽ khác nhau Nếu xuất phát từ các tiên đề hay các mô hình được viết dưới dạng toán học một cách định lượng thì việc mô phỏng sẽ cho kết quả hoàn toàn định lượng Nếu xuất phát từ các mối quan hệ có tính chất định tính thì kết quả chỉ mang ý nghĩa định tính

Loại mô phỏng xuất phát từ các tiên đề hay các mô hình được viết dưới dạng toán học thông qua vận dụng các phương pháp tính toán trên mô hình nhờ máy vi tính được gọi là mô phỏng định lượng hay mô phỏng chính xác Trong loại mô phỏng này, các đối tượng được mô phỏng tuân theo đúng các phương trình, nguyên

lí VL

Dựa trên các mối quan hệ định tính của các đại lượng VL Các mối quan hệ này được mô phỏng nhờ các phần mềm gọi là mô phỏng định tính hay mô phỏng không chính xác Loại mô phỏng không chính xác này được sử dụng trong các trường hợp: – Không cần thiết phải mô phỏng chính xác;

– Việc mô phỏng chính xác không cho phép với các lí do như không biết được mối quan hệ định lượng giữa các đại lượng VL cần mô phỏng hoặc có biết được thì việc lập trình mô phỏng cũng hết sức khó khăn, mất nhiều thời gian

Như vậy, ta có hai loại mô phỏng: mô phỏng định lượng (hay mô phỏng chính xác) và mô phỏng định tính (hay mô phỏng không chính xác) Trong DHVL, các chương trình mô phỏng định lượng được gọi là phần mềm mô phỏng định lượng,

các chương trình máy tính mô phỏng định tính được gọi là phần mềm mô phỏng định tính

Phần mềm mô phỏng định lượng có thể sử dụng nhằm hai mục đích:

– Minh họa các hiện tượng, quá trình, trạng thái VL… của đối tượng nghiên cứu không thể quan sát hay khó tưởng tượng một cách trực quan để HS hình dung đúng hiện tượng VL cần nghiên cứu;

– Mô phỏng các hiện tượng, quá trình, trạng thái VL… của đối tượng nghiên cứu trong phạm vi mà phương pháp nghiên cứu lí thuyết hay phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chưa thể nghiên cứu được để dự đoán các hiện tượng, quá trình, trạng thái VL mới

Phần mềm mô phỏng định tính trong DHVL chỉ nhằm mục đích minh họa các hiện tượng, quá trình, trạng thái VL của đối tượng nghiên cứu không thể quan sát hay khó tưởng tượng một cách trực quan, qua đó giúp HS hình dung đúng hiện tượng, quá trình, mối quan hệ VL cần nghiên cứu

Mô phỏng bằng máy vi tính đôi khi được gọi là “thí nghiệm trên máy vi tính” vì

nó có nhiều điểm chung với thí nghiệm thực Điều đó được chỉ ra ở bảng so sánh:

Bảng 1.2 – Bảng so sánh các đặc điểm của thí nghiệm thực và mô phỏng bằng máy

vi tính

Thí nghiệm thực Mô phỏng bằng máy vi tính

- Nghiên cứu trên vật gốc (về quá trình,

hiện tượng)

- Công cụ nghiên cứu là thiết bị thí

nghiệm, dụng cụ đo

- Các thao tác nghiên cứu: Thay đổi giá

trị các đại lượng để đo các đại lượng

khác trong thí nghiệm, thu thập dữ liệu

- Phân tích, xử lí dữ liệu để đưa ra dự

đoán khoa học hay kiểm chứng một giả

- Phân tích, xử lí dữ liệu để đưa ra dự đoán khoa học hay minh họa, mô phỏng một mối quan hệ, quy luật

Theo tác giả Lê Công Triêm và Trần Huy Hoàng, TNA là TNVL tồn tại thực trong môi trường ảo do máy vi tính tạo ra

TNA cung cấp hầu hết các chức năng có thể tìm thấy trong thí nghiệm thực Dưới đây là mô hình các thủ tục tiến hành TNA

– Phòng thí nghiệm ảo: cung cấp các linh kiện, thiết bị TNA để người dùng có thể

sử dụng để lắp ráp, thiết kế, xây dựng thí nghiệm

Mở phòng thí nghiệm ảo

Công tác chuẩn bị cho thí nghiệm ảo

Tiến hành thí nghiệm ảo

Xử lý kết quả, kết luận rút ra từ thí nghiệm ảo

Các thiết bị, phương tiện hỗ trợ

Các đối tượng, thiết bị ảo dùng trong thí nghiệm

Thiết bị, phần mềm

xử lý, trình bày kết quả thí nghiệm Mối liên hệ giữa

– Các thiết bị hỗ trợ: có thể dưới dạng văn bản, hình ảnh, Video clip… nhằm giúp

người dùng hiểu rõ về mục đích thí nghiệm, cơ sở VL, những thông tin cơ bản về thí nghiệm để dễ dàng sử dụng

– Các đối tượng, thiết bị ảo: cung cấp các đối tượng, thiết bị có các thuộc tính, chức

năng cần cho TNA sẽ tiến hành

– Mối liên hệ giữa các đối tượng: là mối liên hệ bên trong của các đối tượng ảo – Các mô phỏng: mô phỏng các thao tác, sự tương tác qua lại giữa các đối tượng,

giữa các đối tượng và kết quả thí nghiệm trong thế giới thực

– Tương tác: chấp nhận những thao tác của người dùng, gửi lại cho họ kết quả mô

phỏng về kết quả thí nghiệm

– Theo dõi - Điều khiển: theo dõi, ghi nhận các bước thao tác của người dùng, các

thông số của thí nghiệm để có kết quả xử lý cuối cùng

– Trợ giúp: cung cấp cho người dùng những hướng dẫn cần thiết khi tiến hành thí

nghiệm

1.4.2 Các đặc điểm của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo [25], [34]

– Có khả năng nén dãn về thời gian Trong thí nghiệm thực, có các quá trình phải cần hàng chục phút mới thể hiện rõ (nóng chảy, đông đặc…) nhưng trong TNA có thể chỉ cần vài chục giây Ngược lại, có hiện tượng chỉ diễn ra trong vài phần của giây (nổ) nhưng trong TNA lại có thể chậm lại tới hàng phút, dễ dàng quan sát – TNMP và TNA giúp GV và HS tiến hành các thí nghiệm một cách chủ động và rất tiện lợi trong quá trình tự học của HS vì không phải vào phòng thí nghiệm Các thí nghiệm có thể thực hiện ngay trên lớp học, trong giờ học ngoại khóa hoặc ở nhà… Bất cứ nơi nào có thể đặt máy vi tính là ở đó có thể làm TNMP và TNA Đặc điểm này thúc đẩy việc tự học của GV và HS ở trường và ở nhà, qua đó kiến thức

và nhất là năng lực tự học được nâng lên, hạn chế lối dạy nhồi nhét và lối học thụ động

– TNMP và TNA góp phần giúp HS phát triển tư duy sáng tạo Một số TNA giúp

HS có thể lắp ráp theo ý tưởng của mình, đề ra các phương án khác nhau hoặc tiến hành nhiều lần với cùng một thí nghiệm Từ đó HS có thể rút ra được những kết quả cần thiết, hoàn thiện tư duy, kịp thời điều chỉnh được các quan niệm sai lệch TNMP và TNA có tính trực quan, dễ quan sát nên hiệu quả sư phạm cao

– Để thực hiện thí nghiệm, GV và HS không mất nhiều thời gian chuẩn bị như khi thực hiện các thí nghiệm thực ở phòng thí nghiệm Tất cả các thí nghiệm đều đảm bảo thành công ngay, đảm bảo lượng kiến thức mà HS tiếp thu và tiến độ thực hiện chương trình Tính thân thiện của các TNMP và TNA được thiết kế ngày càng phù hợp với người sử dụng

– Việc sử dụng TNMP và TNA tỏ ra rất có hiệu quả trong các điều kiện thiếu trang thiết bị thí nghiệm; các thiết bị thí nghiệm đắt tiền, dễ hỏng, các thiết bị nguy hiểm như điện thế cao, phóng xạ…; các thí nghiệm mà rất khó thực hiện thành công Khâu bảo quản thiết bị TNMP và TNA là không cần đặt ra vì nó không có thực – Đối với GV, TNMP và TNA có thể sử dụng trong các giai đoạn khác nhau của quá trình dạy học Trong đó TNMP có tác dụng tạo ra các tình huống có vấn đề Đối với HS, TNMP tạo được hứng thú trong quá trình học tập Qua thí nghiệm, HS quan sát được các hiện tượng VL thỏa mãn nhu cầu tìm hiểu của các em

1.4.3 Nguyên tắc sử dụng thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo trong dạy học vật lí [32], [33]

– Nguyên tắc 1: Về sự kết hợp giữa nội dung thí nghiệm hiển thị và kịch bản sư

phạm

Nội dung bài giảng, nội dung thực sự của thí nghiệm phải là sự kết hợp giữa nội dung thí nghiệm nhằm cung cấp thông tin và kịch bản sư phạm đã xây dựng nhằm biến nội dung thông tin thành kiến thức Do đó, một thí nghiệm hay, đẹp đến mấy nhưng nó có hợp lý hay không, có biến được lượng thông tin thành kiến thức hay không là ở kịch bản sư phạm của GV

– Nguyên tắc 2: Tập trung làm rõ, hướng dẫn cho học sinh quan sát hiện tượng

chính

Các thí nghiệm muốn thu được nhiều số liệu, muốn dễ điều khiển, muốn đẹp thì

đa số đều chứa các liên kết, các bộ phận phức tạp Vì vậy GV phải làm rõ chủ đích của từng bước thí nghiệm, làm rõ trọng tâm của thí nghiệm đó và đồng thời, qua đó hướng dẫn HS quan sát đúng theo mục đích giáo dục của thí nghịêm

– Nguyên tắc 3: Tạo cơ hội cho học sinh tương tác với tài liệu, với thí nghiệm

Một sự nguy hiểm là đôi khi GV không kiểm soát được thí nghiệm và đồng thời cũng làm cho HS tiếp nhận một cách thụ động, bỏ mất cơ hội tương tác giữa HS –

GV và HS – thí nghiệm Đây là một tai hại cho quá trình giảng dạy Do đó GV cũng như người thiết kế các TNA cần nghiên cứu tìm ra hướng khắc phục Có thể khắc phục theo các hướng sau:

+ Thiết kế thí nghiệm và kịch bản sư phạm làm sao để người học cùng với GV tham gia vào xây dựng mô hình, nguyên tắc thí nghiệm

+ GV khuyến khích HS tham gia vào thí nghiệm bằng các câu hỏi hây các cuộc thảo luận về hiện tượng thí nghiệm, cải tiến thí nghiệm hay hơn, chính xác hơn

– Nguyên tắc 4: Sự hòa hợp giữa ảo và thực

TNA là ảo chứ không thực, không thể thay thế được kinh nghiệm thực tiễn, do đó không nên tuyệt đối hóa TNA Thí nghiệm thực và ảo đều có mặt mạnh, mặt yếu khác nhau, hai loại hình này hỗ trợ cho nhau rất hiệu quả nhưng không thể thay thế hoàn toàn cho nhau được Tùy điều kiện thực tế nên sử dụng loại nào, mức độ ra sao

để có hiệu quả sử dụng cao nhất

1.4.4 Khả năng sử dụng thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo trong dạy học vật lí [23], [32], [33]

Các TNMP và TNA có thể được sử dụng ở nhiều giai đoạn khác nhau của tiến trình DHVL với các mục tiêu cụ thể nhằm đạt được kết quả cao nhất của bài dạy học Qua thực tiễn sử dụng các mô phỏng và các TNA chúng tôi thấy rằng các TNMP và TNA không thể thay thay thế hoàn toàn cho thí nghiệm thực Tuy nhiên, nếu sử dụng hợp lý chúng thì sẽ khai thác được những thế mạnh của các thí nghiệm này mà các thí nghiệm thực rất khó hoặc đôi khi không thể thực hiện được Một số khả năng sử dụng chúng trong DHVL ở trường THPT như sau:

– Nêu sự kiện khởi đầu, đưa ra tình huống có vấn đề, hình thành nhu cầu nhận thức tri thức mới cho người học;

– Giới thiệu chức năng, cách thức sử dụng các linh kiện, thiết bị thí nghiệm;

– Hình thành và rèn luyện kĩ năng thiết kế thí nghiệm cho HS;

– Hỗ trợ thí nghiệm thực;

– Mở rộng và khắc sâu kiến thức

1.4.4.1 Nêu sự kiện khởi đầu, đưa ra tình huống có vấn đề, hình thành nhu cầu nhận thức tri thức mới cho người học