Phát triển năng lực phát hiện và giải quyết vấn đề cho sinh viên ngành kĩ thuật trong dạy học phần nhiệt học vật lí đại cương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN NGỌC DŨNG PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC PHÁT HIỆN VÀ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CHO SINH VIÊN NGÀNH KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC PHẦN NHIỆT HỌC VẬT LÍ ĐẠI CƯƠNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC NGHỆ AN – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH TRẦN NGỌC DŨNG PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC PHÁT HIỆN VÀ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CHO SINH VIÊN NGÀNH KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC PHẦN NHIỆT HỌC VẬT LÍ ĐẠI CƯƠNG Chuyên ngành: LÍ LUẬN VÀ PPDH BỘ MƠN VẬT LÍ Mã số: 9140111 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THƯỚC PGS.TS NGUYỄN THỊ NHỊ NGHỆ AN – 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học riêng hướng dẫn khoa học PGS.TS.Nguyễn Đình Thước PGS.TS Nguyễn Thị Nhị Các số liệu luận án trung thực, khách quan chưa công bố cơng trình khoa học Nghệ An, tháng năm 2020 Tác giả Trần Ngọc Dũng ii LỜI CẢM ƠN Bằng tất lịng tơn kính tác giả xin cám ơn gửi lời tri ân tới PGS.TS.Nguyễn Đình Thước PGS.TS.Nguyễn Thị Nhị, người định hướng đề tài, động viên giúp đỡ tác giả suốt trình thực luận án tất tận tâm nhiệt huyết Tác giả luận án xin chân thành cám ơn Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học, Ban Lãnh đạo Viện Sư phạm Tự nhiên Bộ môn LL&PPDH Vật lí - Trường Đại học Vinh; Ban Giám hiệu Trường Sỹ quan Kỹ thuật Quân tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trình học tập nghiên cứu Tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới nhà khoa học chuyên ngành LL&PPDH Vật lý có ý kiến đóng góp cho tác giả q trình nghiên cứu hồn chỉnh luận án Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc gia đình, bạn bè đồng nghiệp, người thân hết lòng giúp đỡ, động viên tơi hồn thành luận án Nghệ An, tháng năm 2020 Tác giả Trần Ngọc Dũng iii CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN TT Từ viết tắt Từ viết đầy đủ ĐC Đối chứng ĐG Đánh giá ĐH Đại học GQVĐ GQVĐ GV Giảng viên KN Kỹ KQHT Kết học tập NL Năng lực NXB Nhà xuất 10 PP Phương pháp 11 PPDH Phương pháp dạy học 12 SV Sinh viên 13 TC Tiêu chí 14 TN Thực nghiệm 15 TNSP Thực nghiệm sư phạm iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN iii DANH MỤC CÁC BẢNG vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Các kết nghiên cứu dạy học phát triển NL GQVĐ nước 1.2 Các kết nghiên cứu dạy học phát triển NL GQVĐ Việt Nam 11 1.3 Những vấn đề tiếp tục nghiên cứu 19 CHƯƠNG CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN PHÁT TRIỂN NL PHÁT HIỆN VÀ GQVĐ CỦA SINH VIÊN KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ ĐẠI CƯƠNG 20 2.1 Hoạt động dạy hoạt động học trình dạy học đại học 20 2.1.1 Quá trình dạy học đại học 20 2.1.2 Hoạt động dạy hoạt động học đại học 24 2.2 Khái niệm NL 27 2.2.1 Một số quan niệm NL 27 2.2.2 Các đặc trưng NL 29 2.2.3 Cấu trúc NL 30 2.2.4 Các loại NL 31 2.3 NL phát GQVĐ SV dạy học Vật lí đại cương 32 2.3.1 Khái niệm NL phát GQVĐ 32 2.3.2 Cấu trúc NL phát GQVĐ dạy Vật lí đại cương 33 2.3.3 Đánh giá NL phát GQVĐ SV học tập Vật lí đại cương 35 2.4 Dạy học GQVĐ mơn học Vật lí đại cương cho SV đại học 39 2.4.1 Khái niệm “Vấn đề” “Tình có vấn đề” dạy học 39 2.4.2 Dạy học GQVĐ 42 2.4.3 Cấu trúc dạy học GQVĐ 43 2.4.4 Các mức độ dạy học giải vấn đề 45 2.4.5 Dạy học GQVĐ thực mục tiêu phát triển NL SV học tập Vật lí đại cương 47 v 2.5 Thực trạng dạy học Vật lí đại cương trường đại học quân đội theo hướng phát triển NL phát GQVĐ 49 2.5.1 Mục đích điều tra 49 2.5.2 Đối tượng điều tra 49 2.5.3 Phương pháp điều tra 50 2.5.4 Kết điều tra thực trạng 50 2.5.5 Nhận định kết điều tra 53 2.6 Đề xuất biện pháp sư phạm nhằm phát triển NL phát GQVĐ SV trình dạy học Vật lí đại cương 53 2.6.1 Cơ sở khoa học biện pháp 53 2.6.2 Định hướng xây dựng biện pháp 55 2.6.3 Nguyên tắc xây dựng biện pháp 55 2.6.4 Biện pháp sư phạm phát triển NL phát GQVĐ cho SV dạy học Vật lí đại cương 56 2.6.5 Quy trình sử dụng biện pháp phát triển NL phát GQVĐ cho SV trình dạy học phần Nhiệt học Vật lí đại cương 62 Kết luận chương 63 CHƯƠNG THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY MỘT SỐ KIẾN THỨC PHẦN NHIỆT HỌC THEO ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC PHÁT HIỆN VÀ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 64 3.1 Phân tích chương trình Vật lí đại cương dành cho SV ngành kĩ thuật 64 3.1.1 Mục tiêu chương trình Vật lí đại cương theo đề cương chi tiết mơn học hành 65 3.1.2 Vị trí phần Nhiệt học chương trình Vật lí đại cương 67 3.2 Hướng dẫn SV tự học, tự nghiên cứu nội dung học tập phần Nhiệt học 70 3.2.1 Thuyết động học phân tử chất khí định luật phân bố 70 3.2.2 Nguyên lí thứ nhiệt động lực học 73 3.2.3 Nguyên lí thứ hai nhiệt động lực học 82 3.3 Chuẩn bị điều kiện dạy học GQVĐ kiến thức phần Nhiệt học 88 3.3.1 Thiết kế tình có vấn đề dùng cho dạy học GQVĐ 88 3.3.2 Xây dựng tập vấn đề dùng để dạy học phần Nhiệt học 89 3.3.3 Chuẩn bị phương tiện cho dạy học GQVĐ phần Nhiệt học 92 vi 3.4 Soạn thảo kế hoạch dạy học phần Nhiệt học theo định hướng phát triển NL phát GQVĐ 103 Kết luận chương 143 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 144 4.1 Mục đích, nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm 144 4.1.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm 144 4.1.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm 144 4.2 Đối tượng thực nghiệm sư phạm 144 4.3 Nội dung thực nghiệm sư phạm vòng vòng 145 4.4 Phương pháp thực nghiệm sư phạm 146 4.5 Thực nghiệm sư phạm vòng 146 4.5.1 Thời gian nội dung thực nghiệm sư phạm vòng 146 4.5.2 Kết thực nghiệm sư phạm vòng 146 4.6 Thực nghiệm sư phạm vòng 152 4.6.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm vòng 152 4.6.2 Nội dung thực nghiệm sư phạm 152 4.6.3 Kết thực nghiệm sư phạm vòng 152 4.7 Kết chung thực nghiệm sư phạm 157 4.7.1 Kết định tính thực nghiệm sư phạm 157 4.7.2 Kết định lượng thực nghiệm sư phạm 158 Kết luận chương 168 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 169 I KẾT LUẬN 169 II KIẾN NGHỊ 170 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 171 TÀI LIỆU THAM KHẢO 172 Tiếng Việt 172 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Thang đo đánh giá NL phát GQVĐ 35 Bảng 2.2 Thang đo NL phát GQVĐ theo mức độ tiêu chí 36 Bảng 3.1 Phân phối nội dung, thời gian dạy học phần Nhiệt học chương trình Vật lí đại cương theo chương trình hành 69 Bảng 3.2 Nhiệt dung phân tử gam chất khí ( J ) 77 mol.K Bảng 3.3 Xác định tỷ số nhiệt dung phân tử Cp/Cv chất khí 93 Bảng 3.4 Số liệu khảo sát tượng nhiệt điện, lấy mẫu nhiệt kế cặp nhiệt kim loại 96 Bảng 3.5 Xác định đương lượng nước K bình nhiệt lượng kế 99 Bảng 3.6 Xác định nhiệt dung riêng c mẫu vật rắn 99 Bảng 4.1 Lớp thực nghiệm đối chứng vòng TNSP 145 Bảng 4.2 Nội dung dạy học thực nghiệm sư phạm 145 Bảng 4.3 So sánh tiến trình giải tập trình GQVĐ 148 Bảng 4.4 Bảng thang đo mức độ theo tiêu chí NL phát vấn đề SV làm kiểm tra 158 Bảng 4.5 Bảng thang đo mức độ theo tiêu chí NL tìm giải pháp thực giải pháp SV làm kiểm tra 159 Bảng 4.6 Bảng thang đo mức độ theo tiêu chí NL trình bày giải pháp kết SV làm kiểm tra 160 Bảng 4.7 Bảng thang đo mức độ theo tiêu chí NL đánh giá giải pháp kết SV làm kiểm tra 161 Bảng 4.8 Tổng hợp kết đánh giá NL phát GQVĐ SV thông qua NL thành tố 162 Bảng 4.9 Kết kiểm tra SV lớp đối chứng thực nghiệm 163 Bảng 4.10 Phân loại kết làm kiểm tra lớp ĐC TN 163 Bảng 4.11 Bảng tần suất lớp đối chứng thực nghiệm 164 Bảng 4.12 Bảng tần số lũy tích hội tụ lùi 164 Bảng 4.13 Bảng tham chiếu T – test 166 Bảng 4.14 Bảng so sánh theo chuẩn Cohen 166 Bảng 4.15 So sánh liệu hai lớp thực nghiệm đối chứng 166 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ Hình 2.1 Cấu trúc trình dạy học đại học [64] 23 Hình 2.2 Cấu trúc tâm lí hoạt động [60, tr 32] 25 Hình 2.3 Hệ thống phân bậc nhu cầu Maslow 25 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc NL phát GQVĐ 34 Hình 2.5 Sơ đồ bước triển khai dạy học GQVĐ 61 Hình 3.1 Biểu diễn q trình đẳng tích 75 Hình 3.2 Biểu diễn trình đẳng áp 76 Hình 3.3 Biểu diễn trình đẳng nhiệt 78 Hình 3.4 Biểu diễn trình đoạn nhiệt 79 Hình 3.5 Q trình biến đổi khơng thuận nghịch 85 Hình 3.6 Thành phần thiết bị thí nghiệm đo tỷ số Cp/Cv 93 Hình 3.7: Thành phần thiết bị thí nghiệm khảo sát tượng nhiệt điện, lấy mẫu nhiệt kế cặp nhiệt kim loại 96 Hình 3.8: Thành phần thiết bị thí nghiệm khảo sát tượng nhiệt điện, lấy mẫu nhiệt kế cặp nhiệt kim loại 98 Hình 3.9: Mơ chuyển động piston xylanh 100 Hình 3.10: Mơ số máy nhiệt theo chu trình 101 Hình 3.11 Mơ công tác động kỳ 101 Hình 3.12 Mơ cấu tạo động kỳ 102 Hình 3.13 Mơ piston chuyển động xylanh 111 Hình 3.14 Cơng phụ thuộc vào trình 111 Hình 3.15 Hình vẽ tập 118 Hình 3.16 Hình vẽ tập 120 Hình 3.17 Hình vẽ tập 122 Hình 3.18 Hình vẽ tập 123 Hình 3.19 Hình vẽ cấu tạo máy nước 129 Hình 3.20 Mặt cắt động đốt 131 Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lí máy làm lạnh dùng khí ép 132 Hình 3.22 Chu trình Carnot thuận 134 Hình 3.23 Sơ đồ làm mát két nước 136 PL58 GV nhận xét, kết luận ghi nhận kiến thức 20 Được xem GV làm thí nghiệm mẫu, sau ghi nhận số liệu 200 28 373 52,1 142 19,9 321 44,9 330 46,2 64 9,9 179 25 378 53 158 22 132 18,5 346 48,4 237 33,1 96 13,4 312 43,6 307 43 50 271 37,9 394 55,1 355 49,7 302 42,2 58 8,9 56 232 32,4 83 11,6 44,1 365 51,1 35 4,8 Được xem GV làm thí nghiệm 21 mẫu, sau ghi nhận số liệu, tính tốn kết Được quan sát GV lắp sẵn thí 22 nghiệm trước SV đọc tài liệu, thực hành thí nghiệm theo tài liệu hướng dẫn GV giới thiệu nội dung thí 23 nghiệm SV đọc tài liệu, thực hành thí nghiệm theo tài liệu hướng dẫn GV giới thiệu nội dung thí 24 nghiệm SV tự lựa chọn dụng cụ thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm, báo cáo kết GV yêu cầu SV đề xuất tiến trình 25 thí nghiệm, lựa chọn dụng cụ phù hợp, tiến hành thí nghiệm theo tiến trình đề xuất Được nghe GV lớp thảo luận 26 kiến thức học mới, GV rút kết luận, SV ghi nhận kiến thức Trong tiến trình học kiến thức mới, 27 sau GV trình bày nội dung đặt câu hỏi, yêu cầu SV đưa nhận xét 400 28 Trong tiến trình học kiến thức mới, sau GV trình bày nội dung 315 PL59 đặt câu hỏi, GV chia lớp thành nhóm, yêu cầu nhóm đưa nhận xét, tranh luận GV kết luận Được nghe GV nêu ứng dụng 29 thực tiễn gắn liền với kiến thức liên quan tới học Sau GV yêu cầu giải thích GV kết luận 276 38,6 367 51,3 72 10,1 253 35,4 403 56,4 59 8,2 190 26,6 370 51,7 155 21,7 85 11,9 443 62 187 26,1 26 3,6 102 14,3 587 82,1 183 25,6 265 37,1 267 37,3 25 3,5 201 28,1 489 68,4 15 2,1 163 22,8 537 75,1 Được nghe GV nêu ứng dụng thực tiễn gắn liền với kiến thức 30 liên quan tới học Sau GV u cầu giải thích, GV kết luận yêu cầu SV đưa thêm ứng dụng tương tự khác Được GV giao nhiệm vụ tìm 31 kiếm ứng dụng thực tiễn kiến thức 32 33 34 35 Đọc sách, báo Vật lí, nghe kể chuyện Vật lí, kỹ thuật Được xem triển lãm thành tựu ứng dụng Vật lí, kỹ thuật Được tham gia hội thi Olympic Vật lí SV tồn quốc Tham gia nhóm SV hoạt động sáng tạo Vật lí, kỹ thuật Tham gia hoạt động nghiên 36 cứu khoa học, sáng kiến cải tiến kĩ thuật PL60 Phụ lục TÓM LƯỢC BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI SEMINAR CỦA SV PL61 PL62 PL63 PL64 PL65 PL66 PL67 Phụ lục HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM Hình ảnh thực nghiệm Trường Sỹ quan Kĩ thuật Quân năm 2016 Hình ảnh thực nghiệm Trường Sỹ quan Kĩ thuật Quân năm 2017 PL68 Hình ảnh thực nghiệm Trường Sỹ quan Kĩ thuật Quân năm 2016 Hình ảnh thực nghiệm Trường Sỹ quan Kĩ thuật Quân năm 2017 PL69 Hình ảnh thực nghiệm Trường Sỹ quan Kĩ thuật Quân năm 2017 Hình ảnh thực nghiệm Trường Sỹ quan Kĩ thuật Quân năm 2017 PL70 PL71 Phụ lục CÁC HÌNH VẼ, TRANH ẢNH, MƠ HÌNH MỘT SỐ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Động xe ô tô Gaz666 PL72 Động xe UAZ Động xe Kamaz