Xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học các kiến thức về phóng xạ theo hướng bồi dưỡng năng lực thực nghiệm

Giáo dục phổ thông (GDPT) ở Việt Nam đang diễn ra sự thay đổi. Thay vì chủ yếu theo tiếp cận nội dung, Chương trình GDPT được thực hiện từ năm 2018 có mục tiêu là hình thành, phát triển những phẩm chất và các năng lực cần thiết để học sinh (HS) trở thành người lao động thích nghi được với hoàn cảnh sống, học tập và làm việc luôn biến đổi 1. Trong bộ môn vật lí nói riêng và các môn khoa học khác nói chung, khi tổ chức các hoạt động (HĐ) dạy học (DH), người giáo viên (GV) phải chú trọng việc bồi dưỡng cho HS các năng lực (NL) đặc thù của bộ môn, đặc biệt là năng lực thực nghiệm (NLThN). HS có NLThN thì sẽ có khả năng để thực hiện thành công nhiệm vụ thực nghiệm (ThN) trong quá trình học tập hay lao động sau này. Để có thể bồi dưỡng NLThN của HS, đồng thời nâng cao hiệu quả DH kiến thức thì một trong những biện pháp hữu hiệu là sử dụng các thí nghiệm (TN) và lựa chọn các phương pháp DH thích hợp trong quá trình tổ chức các HĐ nhận thức. Bên cạnh đó, để hình thành và phát triển tất cả các thành tố của NLThN, không chỉ tổ chức cho HS tiến hành các TN với các TBTN có sẵn, mà cần tổ chức, hướng dẫn cho HS nghiên cứu thiết kế, chế tạo và sử dụng các TBTN khi xây dựng và vận dụng kiến thức.

1 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Giáo dục phổ thông (GDPT) Việt Nam diễn thay đổi Thay chủ yếu theo tiếp cận nội dung, Chương trình GDPT thực từ năm 2018 có mục tiêu hình thành, phát triển phẩm chất lực cần thiết để học sinh (HS) trở thành người lao động thích nghi với hồn cảnh sống, học tập làm việc ln biến đổi [1] Trong mơn vật lí nói riêng mơn khoa học khác nói chung, tổ chức hoạt động (HĐ) dạy học (DH), người giáo viên (GV) phải trọng việc bồi dưỡng cho HS lực (NL) đặc thù môn, đặc biệt lực thực nghiệm (NLThN) HS có NLThN có khả để thực thành cơng nhiệm vụ thực nghiệm (ThN) trình học tập hay lao động sau Để bồi dưỡng NLThN HS, đồng thời nâng cao hiệu DH kiến thức biện pháp hữu hiệu sử dụng thí nghiệm (TN) lựa chọn phương pháp DH thích hợp q trình tổ chức HĐ nhận thức Bên cạnh đó, để hình thành phát triển tất thành tố NLThN, không tổ chức cho HS tiến hành TN với TBTN có sẵn, mà cần tổ chức, hướng dẫn cho HS nghiên cứu thiết kế, chế tạo sử dụng TBTN xây dựng vận dụng kiến thức Trong chương trình vật lí THPT nước ta, kiến thức học, điện từ học, nhiệt học quang học… kiểm nghiệm minh họa TN trực quan Danh mục TN tối thiểu chương trình vật lí lớp 12 có thiết bị thí nghiệm (TBTN) dao động học; đo vận tốc truyền âm, sóng cơ, giao thoa sóng, sóng dừng; TBTN mạch điện xoay chiều, máy biến áp, máy phát điên ba pha; TBTN quang phổ, giao thoa ánh sáng; TBTN tượng quang điện ngồi [2]… Tuy nhiên khơng có TN sử dụng dạy học kiến thức liên quan đến phóng xạ HN Phương pháp DH phần chủ yếu thông báo – tiếp nhận [3] GV thông báo, giảng dạy nội dung kiến thức, HS tiếp nhận sau vận dụng kiến thức vào việc giải tập Theo chúng tơi, HS cần phải có TN để học khoa học, dạy học, kiến thức khoa học phải xây dựng qua khảo sát, kiểm nghiệm hay minh hoạ cách trực quan TN có vai trò quan trọng giáo dục nghiên cứu vật lí vật lí nhắc đến mơn khoa học thực nghiệm TN có nhiều chức năng, sử dụng tất giai đoạn q trình DH Bên cạnh đó, TN cơng cụ để vận dụng kiến thức, lý thuyết học vào thực tiễn sống Cuối cùng, trình thiết kế, chế tạo sử dụng TBTN phóng xạ (PX) tạo nhiều hội để NLThN HS bộc lộ bồi dưỡng Xuất phát từ điều trình bày trên, tơi chọn đề tài “Xây dựng sử dụng thiết bị thí nghiệm dạy học kiến thức phóng xạ (vật lí lớp 12) theo hướng bồi dưỡng lực thực nghiệm học sinh” Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng (thiết kế, chế tạo cải tiến) TBTN phóng xạ tổ chức dạy học số kiến thức phóng xạ (Vật lí lớp 12) với TBTN chế tạo để bồi dưỡng NLThN HS Đối tượng phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu đề tài: - NLThN HS - Tiến trình DH GQVĐ nói chung tiến trình hướng dẫn HS xây dựng sử dụng TBTN vật lí tiến trình DH GQVĐ nói riêng  Phạm vi nghiên cứu: - Nội dung kiến thức vật lí PX chương trình vật lí lớp 12 hành chương trình vật lí lớp 12 năm 2018 - Tiến trình DH GQVĐ số kiến thức PX tiến trình hướng dẫn HS xây dựng sử dụng TBTN học tập kiến thức - Cấu trúc NLThN học tập kiến thức PX Giả thuyết khoa học Nếu xây dựng TBTN phóng xạ đáp ứng yêu cầu TBTN thực tập sử dụng chúng tiến trình dạy học GQVĐ số kiến thức phóng xạ (Vật lí 12) bồi dưỡng lực thực nghiệm HS Các nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt mục đích nghiên cứu đề ra, đề tài có nhiệm vụ nghiên cứu sau: - Nghiên cứu lí luận DH vật lí bồi dưỡng NL nói chung NLThN nói riêng, lí luận việc xây dựng sử dụng TBTN tiến trình DH GQVĐ để từ xác định yêu cầu việc xây dựng sử dụng TBTN DH kiến thức PX nhằm bồi dưỡng NLThN HS - Nghiên cứu chương trình, SGK vật lí 12 hành chương trình vật lí lớp 12 năm 2018 PX hạt nhân nguyên tử để xác định nội dung kiến thức PX thí nghiệm cần tiến hành DH nội dung - Tìm hiểu thực tế việc DH kiến thức PX lớp 12 gồm: phương pháp dạy GV, phương pháp học HS, thực tế TBTN phương pháp sử dụng TBTN dạy học kiến thức PX, khó khăn dạy học PX sai lầm phổ biến thường mắc phải HS Đây sở để xác định TBTN xây dựng TN cần phải tiến hành với TBTN - Soạn thảo tiến trình DH số nội dung kiến thức theo tiến trình DH GQVĐ, có tiến trình hướng dẫn HS xây dựng TBTN để tiến hành TN PX - Thực nghiệm sư phạm (ThNSP) tiến trình DH kiến thức soạn thảo để sơ đánh giá tính khả thi hiệu bồi dưỡng NLThN tiến trình DH số kiến thức PX nói chung tiến trình hướng dẫn HS xây dựng, sử dụng TBTN nói riêng Từ chỉnh sửa, bổ sung cho hồn thiện tiến trình Các phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành nhiệm vụ trên, phương pháp nghiên cứu sau sử dụng: - Phương pháp nghiên cứu lí thuyết: nghiên cứu tài liệu in (sách, báo, tạp chí, luận án, luận văn cao học, chương trình vật lí lớp 12, SGK, SGV, sách báo đề cập đến TBTN PX hạt nhân nguyên tử ) thông tin internet - Phương pháp khảo sát thực tế: DH PX trường THPT Việt Nam - Phương pháp nghiên cứu phòng TN: thử nghiệm việc chế tạo TBTN tiến hành TN PX với TBTN - Phương pháp thực nghiệm sư phạm trường THPT để đánh giá tính khả thi hiệu tiến trình DH nói chung tiến trình hướng dẫn HS xây dựng sử dụng TBTN PX nói riêng việc bồi dưỡng NLThN HS - Phương pháp thống kê tốn học để xử lí kết ThNSP thu Những đóng góp đề tài - Đã đề xuất cấu trúc NLThN trường hợp phải thiết kế, chế tạo TBTN để thực TN - Đã xây dựng (thiết kế, chế tạo) TBTN: Buồng sương sử dụng đá khô, buồng sương sử dụng sị nóng lạnh (chip Peltier), thiết bị phát tia PX alpha-beta tia lửa điện, đầu dò sử dụng ống đếm G-M, hệ đầu dò điều khiển từ xa qua wifi Các TBTN dùng để tiến hành TN: TN kiểm nghiệm tính ngẫu nhiên PX, TN kiểm nghiệm đặc điểm tia , TN kiểm nghiệm khả đâm xuyên tia , TN kiểm nghiệm khả đâm xuyên tia , TN kiểm nghiệm nội dung định luật PX TN minh hoạ nguyên tắc hoạt động thiết bị kĩ thuật sử dụng tia γ để phát vị trí khuyết tật vật liệu/ vị trí tắc nghẽn đường ống - Soạn thảo tiến trình DH kiến thức PX (Vật lí 12) theo tiến trình DH GQVĐ, có tiến trình hướng dẫn HS xây dựng sử dụng TBTN PX nhằm bồi dưỡng NLThN HS - Vận dụng cấu trúc chung NLThN đề xuất để xác định mục tiêu bồi dưỡng hành vi NLThN HS nghiên cứu nội dung kiến thức PX xây dựng rubric đánh giá NLThN tương ứng Từng tiến trình DH, có tiến trình hướng dẫn HS xây dựng sử dụng TBTN ThNSP, bước đầu khẳng định tính khả thi hiệu việc bồi dưỡng NLThN HS Cấu trúc luận án Luận án gồm chương: Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lí luận thực tiễn việc xây dựng sử dụng thiết bị thí nghiệm phóng xạ dạy học kiến thức phóng xạ theo hướng bồi dưỡng lực thực nghiệm học sinh Chương 3: Xây dựng sử dụng thiết bị thí nghiệm dạy học kiến thức phóng xạ Chương 4: Thiết kế tiến trình dạy học GQVĐ số kiến thức phóng xạ theo hướng bồi dưỡng lực thực nghiệm học sinh Chương 5: Thực nghiệm sư phạm CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Các nghiên cứu về năng lực 1.1.1 Định nghĩa lực Hầu hết định nghĩa lực (NL) xem NL kết hợp kiến thức, kĩ với thái độ (tình cảm, giá trị, động cá nhân ) [4] + Theo Bloom cộng sự: “Kiến thức định nghĩa biết lưu trữ tâm trí, NL bao gồm việc ứng dụng kiến thức vậy” [5] + Weinert [6] định nghĩa “NL khả kỹ xảo học sẵn có cá thể nhằm giải tình xác định, sẵn sàng động khả vận dụng cách giải vấn đề cách hiệu quả, trách nhiệm tình linh hoạt” + Theo từ điển Tiếng Việt Hoàng Phê [7]: “NL khả năng, theo điều kiện chủ quan tự nhiên sẵn có để thực hoạt động đó, phẩm chất tâm lí tạo cho người khả hoàn thành hoạt động với chất lượng cao” + NL kết việc “huy động tổng hợp kiến thức, kĩ thuộc tính cá nhân khác” khơng phải “sự huy động” [4] Các định nghĩa NL chưa đề cập đến bối cảnh cụ thể, mức độ hành vi NL phát triển NL học sinh đặt vào hoàn cảnh cụ thể Định nghĩa NL Rychen Salganik, Tổ chức Hợp tác Phát triển Kinh tế OECD (Organization for Economic Cooperation and Development): “NL liên quan đến khả đáp ứng nhu cầu phức tạp, cách huy động nguồn lực tâm lý xã hội (bao gồm kỹ thái độ) bối cảnh cụ thể” [8] Cũng đề cập đến khả thực nhiệm vụ bối cảnh cụ thể, Griffin đưa định nghĩa sau: “Năng lực đặc điểm tiềm ẩn xác định khả người để thực nhiệm vụ thể kỹ Năng lực thuộc tính cá nhân tiềm ẩn mà suy luận từ việc quan sát số lượng mức độ mà người thể tập hợp kỹ liên quan đến thuộc tính cá nhân họ loạt bối cảnh” [9] Hai định nghĩa mối liên quan với nhu cầu thể hành động (có lý mục tiêu) cá nhân tình cụ thể NL người phải thể hành vi mà người ta quan sát được, qua xác định số lượng mức độ kỹ liên quan đến khả thực nhiệm vụ người [10] Nói đến NL nói đến khả thực hiện, phải biết làm, biết hiểu [11] Chương trình GDPT năm 2018 đưa định nghĩa: Năng lực thuộc tính cá nhân hình thành, phát triển nhờ tố chất sẵn có q trình học tập, rèn luyện, cho phép người huy động tổng hợp kiến thức, kĩ thuộc tính cá nhân khác hứng thú, niềm tin, ý chí thực thành công loại hoạt động định, đạt kết mong muốn điều kiện cụ thể [1] NL có gắn bó với bối cảnh cụ thể, có biểu khác bối cảnh khác Năng lực tăng lên thông qua học tập đào tạo bối cảnh liên quan [1] Trong luận án này, sử dụng khái niệm lực mà Bộ Giáo dục Đào tạo đề xuất 1.1.2 Qui trình xây dựng khung cấu trúc lực Theo tác giả Nguyễn Văn Biên [12], Đỗ Hương Trà [11], việc xác định cấu trúc NL bao gồm: - Thứ nhất: Định nghĩa (mô tả nội hàm) NL - Thứ hai: Xác định lĩnh vực, hợp phần thành tố cấu thành nên NL - Thứ ba: Xác định hành vi thành tố Các số hành vi (CSHV) cần diễn đạt cho quan sát được, làm chứng việc đạt thành tố NL - Thứ tư: Xác định mức độ chất lượng hành vi, mô tả mức độ chất lượng thành công hành vi mà HS thể Hình 1.1 Cấu trúc khung năng lực [9], [12] 1.1.3 Dạy học bồi dưỡng, phát triển đánh giá lực Theo tác giả Đỗ Hương Trà cộng [11], dạy học vật lí ngồi việc dạy kiến thức cịn phải coi trọng việc rèn luyện cho HS NL vận dụng tri thức vật lí vào việc tìm hiểu giải vấn đề thực tiễn sống GV cần lựa chọn phương pháp phù hợp, có ưu việc phát triển thành tố NL cụ thể, tạo điều kiện để trọng tập trung đánh giá NL thành tố Các hoạt động diễn học cần đa dạng, tạo nhiều hội cho HS thể hành vi xác định yêu cầu cần đạt NL “Cái cốt lõi thành công việc phát triển NL GV phải có dụng ý lựa chọn chủ đề học tập, tổ chức tình đưa người học vào HĐ học, hay GQVĐ” [13] Tác giả Nguyễn Thị Thuần [14] đề xuất biện pháp bồi dưỡng NL khoa học sau: Bồi dưỡng NL khoa học dựa HĐ tìm tịi khám phá, học tích hợp, dạy học vấn đề cốt lõi, mở cửa trường phổ thơng giới thực bên ngồi nhà trường, thực đánh giá NL cần phải thúc đẩy trình học Tác giả Nguyễn Thị Diệu Linh [15] đưa bốn nguyên tắc bồi dưỡng NL thiết kế công cụ đánh giá NL cho sinh viên sư phạm Trong chúng tơi thấy hai ngun tắc sử dụng để phát triển nhiều loại NL khác, kể NLThN “Sử dụng chiến lược mờ dần” “Phản hồi dựa theo vùng phát triển gần” Theo chương trình Đánh giá HS quốc tế PISA (Programme for International Student Assessment), đánh giá NL đánh giá kiến thức, kĩ thái độ người học bối cảnh có ý nghĩa [16] Để đánh giá NL người, cần phải có đủ chứng liên quan đến NL cần đánh giá Bằng chứng quan sát trực tiếp làm, nói, viết tạo Những người nghĩ, cảm nhận, biết hiểu suy luận [11], [15] Đánh giá NL bao hàm việc đo lường khả HS, dựa việc miêu tả sản phẩm đầu cụ thể, rõ ràng tới mức GV, HS bên liên quan hình dung tương đối khách quan xác thành HS sau trình học tập [17] Cũng theo tác giả Nguyễn Diệu Linh [15], nhiệm vụ dành cho người học cần gắn với bối cảnh thực tiễn; trình thực nhiệm vụ phải thu thập thông tin, quan sát tâm lí HS nhận thức thực nhiệm vụ, dựa vào sản phẩm hay kết cuối Mặc dù NL người bối cảnh tương tự thể NL người thay đổi gặp bối cảnh khác Một cá nhân có lực đáp ứng yêu cầu bối cảnh thể mức độ NL bối cảnh khác Điều dẫn đến yêu cầu cần phải quan sát cá nhân loạt bối cảnh [15] Chúng đồng ý với quan điểm tác giả dù việc đánh giá NL qua số thi, hay kiểm đánh giá NL, vấn đề - bối cảnh đưa khơng gắn với thực tiễn khơng làm cho tất thí sinh hứng thú thực Tác giả Nguyễn Thị Thuần [14] tổng hợp số nguyên tắc đánh giá NL: phải đảm bảo tính giá trị; độ tin cậy; tính linh hoạt; tính cơng bằng; tính hệ thống; tính tồn diện; phát triển HS đánh giá bối cảnh thực tiễn Hoạt động đánh giá hướng tới đánh giá tiến người học [11] Dù khó để thực mục tiêu kép, thiết kế nhiệm vụ đánh giá NL nên thực bối cảnh thực tiễn, để HS tự nhiên bộc lộ hành vi NL; thông qua đánh giá, HS có hội tập dượt NL phát triển thêm 1.2 Các nghiên cứu về năng lực thực nghiệm 1.2.1 Định nghĩa cấu trúc lực thực nghiệm Theo từ điển tiếng việt Hoàng Phê: “Thực nghiệm tạo biến đổi vật để quan sát nhằm nghiên cứu tượng định, kiểm tra ý kiến gợi ý kiến mới”, định nghĩa giống với định nghĩa “thí nghiệm”: “Thí nghiệm gây tượng, biến đổi điều kiện xác định để tìm hiểu, nghiên cứu, kiểm tra hay chứng minh làm thử để rút kinh nghiệm” [7] Trong luận án, chúng tơi cho thực nghiệm thực thí nghiệm, lực thực nghiệm lực thực thí nghiệm Qua việc tìm hiểu NLThN từ khóa “experimental competence”, “practical skill”, “practical work”, “experimental skill”… thấy có tài liệu định nghĩa cụ thể, tường minh NLThN, thay vào đó, thường liệt kê thành tố NLThN Tác giả Eickhorst cộng định nghĩa thuật ngữ “năng lực thực nghiệm” - “experimental competence”: Khả tiềm ẩn hành vi: lập kế hoạch thực TN nhằm làm rõ câu hỏi vật lí, đánh giá có ý nghĩa kết quả, liệu đạt [18] Theo nhóm tác giả Metzger [19]: NLThN cấu trúc NL thành phần đề cập đến nhiều loại vấn đề khác quan sát, đo lường, tìm hiểu, nghiên cứu , đánh giá biện pháp giải vấn đề Sự khác biệt NL phụ phổ biến mô hình NLThN khác nhau, cụ thể là: xác định thiết lập giả thuyết/ mục đích TN; lập kế hoạch thực TN, phân tích kết TN [20] Tài liệu OCR (Oxford Cambridge and RSA) [21] đề cập đến kĩ thực hành - “practical skill” bao gồm kĩ sau: lập kế hoạch cho TN, tiến hành, phân tích kết kết luận Những thành tố, kĩ thực hành chủ yếu thực kiểm tra lấy chứng thay đánh giá HS bối cảnh thực tế Nhóm tác giả Schreiber, Theen Schecker [22], [23] khơng đưa định nghĩa cụ thể NLThN họ cho NLThN bao gồm NL thành phần sau: Lập kế hoạch nghiên cứu (xác định vấn đề cần nghiên cứu đưa dự đoán, giả thuyết), NL tiến hành TN (NL thiết kế phương án TN NL tiến hành phương án TN thiết kế), NL đánh giá (NL xử lí, phân tích trình bày kết quả) Theo quan điểm nhà nghiên cứu này: Khi TN vật lí thực hiện, giai đoạn thiết kế TN với bước tiến hành TN không tạo thành chuỗi tuyến tính - trước sau, mà phải q trình xử lí xoắn với sửa đổi, cải tiến lẫn