Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường” Vật lí 11 nhằm phát triển năng lực khoa học cho học sinh trung học phổ thông

MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Năng lực khoa học của học sinh đã trở thành một vấn đề quan trọng của giáo dục, ở cấp quốc gia và quốc tế khi nhân loại đang đối mặt với những thách thức lớn trong việc cung cấp nước, thực phẩm, kiểm soát bệnh tật, tạo ra đủ năng lượng và thích nghi với biến đổi khí hậu (UNEP, 2012),[72]. Nhiều vấn đề thực tiễn - nơi các cá nhân có thể phải đối mặt với các quyết định về sự ảnh hưởng của khoa học - công nghệ đến sức khỏe và nguồn cung cấp thực phẩm của họ, cũng như việc sử dụng hợp lý các vật liệu, năng lượng và công nghệ mới.... Đối phó với tất cả những thách thức trên đòi hỏi mọi công dân phải có kiến thức khoa học. Theo Ủy ban châu Âu, các giải pháp cho những vấn đề nan giải về chính trị và đạo đức liên quan đến khoa học và công nghệ "không thể là chủ đề của cuộc tranh luận, trừ khi những người trẻ tuổi có nhận thức nhất định về mặt khoa học" (European Commission, 1995), [72]. Điều này không có nghĩa là “biến” tất cả mọi người thành một chuyên gia khoa học, mà năng lực khoa học có vai trò giác ngộ mỗi con người trong việc đưa ra các lựa chọn ít ảnh hưởng đến môi trường sống của chính mình và cộng đồng. Với kiến thức về khoa học - công nghệ dựa trên khoa học, đã đóng góp đáng kể vào cuộc sống con người, xã hội và nghề nghiệp của mỗi cá nhân, sự hiểu biết về khoa học - công nghệ là yếu tố trung tâm đối với việc chuẩn bị cho cuộc sống của một thanh thiếu niên. Vì vậy, ở các nước có nền giáo dục tiên tiến, khoa học là một yếu tố bắt buộc trong chương trình Giáo dục từ mẫu giáo đến khi hoàn thành giáo dục phổ thông [72]. Nghị quyết số: 29-NQ/TW, ngày 4 tháng 11 năm 2013 về đổi mới căn bản toàn, diện giáo dục và đào tạo đã chỉ rõ: “Đổi mới chương trình nhằm phát triển năng lực và phẩm chất người học, tăng thực hành, vận dụng kiến thức vào thực tiễn. Đa dạng hóa nội dung, tài liệu học tập, đáp ứng yêu cầu của các bậc học, các chương trình giáo dục, đào tạo. Tiếp tục đổi mới mạnh mẽ phương pháp dạy và học theo hướng hiện đại; phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và vận dụng kiến thức, kỹ năng của người học; khắc phục lối truyền thụ áp đặt một chiều, ghi nhớ máy móc. Tập trung dạy cách học, cách nghĩ, khuyến khích tự học, tạo cơ sở để người học tự cập nhật và đổi mới tri thức, kỹ năng, phát triển năng lực. Chuyển từ học chủ yếu trên lớp sang tổ chức hình thức học tập đa dạng, chú ý các hoạt động ngoại khóa, nghiên cứu khoa học...”. Theo chương trình giáo dục phổ thông (2018) môn Vật lí ở cấp Trung học phổ thông, thí nghiệm, thực hành đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong việc hình thành khái niệm, quy luật, định luật Vật lí. Vì vậy, bên cạnh việc sử dụng các mô hình Vật lí và Toán học, chương trình môn Vật lí chú trọng thích đáng đến việc hình thành năng lực tìm tòi khám phá các thuộc tính của đối tượng Vật lí thông qua các nội dung thí nghiệm, thực hành dưới các góc độ khác nhau.[2] Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các phương tiện kĩ thuật số, thí nghiệm Vật lí kết nối với thiết bị vi tính cũng ngày càng phát triển không chỉ trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học Vật lí mà đã được sử dụng trong các nhà trường. Các thí nghiệm kết nối với thiết bị vi tính đã cho phép thực hiện được nhiều thí nghiệm với các phép đo tín hiệu bé (mV) mà trước kia, với thiết bị thí nghiệm truyền thống chưa thực hiện được, đặc biệt có thể nghiên cứu không chỉ định tính mà cả mặt định lượng của các hiện tượng Vật lí. Việc thu thập, xử lí nhanh chóng, chính xác các dữ liệu, tiết kiệm thời gian tiến hành thí nghiệm là một trong những ưu điểm nổi trội của thí nghiệm kết nối với thiết bị vi tính. Trong những năm qua, mặc dù các trường phổ thông của nước ta đã được trang bị các thiết bị thí nghiệm theo “Danh mục thiết bị dạy học tối thiểu” của Bộ Giáo dục và Đào tạo, nhưng hiệu quả sử dụng chúng vẫn còn nhiều hạn chế. Trong đó, các thí nghiệm về “Dòng điện trong các môi trường” (Vật lí 11) hiện hành, số lượng thiết bị thí nghiệm thiếu; còn nhiều thí nghiệm định tính, một số phép đo dùng đồng hồ đa năng hiện số có độ chính xác không cao, khó sử dụng chưa đáp ứng được yêu cầu dạy học phát triển năng lực cho học sinh. Vì vậy, cần phải hoàn thiện và xây dựng thêm các thí nghiệm kết nối với thiết bị vi tính, có độ chính xác cao, thu thập và xử lí dữ liệu trong thời gian ngắn, tạo điều kiện nhiều hơn về thời gian cho các hoạt động tìm tòi - nghiên cứu, đa dạng hóa hình thức học tập, chuyển phương pháp khoa học thành phương pháp tự học, phát triển năng lực khoa học cho học sinh. Vì những lí do nêu trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là: “Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường” Vật lí 11 nhằm phát triển NLKH cho học sinh trung học phổ thông”. 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” Vật lí 11 nhằm phát triển năng lực khoa học cho học sinh.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LÊ CHÍ NGUYỆN XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG “DỊNG ĐIỆN TRONG CÁC MƠI TRƯỜNG” VẬT LÍ 11 NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC KHOA HỌC CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ THÁI NGUYÊN - 2019 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN TT 10 Các chữ viết tắt BTTN ĐHSP MVT NLKH NXB PPTN SGK THCS THPT C1; C2; C3 (Competency 1,2,3) Ý nghĩa Bài tập thí nghiệm Đại học sư phạm Máy vi tính Năng lực khoa học Nhà xuất Phương pháp thực nghiệm Sách giáo khoa Trường trung học sở Trường trung học phổ thông Năng lực thành tố 1,2,3 DANH MỤC BẢNG BIỂU 4 DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Năng lực khoa học học sinh trở thành vấn đề quan trọng giáo dục, cấp quốc gia quốc tế nhân loại đối mặt với thách thức lớn việc cung cấp nước, thực phẩm, kiểm soát bệnh tật, tạo đủ lượng thích nghi với biến đổi khí hậu (UNEP, 2012),[72] Nhiều vấn đề thực tiễn - nơi cá nhân phải đối mặt với định ảnh hưởng khoa học - công nghệ đến sức khỏe nguồn cung cấp thực phẩm họ, việc sử dụng hợp lý vật liệu, lượng cơng nghệ Đối phó với tất thách thức địi hỏi cơng dân phải có kiến thức khoa học Theo Ủy ban châu Âu, giải pháp cho vấn đề nan giải trị đạo đức liên quan đến khoa học công nghệ "không thể chủ đề tranh luận, trừ người trẻ tuổi có nhận thức định mặt khoa học" (European Commission, 1995), [72] Điều khơng có nghĩa “biến” tất người thành chuyên gia khoa học, mà lực khoa học có vai trị giác ngộ người việc đưa lựa chọn ảnh hưởng đến mơi trường sống cộng đồng Với kiến thức khoa học - công nghệ dựa khoa học, đóng góp đáng kể vào sống người, xã hội nghề nghiệp cá nhân, hiểu biết khoa học - công nghệ yếu tố trung tâm việc chuẩn bị cho sống thiếu niên Vì vậy, nước có giáo dục tiên tiến, khoa học yếu tố bắt buộc chương trình Giáo dục từ mẫu giáo đến hồn thành giáo dục phổ thơng [72] Nghị số: 29-NQ/TW, ngày tháng 11 năm 2013 đổi toàn, diện giáo dục đào tạo rõ: “Đổi chương trình nhằm phát triển lực phẩm chất người học, tăng thực hành, vận dụng kiến thức vào thực tiễn Đa dạng hóa nội dung, tài liệu học tập, đáp ứng yêu cầu bậc học, chương trình giáo dục, đào tạo Tiếp tục đổi mạnh mẽ phương pháp dạy học theo hướng đại; phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo vận 5 dụng kiến thức, kỹ người học; khắc phục lối truyền thụ áp đặt chiều, ghi nhớ máy móc Tập trung dạy cách học, cách nghĩ, khuyến khích tự học, tạo sở để người học tự cập nhật đổi tri thức, kỹ năng, phát triển lực Chuyển từ học chủ yếu lớp sang tổ chức hình thức học tập đa dạng, ý hoạt động ngoại khóa, nghiên cứu khoa học ” Theo chương trình giáo dục phổ thơng (2018) mơn Vật lí cấp Trung học phổ thơng, thí nghiệm, thực hành đóng vai trị đặc biệt quan trọng việc hình thành khái niệm, quy luật, định luật Vật lí Vì vậy, bên cạnh việc sử dụng mơ hình Vật lí Tốn học, chương trình mơn Vật lí trọng thích đáng đến việc hình thành lực tìm tịi khám phá thuộc tính đối tượng Vật lí thơng qua nội dung thí nghiệm, thực hành góc độ khác nhau.[2] Cùng với phát triển mạnh mẽ phương tiện kĩ thuật số, thí nghiệm Vật lí kết nối với thiết bị vi tính ngày phát triển không lĩnh vực nghiên cứu khoa học Vật lí mà sử dụng nhà trường Các thí nghiệm kết nối với thiết bị vi tính cho phép thực nhiều thí nghiệm với phép đo tín hiệu bé (mV) mà trước kia, với thiết bị thí nghiệm truyền thống chưa thực được, đặc biệt nghiên cứu khơng định tính mà mặt định lượng tượng Vật lí Việc thu thập, xử lí nhanh chóng, xác liệu, tiết kiệm thời gian tiến hành thí nghiệm ưu điểm trội thí nghiệm kết nối với thiết bị vi tính Trong năm qua, trường phổ thông nước ta trang bị thiết bị thí nghiệm theo “Danh mục thiết bị dạy học tối thiểu” Bộ Giáo dục Đào tạo, hiệu sử dụng chúng cịn nhiều hạn chế Trong đó, thí nghiệm “Dịng điện mơi trường” (Vật lí 11) hành, số lượng thiết bị thí nghiệm thiếu; cịn nhiều thí nghiệm định tính, số phép đo dùng đồng hồ đa số có độ xác khơng cao, khó sử dụng chưa đáp ứng yêu cầu dạy học phát triển lực cho học sinh Vì vậy, cần phải hoàn thiện xây dựng thêm thí nghiệm kết nối với thiết bị vi tính, có độ xác cao, thu thập xử lí liệu thời gian ngắn, tạo điều kiện nhiều thời gian cho hoạt động tìm tịi - nghiên cứu, đa dạng hóa hình thức học tập, chuyển phương pháp khoa học thành 6 phương pháp tự học, phát triển lực khoa học cho học sinh Vì lí nêu trên, chúng tơi chọn đề tài nghiên cứu là: “Xây dựng sử dụng thí nghiệm dạy học chương “Dịng điện mơi trường” Vật lí 11 nhằm phát triển NLKH cho học sinh trung học phổ thơng” Mục đích nghiên cứu Xây dựng sử dụng thí nghiệm dạy học kiến thức “Dòng điện kim loại chất bán dẫn” Vật lí 11 nhằm phát triển lực khoa học cho học sinh Đối tượng, phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu - Hoạt động dạy học thí nghiệm hỗ trợ dạy học số kiến thức về: “Dòng điện kim loại chất bán dẫn” chương trình Vật lí lớp 11 THPT - NLKH học sinh THPT học tập mơn Vật lí + Phạm vi nghiên cứu - Xây dựng, hồn thiện thí nghiệm hỗ trợ hoạt động dạy học; Tổ chức hoạt động học số kiến thức “Dòng điện kim loại chất bán dẫn” chương trình Vật lí lớp 11 THPT - Học sinh lớp 11 tỉnh Ninh Bình thành phố Hà Nội Nhiệm vụ nghiên cứu 1) Nghiên cứu tổng quan dạy học phát triển lực, đánh giá NLKH học sinh trường phổ thơng 2) Nghiên cứu lí luận dạy học phát triển lực, đánh giá NLKH học sinh THPT học tập mơn Vật lí 3) Nghiên cứu vai trị thí nghiệm Vật lí trường THPT việc phát triển NLKH cho học sinh 4) Nghiên cứu thực trạng sử dụng thí nghiệm dạy học kiến thức “Dịng điện mơi trường”, theo định hướng dạy học phát triển lực cho học sinh 5) Xây dựng, hồn thiện thí nghiệm sử dụng chúng vào thiết kế 7 tiến trình dạy học góp phần phát triển NLKH cho học sinh dạy học số kiến thức “Dòng điện kim loại chất bán dẫn” 6) Xây dựng công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH học sinh tiến trình dạy học có sử dụng thí nghiệm xây dựng 7) Thực nghiệm sư phạm, nhằm đánh giá tính khả thi thiết bị thí nghiệm tiến trình dạy học khả phát triển NLKH cho học sinh học số kiến thức “Dòng điện kim loại chất bán dẫn” (Vật lí 11) Giả thuyết khoa học “Nếu xây dựng thí nghiệm sử dụng chúng để thiết kế tiến trình dạy học phù hợp với lí luận phát triển lực dạy học số kiến thức “Dòng điện mơi trường”(Vật lí 11), NLKH học sinh phát triển” Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lí thuyết: Nghiên cứu tài liệu, luận án ngồi nước lí luận dạy học Vật lí, có sử dụng thí nghiệm phát triển NLKH cho học sinh để xây dựng sở lí luận luận án - Nghiên cứu thực tiễn dạy học: Sử dụng phiếu điều tra thu thập thông tin thực trạng dạy học Vật lí có sử dụng thí nghiệm, phát triển lực học sinh trường THPT - Thực nghiệm khoa học: Chế tạo, hoàn thiện thử nghiệm thí nghiệm; Dạy thực nghiệm Sư phạm trường THPT Đánh giá tính khả thi việc xây dựng sử dụng thí nghiệm phát triển NLKH học sinh THPT - Thống kê toán học: Sử dụng phần mềm thống kê chuyên dụng, phân tích kết thực nghiệm để đánh giá tính khả thi luận án Những đóng góp luận án 7.1 Đóng góp mặt lí luận - Xây dựng nguyên tắc xây dựng biện pháp sử dụng thí nghiệm hỗ trợ dạy học Vật lí phát triển NLKH cho học sinh THPT - Xây dựng quy trình sử dụng thí nghiệm, hỗ trợ hoạt động dạy học kiến thức mới, thực hành thí nghiệm giải tập thí nghiệm nhà phát triển NLKH cho học sinh 8 - Xây dựng công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH học sinh THPT học tập môn Vật lí có sử dụng thí nghiệm 7.2 Đóng góp mặt thực tiễn - Xây dựng đưa vào sử dụng thí nghiệm dạy học kiến thức “Dòng điện kim loại chất bán dẫn” (Vật lí 11) phát triển NLKH cho học sinh - Xây dựng tiến trình dạy học nội dung kiến thức “Dòng điện kim loại chất bán dẫn” (Vật lí 11), có sử dụng thí nghiệm xây dựng nhằm phát triển NLKH cho học sinh - Xây dựng công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH học sinh sau học nội dung kiến thức “Dòng điện kim loại chất bán dẫn” (Vật lí 11) - Bằng linh kiện bán dẫn phổ biến, rẻ tiền thiết kế chế tạo thiết bị thu thập xử lí số liệu thí nghiệm với phép đo tín hiệu nhỏ (mV), có độ xác cao, phù hợp với dạy học phát triển NLKH cho học sinh trường THPT Cấu trúc luận án Cấu trúc luận án, phần mở đầu, kết luận kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận án gồm chương: Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cơ sở lí luận thực tiễn Chương 3: Xây dựng sử dụng thí nghiệm dạy học kiến thức “Dòng điện kim loại chất bán dẫn” nhằm phát triển NLKH cho học sinh Chương 4: Thực nghiệm sư phạm 9 Chương TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 NGHIÊN CỨU VỀ PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC KHOA HỌC CHO HỌC SINH 1.1.1 Các nghiên cứu nước ngồi Ngày nay, khái niệm lực, mơ hình lực đánh giá lực học sinh dựa tiêu chuẩn trở thành phổ biến giáo dục đào tạo Từ năm 1950, nhà giáo dục Mỹ Ralph W Tyler Benjamin S Bloom đề xuất quan điểm giáo dục cần dựa kết đầu (outcome-based education- OBE) chương trình giáo dục cần xác định mục tiêu rõ ràng, định lượng Giáo dục dựa lực (competency-based education -CBE) hay dựa kết đầu phát triển trường đại học vào đầu năm 1970 Gần 50 năm, dạy học dựa lực áp dụng giáo dục đại học, giáo dục nghề nghiệp giáo dục phổ thông nhiều nước giới Có nhiều định nghĩa khác khái niệm “năng lực”, khác biệt chủ yếu độ rộng nội hàm khái niệm Tùy theo quan điểm tiếp cận mà người ta chia lực thành dạng thức khác nhau, phổ biến cách phân loại lực chung lực chuyên biệt Năng lực nhìn nhận cách chung lực thiết yếu để người sống làm việc xã hội, lực hình thành phát triển nhiều mơn học, liên quan đến nhiều môn học Tuy nhiên, môn học, lực thu hẹp vào kiến thức, kỹ theo lĩnh vực khoa học chủ đề cụ thể Thế kỷ XXI, khoa học, kỹ thuật cơng nghệ tác động đến khía cạnh sống đại, yêu cầu giáo dục & đào tạo cung cấp lực 10 10 LÊ CHÍ NGUYỆN XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG “DỊNG ĐIỆN TRONG CÁC MƠI TRƯỜNG” VẬT LÍ 11 NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC KHOA HỌC CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Ngành: Lý luận phương pháp dạy học môn Vật lý Mã số: 9140111 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN KHẢI TS CAO TIẾN KHOA THÁI NGUYÊN - 2019 187 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học riêng tác giả Các kết nghiên cứu luận án trung thực, khách quan chưa công bố cơng trình khoa học Thái Ngun, tháng năm 2019 Tác giả Lê Chí Nguyện 188 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận án, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, tới: PGS.TS Nguyễn Văn Khải, PGS.TS Phạm Xuân Quế, TS Cao Tiến Khoa - người tận tình hướng dẫn, động viên giúp đỡ tơi q trình thực luận án Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, ban Chủ nhiệm Khoa Vật lý, giảng viên Bộ môn Giáo dục Vật lý - Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên Các thầy, cô giáo em học sinh trường THPT tỉnh Ninh Bình thành phố Hà Nội, giúp đỡ tơi trình thực luận án Ban Giám hiệu trường Đại học Hoa Lư - Ninh Bình, lãnh đạo Khoa Tự nhiên, tạo điều kiện thuận lợi vật chất, tinh thần cho tơi q trình học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân ln động viên, trình học tập nghiên cứu./ Tác giả Lê Chí Nguyện 189 190 ... vấn đề 2.3 SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM VẬT LÍ TRONG DẠY HỌC PHÁT TRIỂN NLKH CHO HỌC SINH THPT 2.3.1 Thí nghiệm Vật lí Thí nghiệm nghiên cứu Vật lí Trong nghiên cứu khoa học Vật lí làm thí nghiệm tác động... NLKH cho học sinh 4) Nghiên cứu thực trạng sử dụng thí nghiệm dạy học kiến thức “Dòng điện môi trường”, theo định hướng dạy học phát triển lực cho học sinh 5) Xây dựng, hoàn thiện thí nghiệm sử dụng. .. “Dịng điện mơi trường” Vật lí 11 nhằm phát triển NLKH cho học sinh trung học phổ thông? ?? Mục đích nghiên cứu Xây dựng sử dụng thí nghiệm dạy học kiến thức “Dịng điện kim loại chất bán dẫn” Vật lí 11