Rèn luyện kĩ năng thực hiện các thao tác tư duy cho học sinh qua việc giải bài tập thí nghiệm trong dạy học vật lí

Bài viết tập trung phân tích mối quan hệ giữa hoạt động giải bài tập thí nghiệm với việc thực hiện các thao tác tư duy và phương pháp khi giải một bài tập vật lí nói chung, qua đó đưa ra các bước chung khi giải bài tập thí nghiệm trong dạy học vật lí.

UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.3, NO.3 (2013) RÈN LUYỆN KĨ NĂNG THỰC HIỆN CÁC THAO TÁC TƯ DUY CHO HỌC SINH QUA VIỆC GIẢI BÀI TẬP THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ TRAINING THE THINKING SKILLS OF STUDENTS THROUGH SOLVING EXPERIMENTAL EXERCISES IN TEACHING PHYSICS Nguyễn Bảo Hoàng Thanh Trần Anh Tiến Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng Trường THPT Trần Quốc Tuấn, Quảng Ngãi TĨM TẮT Bài tập thí nghiệm vật lí, với ưu vừa tập vừa thí nghiệm nên đóng vai trị quan trọng dạy học vật lí trường phổ thơng, đồng thời đóng vai trị quan trọng việc rèn luyện thao tác tư cho HS học tập Việc đưa định hướng tốt để giúp học sinh giải tập thí nghiệm dạy học biện pháp hiệu để phát triển tư học sinh, qua nâng cao chất lượng dạy học mơn vật lí Bài viết tập trung phân tích mối quan hệ hoạt động giải tập thí nghiệm với việc thực thao tác tư phương pháp giải tập vật lí nói chung, qua đưa bước chung giải tập thí nghiệm dạy học vật lí Từ khóa: vật lí; thí nghiệm; tư duy; tập thí nghiệm ABSTRACT The physics experimental exercise, with the advantage of both exercises and experimental, plays an important role in teaching physics at high school It also has an important role in fostering the innovative thinking of students in learning Making good orientation to help students solve experimental exercises in teaching physics is an effective means to develop thinking of students, from that raise the quality of teaching physics In this article, our focus is analyzing the relationship between the activities of experimental exercises with the implementation of thinking and methods while doing exercise in teaching physics Key words: physics; experiment; thought; experimental exercise Đặt vấn đề tiễn, vào tính tốn kĩ thuật Trong dạy học vật lí, loại tập có đặc điểm riêng Bài tập thí nghiệm (BTTN) vật lí có đặc điểm nghiên cứu thực nghiệm mối liên hệ phụ thuộc đó, việc giải tốn q trình làm rõ điều kiện mà mối liên hệ phụ thuộc cần nghiên cứu xảy ra; xác định phương án thí nghiệm (TN) cho phép thu thập thông tin cần thiết cho việc khảo sát liên hệ phụ thuộc đó; hiểu rõ dụng cụ đo lường cần sử dụng; lắp ráp dụng cụ; tiến hành TN ghi lại kết quan sát, đo đạc; xử lí kết rút kết luận liên hệ phụ thuộc cần nghiên cứu [3] Khi giải BTTN, học sinh (HS) phải thực loạt thao tác tư như: phân tích, so sánh, trừu tượng hóa, khái qt hóa, Thơng qua hoạt động giải BTTN giúp cho HS rèn luyện thao tác tư cách thường xuyên, hướng, giúp HS hiểu sâu sắc qui luật vật lí (VL), biết phân tích ứng dụng chúng thực Nội dung 112 2.1 Hoạt động giải BTTN với trình thực thao tác tư Lí luận thực tiễn dạy học cho thấy, phát triển tư nói chung hình thành dựa rèn luyện thành thạo thao tác tư phân tích, tổng hợp, so sánh, khái quát hóa, trừu tượng hóa, kết hợp với phương pháp tư quy nạp, suy diễn, loại suy Trong dạy học vật lí, tập phương tiện để rèn luyện kĩ thực thao tác tư duy, đồng thời giúp học sinh hiểu kiến thức cách sâu sắc vận dụng kiến thức cách BTTN có yếu tố quan trọng TN nên làm BTTN, HS phải thực thao tác tư kể Thực thao tác phân tích để phân tích đề bài, phân tích diễn biến đại lượng VL tượng đề cập đến để tìm TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 3, SỐ (2013) xem đại lượng cho đại lượng cần phải tìm Đồng thời, HS phải phân tích xem mối quan hệ đại lượng cho đại lượng cần tìm thể tượng VL nào, định luật VL công thức Nhiều HS cần phải phân tích tập cho thành phần nhỏ, thành giai đoạn khác để giải phần, giai đoạn - Tìm hiểu đề bài: Xác định rõ điều kiện làm rõ ý nghĩa thuật ngữ, cụm từ quan trọng; ghi vắn tắt điều kiện, sử dụng kí hiệu, vẽ hình sơ đồ cần thiết - Phân tích tượng: Phân tích nội dung tập với mục đích làm rõ chất VL tượng mô tả bài, gợi lại đầu học sinh khái niệm, định luật có liên quan, cần thiết cho việc giải tập Thực thao tác tổng hợp, sau phân tích đề cần phải tổng hợp để đưa thuộc tính, thành phần riêng lẻ thành thể thống tập Đồng thời, phải tổng hợp tất liệu cho từ đề đại lượng trung gian để tiến hành giải tập - Xây dựng lập luận: Tìm quy luật liên hệ đại lượng phải tìm đại lượng cho viết cơng thức tương ứng; lập phương trình dạng tổng quát lắp ráp TN cần thiết cho việc giải tốn (bài tốn thí nghiệm) Thực thao tác so sánh để thiết lập giống khác vật, tượng, khái niệm phản ánh vật, tượng đề cập từ đề bài, để từ so sánh phương pháp giải biết phương pháp tối ưu nhất, kết nhanh xác - Biện luận: Phân tích lời giải đáp số, đánh giá ảnh hưởng số gần điều kiện tốn; thảo luận, tìm kiếm cách giải khác, lựa chọn cách giải hợp lí Thực thao tác trừu tượng hóa để xem xét tượng phản ánh từ đề Nếu thuộc tính, phận, quan hệ khơng cần thiết gạt bỏ giữ lại thuộc tính, phận, quan hệ cần thiết làm sở để giải BTTN cho Thực thao tác khái quát hóa để khái quát tượng riêng lẻ cho đề thành tượng tổng quát biết thông qua khái niệm, định luật VL, từ áp dụng khái niệm, định luật VL biết để tiến hành giải thích tượng xảy q trình TN Thực thao tác qui nạp diễn dịch để suy kết bước trung gian BTTN đơn giản 2.2 Phương pháp giải tập thí nghiệm BTTN phần tập VL, việc giải BTTN tuân theo bước chung việc giải tập VL Khi giải tập VL ta thường trải qua bước chung [1], [4] là: Căn vào phương pháp chung giải tập VL đặc điểm BTTN, vạch dàn chung cho việc giải BTTN, gồm bước sau: Bước 1: Tìm hiểu đề Đối với loại tập VL nào, việc tìm biểu đề bước quan trọng Trong hình thức thể BTTN chứa đựng yếu tố hình thức thể khác, tìm hiểu đề cần phân biệt rõ hình thức thể tập trung vào thuật ngữ quan trọng để xác định mục đích, yêu cầu nội dung tập Nếu BTTN lời cần tập trung vào từ ngữ mô tả diễn biến kết tượng hay dụng cụ TN cho sẵn Nếu BTTN thể video clip TN thực cần tập trung vào quan sát diễn biến tượng xảy Sau đọc kĩ đề bài, cần phân biệt đâu kiện cho đâu cần tìm Trong trường hợp cần thiết tóm tắt ngắn gọn kiện yêu cầu sơ đồ kí hiệu Bước 2: Phân tích nội dung tập để làm rõ ý nghĩa VL tượng mô tả tập Nghiên cứu kiện cho đề 113 UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION để xác định tượng nào, trình VL xảy TN Từ xác định kiến thức (quy tắc, định luật, định lí, cơng thức ) sử dụng để giải tập Nhìn chung BTTN, ta thường gặp tốn có u cầu bản, là: quan sát giải thích tượng; đề xuất phương án TN; thực TN để lấy số liệu cho việc tính tốn giải thích Đối với BTTN yêu cầu quan sát giải thích tượng, tập khơng địi hỏi phải đo đạc, tính tốn mặt định lượng Do đó, phân tích nội dung tập phải sử dụng phép suy luận logic sở định luật, khái niệm quan sát TN Có thể phân tích nội dung tập loại thơng qua việc trả lời câu hỏi sau: Đại lượng toán cho? Đại lượng cần phải tìm? Cần phải sử dụng kiến thức học? Đối với BTTN đề xuất phương án TN, tập đòi hỏi HS phải đề xuất phương án TN theo mục đích mà đề yêu cầu với dụng cụ cho sẵn tùy ý Do đó, phân tích nội dung tập HS phải thực phép suy luận logic để liên kết yêu cầu toán với kiện cho tri thức VL có Có thể phân tích nội dung tập loại thơng qua việc trả lời câu hỏi sau: Các đại lượng cần đo có liên quan nào? Cần phải sử dụng kiến thức học? Làm để đo được? Đối với BTTN đòi hỏi phải thực TN để lấy số liệu cho việc tính tốn Đây thường tập có u cầu tổng hợp (xây dựng phương án TN, thực TN, giải thích kết TN ) Do đó, phân tích nội dung tập phải kết hợp bước phân tích nêu BTTN quan sát giải thích tượng BTTN đề xuất phương án TN Cần lưu ý trường hợp phải tiến hành TN giải tập, cần phân tích đặc điểm cách thức sử dụng dụng cụ, thiết bị cho sử dụng TN Ngoài ra, TN phải thực lấy số liệu tính tốn từ TN phải tìm hiểu rõ đặc điểm sai số dụng cụ - yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính xác 114 VOL.3, NO.3 (2013) phép đo tiến hành TN Bước 3: Xây dựng phương án TN Trong bước này, ta phải vận dụng tổng hợp nhiều đơn vị kiến thức hiểu biết từ thực tế, xác định phụ thuộc cần kiểm tra, khảo sát, đề phương án Từ phương án đề ra, lựa chọn phương án tối ưu phù hợp với điều kiện TN (dụng cụ, thời gian thực ), thiết kế sơ đồ TN, lựa chọn dụng cụ đo thích hợp Tiến hành bố trí dụng cụ làm TN cách có trật tự, xác định bước TN, lập bảng ghi đại lượng cần đo Bước 4: Tiến hành TN, ghi kết quan sát hay đo đạc Khi tiến hành TN cần lưu ý đến thao tác sử dụng dụng cụ đo lường (cách đọc giá trị, điều chỉnh vị trí số khơng kim thị, quy tắc lắp rắp, trình tự làm việc với chúng ) Tìm phạm vi xác định đại lượng VL cần đo, lắp ráp TN theo sơ đồ Tiến hành đo đại lượng, ghi kết quả, xác định sai số Bước 5: Xử lí kết quả, rút kết luận giải thích Thay giá trị thu đại lượng VL vào công thức cần kiểm tra, khảo sát tính tốn Khi xử lí kết phép đo cần lưu ý đến quy tắc làm tròn cấp xác dụng cụ đo Từ đánh giá mức độ xác việc nghiên cứu, so sánh kết TN kết lí thuyết, cần vẽ đồ thị ghi điểm thực nghiệm Từ kết thu rút kết luận, nhận xét, ứng dụng kết thực tế Đôi nhờ việc đối chiếu với thực tế mà HS phát sai lầm thực TN 2.3 Một số ví dụ vận dụng bước để giải BTTN Ví dụ Cho dụng cụ sau: Một bảng thẳng đứng có từ tính; sợi dây cao su; sợi bền; hai lực kế kéo 1,2 (các lực kế giữ bảng từ nhờ nam châm) Hãy bố trí thí nghiệm Hình 1, đầu dây cao su (dây thun) móc vào điểm cố TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC định A, đầu lại thắt vào sợi dây bền, hai lực kế móc vào lỗ nhỏ hai đầu sợi dây bền đặt hai lực kế theo hai phương tạo với góc cho dây cao su dãn đến vị trí O TẬP 3, SỐ (2013)  Xây dựng phương án thực TN - Bố trí TN Hình r r - Dưới tác dụng hai lực F1 , F2 sợi dây cao su bị căng có vị trí AO xác định r r Hai lực F1 , F2 có giá cắt O - Ghi lại vị trí dây cao su vectơ Hình r r - Tìm hợp lực lực F1 , F2 thí r r F1 , F2 theo tỉ xích thích hợp r r r - Thay F1 , F2 lực F , r điều chỉnh F cho dây cao su trở lại vị r trí AO đánh dấu (Hình 2) Ghi lại F tỉ r r xích với F1 , F2 nghiệm ? - Từ kết thí nghiệm, ta rút kết luận r r cách xác định hợp lực hai lực F1 , F2 ? Cách phân tích sau:  Sau tìm hiểu đề ta rút số nhận xét sau: r r - Hai lực F1 , F2 đồng qui Hình r r - Đề chưa cho biết độ lớn F1 , F2 ,  Kết luận: r chưa cho phương án TN - Lực F gây tác dụng sợi dây r r r r - Bài tốn có liên quan đến qui tắc hợp lực hai lực đồng qui cao su giống F1 , F2 Vậy F hợp lực F1 - Đây tốn cần phải xây dựng phương án thí nghiệm, thực TN, giá trị F1, F2 chọn xác định giá trị hợp lực F F2 (Hình 2)  Lập luận: r r F1 , F2 đồng qui  liên tưởng đến qui tắc hợp lực đồng qui Hai lực kế 1,2  dùng để xác r r định độ lớn F1 , F2 Sợi bền  liên quan đến phương r r hai lực F1 , F2 Dây cao su  liên quan đến phương hợp lực lực đồng qui r r - F đường chéo hình bình hành mà hai cạnh hai vectơ biểu diễn hai lực thành r r phần F1 , F2 * Để định hướng cho việc phân tích, giáo viên sử dụng câu hỏi định hướng tư cho HS: - Cần phải bố trí thí nghiệm để đo hợp lực hai lực nói ? - Thí nghiệm xét tuân theo quy tắc ? - Cần giải thích thí nghiệm ? - Rút kết luận chung sau khảo sát thí nghiệm nói ? Ví dụ Một khối gỗ chữ nhật đặt 115 UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION ván phẳng, nghiêng dần ván đến khối gỗ bắt đầu trượt Hãy trình bày giải thích phương án TN đo hệ số ma sát nghỉ cực đại ván phẳng khối gỗ hình chữ nhật thí nghiệm Cho dụng cụ là: Tấm ván phẳng; khối gỗ hình chữ nhật; thước đo độ dài có độ chia nhỏ 1mm Cách phân tích sau:  Sau tìm hiểu đề ta rút số nhận xét sau: VOL.3, NO.3 (2013) + Đặt khối gỗ ván + Nghiêng dần ván đến khối gỗ bắt đầu trượt + Đánh dấu, đo độ cao h (cm) chiều chiếu c (cm) mặt nghiêng vị trí + Lặp lại nhiều lần thao tác (3 lần) + Lập bảng số liệu, có ba dịng tương ứng với đại lượng: độ cao h (cm) hình chiếu c (cm), hệ số  tính (minh họa Hình 4) - Yêu cầu toán xác định hệ số ma sát nghỉ cực đại, nên có liên quan đến cơng thức tính lực ma sát nghỉ cực đại - Bài toán liên quan đến toán vật đặt mặt phẳng nghiêng nên liên quan đến kiến thức phân tích lực: phân tích trọng lực tác dụng lên vật đặt mặt phẳng nghiêng thành hai thành phần: Thành phần song song với mặt phẳng nghiêng thành phần vng góc với mặt phẳng nghiêng - Cần phải tiến hành thí nghiệm đo giá trị n Hình Số lần h c  Lập luận: n n * Câu hỏi định hướng tư cho HS: - Thí nghiệm liên quan đến kiến thức vật lí ? - Giữa góc nghiêng  mặt phẳng nghiêng hệ số ma sát vật với mặt phẳng nghiêng có mối quan hệ với ? Biểu thức thể điều ? Hình  Vật chịu tác dụng trọng lực P , lực phân tích thành hai thành phần (Hình 3) Thành phần Py= mgcos vng góc với mặt phẳng nghiêng, thành phần tạo thành áp lực lên mặt phẳng nghiêng, thành phần cân - Cần phải thực thí nghiệm theo trình tự ? Kết luận với phản lực pháp tuyến N mặt phẳng nghiêng Thành phần Px = mgsin song song với mặt phẳng nghiêng hướng xuống Vật bắt đầu trượt xuống Px = Fmsnmax => mgsin = nmgcos =>n = tan Thực tế dạy học cho thấy, nhiều HS hiểu lý thuyết, song lại gặp nhiều khó khăn áp dụng kiến thức vào thực tiễn; học sinh nhắc lại định luật, công thức lại lúng túng giải tốn vật lí Vì việc rèn luyện, hướng dẫn HS giải BTTN vật lí đặc biệt quan trọng, nói biện pháp hiệu để phát triển tư cho HS  Xây dựng phương án thực TN Trong trình giải BTTN vật lý, HS  116 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC không thu nhận kiến thức mà cịn rèn luyện kĩ thói quen thực nghiệm, đo đạc nghiên cứu, thói quen áp dụng kiến thức để giải tốn Thơng qua hoạt động thực hành hoạt động tư độc lập, HS hồn thành nhiệm vụ thực hành, tìm số liệu thực nghiệm, đáp số toán, rút kết luận khoa học TẬP 3, SỐ (2013) án cách thức tiến hành thí nghiệm BTTN, HS tự làm sáng tỏ mối quan hệ lý thuyết với thực tiễn, đồng thời giúp HS rèn luyện kĩ phân tích, tổng hợp đơn vị kiến thức riêng lẻ; rèn luyện khả diễn đạt, lập luận logic, qua góp phần phát triển tư cho em học tập vật lí Thơng qua việc thảo luận phương TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Khải, Nguyễn Duy Chiến, Phạm Thị Mai (1993), Lí luận dạy học vật lí trường phổ thông, NXB Giáo dục [2] Nguyễn Thế Khôi, Phạm Quý Tư, Lương Tất Đạt - Lê Chân Hùng - Nguyễn Ngọc Hưng - Phạm Đình Thiết - Bùi Trọng Tuân - Lê Trọng Tường (2006), Vật lí 10 nâng cao, NXB Giáo Dục [3] Phạm Hữu Tòng (2004), Dạy học vật lí trường phổ thơng theo định hướng phát triển hoạt động tích cực, tự chủ, sáng tạo tư khoa học, NXB Đại học Sư phạm, tr 81-82 [4] Nguyễn Bảo Hoàng Thanh, Mai Chánh Trí (2010), Bài tập Vật lý 10 nâng cao, NXB Giáo dục 117 ... cần thiết cho việc giải tốn (bài tốn thí nghiệm) Thực thao tác so sánh để thiết lập giống khác vật, tư? ??ng, khái niệm phản ánh vật, tư? ??ng đề cập từ đề bài, để từ so sánh phương pháp giải biết... pháp giải tập thí nghiệm BTTN phần tập VL, việc giải BTTN tuân theo bước chung việc giải tập VL Khi giải tập VL ta thường trải qua bước chung [1], [4] là: Căn vào phương pháp chung giải tập VL... - Phân tích tư? ??ng: Phân tích nội dung tập với mục đích làm rõ chất VL tư? ??ng mô tả bài, gợi lại đầu học sinh khái niệm, định luật có liên quan, cần thiết cho việc giải tập Thực thao tác tổng hợp,