Luận văn thạc sỹ -Khoa học tự nhiên

Luận văn thạc sỹ -Khoa học tự nhiên

Mở đầu

1 Lý do chọn đề tài

Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nớc là mục tiêu hàng đầu trong đờng lốixây dựng phát triển của nớc ta, "Đến năm 2020 đất nớc ta về cơ bản phải trởthành nớc công nghiệp"[27] Muốn thực hiện thành công sự nghiệp này, chúng taphải thấy rõ nhân tố quyết định thắng lợi chính là nguồn nhân lực con ngời ViệtNam Nền giáo dục của ta không chỉ lo đào tạo cho đủ về số lợng mà cần quantâm đặc biệt đến chất lợng đào tạo.

Trớc tình hình đó, nhiệm vụ quan trọng đề ra cho các môn học trong trờngphổ thông là phải làm sao cho khi vào đời, bắt tay tham gia vào lao động sảnxuất hoặc lao động trong một ngành khoa học kỹ thuật nào đó, học sinh có thểnhanh chóng tiếp thu đợc cái mới, mau chóng thích ứng với trình độ hiện đại củakhoa học và kỹ thuật Để làm đợc điều đó, ngoài việc trang bị cho học sinh vốnkiến thức, kỹ năng tối thiểu cần thiết, các môn học cần phải tạo ra cho họ mộttiềm lực để họ có thể đi xa hơn những hiểu biết mà họ đã thu lợm đợc trong nhàtrờng Tiềm lực đó chính là khả năng giải quyết những vấn đề mà sản xuất và đờisống đặt ra cho họ, là khả năng tự vạch ra đờng đi để đạt tới những nhận thứcmới Tiềm lực đó nằm trong phơng pháp t duy và hành động một cách khoa học.Do đó vấn đề bồi dỡng cho học sinh các phơng pháp nhận thức khoa học đã trởthành nhiệm vụ quan trọng của các môn học trong nhà trờng phổ thông.

Chỉ trên cơ sở dạy cho các em các phơng pháp nhận thức khoa học chúng tamới có thể làm cho các em biết học tập một cách chủ động, mới rèn luyện đợc tríthông minh, sáng tạo ở các em Nhng việc rèn luyện trí thông minh sáng tạotrong dạy học ở trờng phổ thông nớc ta hiện nay còn mới mẻ, đang còn nhiềukhó khăn cả về lý luận lẫn thực tiễn.

Để đạt đợc mục đích đó, chúng ta cần phải nghiên cứu, áp dụng và liên tụccải tiến các phơng pháp giảng dạy Nền giáo dục của nớc ta hiện nay đã sử dụngmột số phơng pháp dạy học mang lại những hiệu quả nhất định nh phơng phápthực nghiệm, phơng pháp đàm thoại nêu vấn đề, phơng pháp diễn giảng

Phơng pháp mô hình (PPMH) là một trong những phơng pháp nhận thứckhoa học và đã đợc vận dụng vào trong dạy học Khi nghiên cứu những hiện tợngVật lý xảy ra trong thế giới vi mô, nhất là trong dạy học vật lý, chúng tôi đặcbiệt quan tâm tới PPMH

PPMH ngày càng trở nên quan trọng không những trong Vật lý mà cả trongnhững ngành khoa học tự nhiên và xã hội khác Chính vì vậy, chúng tôi chọn đề

tài: Nghiên cứu sử dụng phơng pháp mô hình trong dạy học chơng “Thuyếtđộng học phân tử và chất khí lý tởng” vật lý lớp 10 trung học phổ thông

2 Mục đích nghiên cứu

Sử dụng PPMH trong dạy học chơng “Thuyết động học phân tử và chất khílý tởng” nhằm góp phần nâng cao chất lợng dạy học vật lý trong trờng THPT.

3 Đối tợng và phạm vi nghiên cứu

- PPMH: Trong nghiên cứu vật lý và trong dạy học vật lý

- Hoạt động dạy và học vật lý của giáo viên và học sinh ở trờng THPT.

- Quá trình dạy học vật lý chơng “ Thuyết động học phân tử và chất khí lý ởng” lớp 10 THPT Tĩnh gia II.

t-4 Giả thuyết khoa học

- Có thể sử dụng PPMH ở các mức độ khác nhau để dạy học chơng “ Thuyếtđộng học phân tử và chất khí lý tởng”.

- Việc dùng PPMH dạy học chơng “ Thuyết động học phân tử và chất khí lý ởng” sẽ mang lại kết quả học sinh không những nắm vững sâu sắc kiến thức củamình mà còn đợc bồi dỡng PPMH của nhận thức vật lý.

t-5 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu lý thuyết về MH và PPMH trong nghiên cứu vật lý và trong dạy họcvật lý.

- Nghiên cứu chơng trình và sách giáo khoa vật lý phần nhiệt học.

- Tìm hiểu thực trạng nhận thức về PPMH và sử dụng PPMH trong dạy học vậtlý ở trờng phổ thông.

- Thiết kế các phơng án dạy học chơng “Thuyết động học phân tử và chất khí lýtởng” theo PPMH.

- Thực nghiệm s phạm các phơng án đã xây dựng.

6 Phơng pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý luận:

+ Các văn kiện của Đảng và Nhà nớc, của Bộ giáo dục và đào tạo có liênquan đến vấn đề nghiên cứu.

+ Các tài liệu, công trình liên quan đến hớng nghiên cứu.

- Nghiên cứu tình hình thực trạng trên đối tợng cụ thể: Dự giờ, quan sát việcdạy của giáo viên và việc học của học sinh trong quá trình thực nghiệm s phạm - Thực nghiêm s phạm: Thực hiện các bài dạy đã thiết kế, so sánh với lớp đốichứng để rút ra những cần thiết, chỉnh lý thiết kế đề xuất hớng áp dụng vào thựctiễn, mở rộng kết quả nghiên cứu

7 Kết quả nghiên cứu

Qua quá trình triển khai đề tài: Nghiên cứu sử dụng phơng pháp mô hìnhtrong dạy học chơng “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tởng” vật lý lớp10 THPT, chúng tôi đã thu đợc một số kết quả nh sau:

8 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ lục và tài liệu tham khảo, luận văncó 3 chơng sau:

Chơng 1: Cơ sở lý luận của đề tài

Chơng 2: Tổ chức dạy học chơng “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tởng”vật lý lớp 10 THPT theo PPMH.

Chơng 3: Thực nghiệm s phạm

Trong vật lý học, V.A Stôphơ đã định nghĩa mô hình nh sau: “Mô hình là một

hệ thống đợc hình dung trong óc hay đợc thực hiện một cách vật chất, hệ thốngđó phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tợng nghiên cứu hoặc tái tạo nó,bởi vậy việc nghiên cứu mô hình sẽ cung cấp cho ta những thông tin mới về đối t-ợng” [33].

Theo định nghĩa này, cần đặc biệt chú ý đến sự khác biệt giữa mô hình với đốitợng vật chất Một mô hình chỉ phản ánh một số tính chất của đối t ợng vật chất.Cùng một đối tợng vật chất nhng có thể có nhiều mô hình khác nhau Nh vậy môhình không đồng nhất với đối tợng mà nó phản ánh.

Còn theo Halbwachs thì định nghĩa “Những dấu hiệu bao gồm trong các hình

vẽ, các giản đồ, các ký hiệu toán học hay đơn giản hơn, những mệnh đề đợcthành lập bởi các từ, những hệ thống sẽ đợc dùng để biểu diễn cảnh huống Vớimột hệ thống các dấu hiệu nh thế, chúng ta gọi là một mô hình”[29].

Khái niệm “mô hình”, theo định nghĩa chung nhất của nó thì là một cái gì đó(một vật thể, một sự biểu đạt hình tợng, một phơng trình ) thay thế cho cáinguyên gốc, nó cho phép thay thế cái nguyên gốc này bởi sự trung gian giúp chodễ hiểu hơn, dễ đạt tới hơn đối với nhận thức Quan hệ giữa mô hình với thực tế

có thể hoặc là sự tơng tự về hình thức bề ngoài hoặc là sự tơng tự của cái cấu trúcbị che khuất, hoặc là sự tơng tự chức năng, hiệu quả.

1.1.2 Các chức năng của mô hình

Nh chúng ta đã thấy, vai trò của một mô hình vật lý nhằm đảm bảo cho sự thấu

hiểu khoa học một đối tợng vật lý nào đó Nh vậy, trong vật lý học mô hình cóba chức năng chính sau đây:

Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng mô hình đờng cảm ứng từ trong dạy học về từtrờng và hiện tợng cảm ứng điện từ (lớp 11) Mô hình đờng cảm ứng từ khôngnhững biểu diễn đợc hớng mà còn cả độ lớn của lực từ ở mỗi điểm xung quanhnam châm Sử dụng mô hình đờng cảm ứng từ giúp ta phát hiện ra định luật cảmứng điện từ: dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một khung dây dẫn kín khi từthông qua thiết diện của khung dây biến thiên Bằng mô hình đờng cảm ứng từ tacòn có thể phát hiện ra một điều quan trọng là: không gian xung quanh dòngđiện cũng tồn tại từ trờng.

Sự tơng tự có thể thuộc loại cấu trúc, khi đó sự tơng tự chủ yếu ở mối quan hệgiữa các phần tử của hai hệ thống Ví dụ mô hình ảnh của một vật trên võngmạc: quan hệ giữa phần này và phần kia của ảnh phản ánh đúng quan hệ giữa haiphần tơng ứng của vật Cũng có thể là sự tơng tự về chức năng, nghĩa là các phântử tơng ứng của hai hệ thống có chức năng giống nhau nhng cấu trúc có thể khácnhau Ví dụ mô hình ảnh tạo bởi thấu kính hội tụ và gơng cầu lõm dới những

điều kiện giống nhau là giống nhau và lại biết: có thể sử dụng một thấu kính hộitụ làm vật kính trong chế tạo kính thiên văn Từ đó, cũng có thể sử dụng gơngcầu lõm làm vật kính trong mô hình kính thiên văn Sự tơng tự cũng có thể giốngnhau hay na ná giống nhau ở kết quả các quá trình trong hai hệ thống Thuộcloại cuối cùng thờng thấy khi so sánh một hệ thống vật chất thực và sự diễn tảtoán học của nó Các phần tử thuộc hai hệ thống này không có điểm nào giốngnhau nhng kết quả thu đợc trong quá trình biến đổi toán học lại phù hợp với kếtquả thu đợc bằng thực nghiêm Ví dụ mô hình toán học diễn tả dao động điềuhoà: sự tơng tự giữa quy luật biến đổi của điện tích q trong mạch cũng giống nhquy luật biến đổi của ly độ x trong dao động của con lắc lò xo

Trong dạy học vật lý, tính chất tơng tự với vật gốc của mô hình có ý nghĩaquan trọng: sử dụng tính chất này khi xây dựng mô hình, học sinh đợc rèn luyệnmột loạt các thao tác t duy, đợc phát triển niềm tin vào mối liên hệ có tính kháiquát, có tính quy luật của các sự vật, hiện tợng tự nhiên đa đạng, phong phú Sửdụng tính chất này còn góp phần nâng cao hiệu quả giờ học, thể hiện trớc hết ởtính sâu sắc, tính hệ thống của các kiến thức vì nó tạo điều kiện cho học sinh liênhệ cái cha biết với cái đã biết, phát hiện những mối liên hệ giữa các hệ thốngkhác nhau ở các phần khác nhau của vật lý cũng nh những dấu hiệu giống nhauvà khác nhau của chúng.

b) Tính đơn giản:

Nh ta đã biết, thực tế khách quan vô cùng đa dạng và phong phú Mỗi mô hìnhchỉ phản ánh đợc một mặt nào đó của thực tế Nhiều khi một hệ thống thực thểkhách quan phải dùng đến nhiều mô hình để phản ánh Trong khi xây dựng môhình ta phải thực hiện các thao tác trừu tợng hóa, khái quát hóa những thao tácấy bao giờ cũng dẫn đến một sự đơn giản hóa vì rằng ta đã tớc bỏ những chi tiếtthứ yếu, chỉ còn lại những thuộc tính và những mối liên hệ bản chất Nh vậy tínhđơn giản của mô hình là một tất yếu khách quan.

Mặt khác cũng nhờ tính đơn giản này của mô hình mà nhà nghiên cứu có thểnắm chắc những vấn đề cơ bản nhất của thực tế khách quan, khái quát hóa chúngmà rút ra những quy luật Nếu không dùng những mô hình đơn giản để nghiêncứu mà nghiên cứu ngay những hiện tợng thực tế phức tạp thì nhiều trờng hợpquy luật bị lu mờ và nhà nghiên cứu có thể bị nhầm lẫn.

c) Tính trực quan:

Trớc hết tính trực quan của mô hình thể hiện ở chỗ dễ dàng nhận biết bằng cácgiác quan Ta có thể cảm giác, tri giác trực tiếp trên mô hình, nhng nhiều khikhông làm đợc việc đó trên các hiện tợng thực tế.

Tính trực quan cũng thể hiện ở chỗ ta đã vật chất hóa những tính chất, nhữngquan hệ không thể trực tiếp tri giác đợc Thí dụ lực hút, lực đẩy giữa các phân tửđợc biểu diễn trên mô hình bằng cách gạch nối đậm hay mảnh, hoặc quy luậtchuyển động đợc biểu diễn bằng đồ thị vận tốc.

Khái niệm trực quan còn đợc mở rộng trong trờng hợp mô hình không trực tiếpdiễn tả hiện tợng thực tế mà so sánh với một hiện tợng thực tế khác mà ta có thểtri giác bằng giác quan đợc Ví dụ nh dùng mô hình sóng nớc để diễn tả sự giaothoa của sóng ánh sáng mặc dù sóng ánh sáng hoàn toàn khác sóng nớc Rõ ràngmức độ trực giác gián tiếp loại này còn phụ thuộc vào vốn hiêủ biết của chínhchủ thể, do chủ thể đã tích lũy đợc từ trớc.

ý nghĩa của tính trực quan của mô hình trong dạy học thể hiện ở chỗ, làm chohọc sinh dễ hình dung các hiện tợng vật lý không thể quan sát trực tiếp đợc (Vídụ sử dụng con lắc lò xo để trực quan hoá quá trình xảy ra và sự biến đổi của cácđại lợng vật lý trong mạch dao dộng điện LC), dễ hiểu hơn các khái niệm trừu t -ợng (ví dụ khi minh hoạ các khái niệm dòng điện và hiệu điện thế, có thể dùngdùng hình ảnh dòng nớc chảy để trực quan hoá các kiến thức trên).

d) Tính quy luật riêng:

Khi xây dựng mô hình, ngời ta dựa vào sự tơng tự của nó với tình huống vật lýmà nó phản ánh Nhng bản thân mô hình có những tính chất riêng của nó đợcquy định bởi tính chất của các phần tử của nó và mối quan hệ giữa các phần tửấy Mối quan hệ ấy tuân theo quy luật riêng, nhiều khi không còn giống nhữngquy luật chi phối mối quan hệ giữa các phần tử trong tình huống vật lý nữa.Chẳng hạn nh mô hình ký hiệu toán học tuân theo những quy luật toán học Từsự vận động của những quy luật riêng này có thể rút ra những kết luận mới cókhả năng chuyển tải sang tình huống vật lý (vật gốc) Đơng nhiên rằng sự tiênđoán nàycó tính chất giả thuyết, cần đợc kiểm tra lại.

Đây là giá trị nhận thức của mô hình Nhờ tính chất này mà với mô hình takhông chỉ dừng lại ở sự mô tả, tìm hiểu các tình huống vật lý mà còn phát hiệnra những tính chất mới, cung cấp những thông tin mới.

e) Tính lý tởng:

Mô hình xuất phát từ thực tiễn, phản ánh thực tiễn Nhng khi ta mô hình hóamột vật, một mối quan hệ nào đó ta đã thực hiện một sự trừu tợng hóa, khái quáthóa, phản ánh các thuộc tính của vật thể, hiện tợng khách quan ở mức độ hoànthiện cao, loại bỏ tất cả những ảnh hởng nhiễu trong nhận thức Nh vậy mô hìnhnào cũng có tính chất lý tởng ít hay nhiều Nói cách khác không có mô hình nàogiống hệt thực tiễn bởi nếu mô hình hoàn toàn giống thực tế khách quan thì nó

không còn tính cách là vật đại diện, thay thế nữa Một mô hình vật lý chỉ phảnánh đến một mức độ nhất định một vài mặt của một tình huống vật lý.

Tính chất lý tởng của mô hình ngày càng cao thì mô hình càng khái quát vàgiúp ta nhận thức đợc những nét chung nhất của hiện tợng và bao trùm đợc mộtsố càng lớn hiện tợng Nhng càng khái quát, càng có tính lý tởng cao thì khi sửdụng mô hình để nghiên cứu thực tế càng gặp nhiều khó khăn vì ta phải bổ sungvào cấu trúc chung của mô hình rất nhiều yếu tố cụ thể phù hợp với các tính chấtđối tợng nghiên cứu.

1.1.4 Các loại mô hình sử dụng trong vật lý học

Ta có thể phân các mô hình vật lý ra làm hai loại [25, 130], [22, 27] A) Mô hình vật chất:

Là mô hình trên đó phản ánh đặc trng cơ bản về mặt hình học, vật lý, động lựchọc, chức năng học của đối tợng nghiên cứu.

Thí dụ: Mô hình máy bay, mô hình lò cao, mô hình động cơ đốt trong Loạimô hình này chỉ sử dụng ở giai đoạn thấp của quá trình nhận thức khi cần hìnhthành những biểu tợng hoặc thu thập kiến thức có tính chất kinh nghiệm Nhữngkiến thức thu đợc trên mô hình là những tính chất bên ngoài của hiên tợng, củađối tợng thực

B) Mô hình lý tởng ( hay mô hình lý thuyết)

Là những mô hình trừu tợng, trên đó về nguyên tắc ngời ta chỉ áp dụng nhữngthao tác t duy lý thuyết Các phần tử của mô hình và đối tợng nghiên cứu thực tếcó thể có bản chất vật lý hoàn toàn khác nhau nhng hoạt động theo những quyluật giống nhau Các mô hình lý thuyết có thể có rất nhiều loại tùy theo mức độtrừu tợng khác nhau.

a) Mô hình ký hiệu:

Là dạng cụ thể nhất của mô hình lý tởng Đó là hệ thống những ký hiệu dùngvới t cách là mô hình: hình vẽ, sơ đồ, đồ thị, chữ cái, các công thức, phơng trìnhtoán học Chúng tôi chú ý đặc biệt đến hai loại mô hình ký hiệu là mô hình toánhọc và mô hình đồ thị.

a1) Mô hình toán học: Là những mô hình có bản chất khác với vật gốc, chúng

diễn tả những đặc tính của vật gốc bằng một hệ thức toán học Chẳng hạn nh tấtcả những đại lợng q biến thiên thỏa mãn phơng trình: q”+ 2q = 0 đều biến thiêntheo một quy luật dao động điều hòa Bởi vậy có thể dùng công thức đó là môhình của mọi dao động điều hòa không phụ thuộc vào bản chất của dao động.Mục đích của mô hình hóa là thay thế đối tợng nghiên cứu bằng phơng trình sao

cho có thể thu đợc những thông tin cần thiết một cách dễ dàng nhất Bởi vậy cóthể ở giai đoạn đầu của quá trình nhận thức xuất phát từ những yếu tố quan sát đ-ợc (lực đàn hồi) để xây dựng mô hình dao động cơ học, sau đó dùng mô hình đểnghiên cứu dao động điện không quan sát trực tiếp đợc.

Tuy mô hình toán có u điểm về sự chặt chẽ của toán học, có thể xét tới nhữngyếu tố ảnh hởng nhỏ nhất tham dự vào quá trình thực nghiệm, song sự chặt chẽnày đồng thời lại là nhợc điểm của mô hình toán, vì nó có khoảng cách khá xavới tính linh hoạt của các quá trình thực, nhất là các quá trình xã hội [4].

a2) Mô hình đồ thị: Chúng tôi đặc biệt quan tâm đến mô hình đồ thị, là một

loại mô hình rất thông dụng trong nghiên cứu vật lý, đặc biệt là trong nghiên cứuthực nghiệm, nhng cha đợc hiểu và sử dụng đúng mức.

Vai trò của đồ thị thể hiện rất rõ: Đồ thị biểu diễn một mối quan hệ giữa haihoặc ba đại lợng vật lý mô tả hiện tợng tự nhiên.

Nếu chỉ dừng lại ở việc giải thích hiện tợng theo quan điểm vĩ mô (theo hiện ơng luận) thì trong nhiều trờng hợp, có thể dựa vào đồ thị để giải thích sự diễnbiến của hiện tợng Chẳng hạn, ngời ta thờng dựa vào đặc tuyến vôn- ampe củatranzito để chọn điểm làm việc của nó Ngợc lại với một điểm làm việc nhấtđịnh, thì dựa vào đặc tuyến vôn- ampe ta có thể biết trazito hoạt động ở chế độtuyến tính hay không tuyến tính.

Mỗi đồ thị không những chỉ phản ánh đơn thuần mối liên hệ hàm số giữa haiđại lợng vật lý, mà nó mang nhiều thông tin quý báu ngoài mối liên hệ đó đóchính là chức năng tiên đoán của đồ thị Đồ thị của đờng đẳng tích và đờng đẳngáp đã cho ta tiên đoán sự tồn tại của độ không tuyệt đối.

Nếu một đồ thị có một cực đại (hay một cực tiểu) thì nó sẽ cho ta thấy có haiyếu tố trái ngợc nhau chi phối hiện tợng mà ta xét Đó chẳng hạn là trờng hợp đồthị thực nghiệm của sự phụ thuộc năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đốivà bớc sóng.

Nh vậy, đồ thị vật lý hoàn toàn có đủ t cách là một mô hình lý thuyết của hiệntợng vật lý.

Để cho đồ thị có ý nghĩa nh một mô hình độc lập chứ không phải chỉ là mộtdạng để biểu diễn một công thức toán học, cần nói rõ cách xây dựng và sử dụngriêng của đồ thị.

a3) Mô hình lôgic- toán: Mô hình này dựa trên ngôn ngữ toán học Mô hình

này đợc sử dụng rộng rãi trên các máy tính điện tử Có thể coi mô hình dùngtrong máy tính điện tử là mô hình ký hiệu đã đợc vật chất hóa Những hiện tợnghoặc quá trình cần nghiên cứu đợc mô hình hóa dới dạng chơng trình của maý

tính, nghĩa là hệ thống quy luật đã đợc mã hóa theo ngôn ngữ của máy, chơngtrình này có thể coi nh algorit của các hành vi của đối tợng nghiên cứu.

b) Mô hình biểu tợng:

Mô hình biểu tợng là dạng trừu tợng nhất của mô hình lý tởng Những mô hìnhbiểu tợng không tồn tại trong không gian, trong thực tế mà chỉ có trong t duy củata Ta chỉ nêu algôrit đã tạo ra mô hình rồi hình dung nó trong óc chứ không cầnlàm ra mô hình cụ thể Với sự hình dung đó ngời ta có thể hiểu đợc hành vi củamô hình (và do đó của đối tợng cần nghiên cứu) bằng cách suy luận lôgic Thí dụmô hình phân tử trong thuyết động học phân tử của chất khí Mô hình này mangnhiều đặc tính không thể diễn tả bằng một vật cụ thể hay một ký hiệu (quả cầuđàn hồi, có lực hút, lực đẩy, chuyển động hỗn loạn v.v ).

Mô hình lý thuyết nhiều khi đợc vật chất hóa dới một dạng nào đó để hỗ trợcho quá trình t duy Ví dụ mô hình cấu tạo chất: vật chất đợc cấu tạo từ nhữnghạt nhỏ bé, riêng biệt, giữa các hạt có khoảng cách Hiện tợng quan sát đợc trênmô hình “ngô-vừng” khi chúng đợc trộn lẫn vào nhau có thể chuyển sang vật gốc“rợu-nớc”.

Trong vật lý học những mô hình lý thuyết có tác dụng to lớn đối với quá trìnhnhận thức nên chúng giữ một vị trí quan trọng Mô hình ký hiệu và mô hình biểutợng trong sáng tạo khoa học vật lý liên quan mật thiết với nhau và có ảnh h ởngđến sự phát triển của nhau.

Tóm lại, chúng ta có thể xây dựng sơ đồ các loại mô hình nh ở hình 1 sau đây:

1.2 Phơng pháp mô hình trong vật lý học

MÔ hình

MH lý thuyếtMH vật chất

MH ký hiệu MH biểu t ợng

MH đồ thị MH lôgic toánMH toán học

Hình 1: Các loại MH sử dụng trong vật lý họcMH chức năng

MH cấu trúc

Trong phơng pháp mô hình, ngời ta dựng lại những tính chất cơ bản của vậtthể, hiện tợng, quá trình và mối quan hệ giữa chúng dới dạng mô hình Việcnghiên cứu trên mô hình sẽ thay thế cho việc nghiên cứu trên chính đối tợngthực tiễn, những kết quả nghiên cứu trên mô hình sẽ chuyển sang cho những đốitợng gốc cho phép ta thu đợc những thông tin mới về đối tợng gốc

1.2.1 Cơ sở lý thuyết của phơng pháp mô hình

Cơ sở lý thuyết của phơng pháp mô hình là lý thuyết tơng tự Theo phơngpháp này ta dựa vào sự giống nhau một phần về các tính chất hay về các mốiquan hệ mà chuyển những thông tin thu thập đợc từ một đối tợng này sang mộtđối tợng khác Thuật ngữ “đối tợng” ở đây dùng theo nghĩa rộng chỉ một vật thể(hoặc hệ vật thể) hoặc một hình ảnh (hoặc một hệ hình ảnh) trừu tợng hay một sơđồ lôgic.

Giả sử có một đối tơng A mà ta biết có những tính chất a1, a2, a3 an+1 còn khinghiên cứu một đối tợng B ta chỉ mới thấy B có những tính chất a1, a2, a3 an

giống nh đối tợng A ta có thể suy ra rằng B cũng có tính chất an+1 nh đối tợng Anếu nh giữa a1, a2, a3 an+1 có một quy luật lôgic gắn bó.

Rõ ràng sự suy luận tơng tự trên chỉ có tính chất là một giả thuyết, là nguồngốc trí thức mới Những giả thuyết đó chỉ trở thành nhận thức khoa học khichúng đợc kiểm tra và xác nhận bằng thực nghiệm.

Sở dĩ sự suy luận bằng phép tơng tự đạt đợc những kết quả đáng tin cậy trởthành một phơng pháp có hiệu lực trong khoa học vì theo Kedrốp: Sự tơng tự cónguyên nhân sâu xa là sự thống nhất bản chất bên trong của những hiện tợngkhác nhau, sự thống nhất có tính tổng quát của các định luật chung chi phốinhững định luật riêng.

Trớc hết chúng tơng tự với nhau vì chúng tuân theo những mối quan hệ nhânquả Dựa trên sự tơng tự giữa các hệ quả mà ngời ta có thể đa ra sự tơng tự giữa

các nguyên nhân và ngợc lại D.Didorot đã viết “ Trong vật lý học, tất cả những

hiểu biết của chúng ta đều dựa vào sự tơng tự nếu sự giống nhau về hệ quả màkhông cho phép ta kết luận về sự giống nhau về nguyên nhân thì khoa học vật lýsẽ ra sao? Có cần phải đi tìm nguyên nhân của tất cả các hiên tợng tơng tựkhông loại trừ gì hết? Liệu điều đó có thực hiện đợc không? Y học và những lĩnhvực thực nghiệm của vật lý sẽ nh thế nào nếu không có nguyên lý tơng tự đó Cóthể rút ra đợc kết luận gì từ rất nhiều sự kiện, thực nghiệm và quan sát?”.

Trong lịch sử khoa học, phơng pháp tơng tự đã dẫn đến nhiều phát minh vĩ đại.Đa số những giả thuyết khoa học ngày nay đều đợc đề xuất dựa trên sự tơng tự

với những nguyên lý, những tiên đề hoặc những kết quả đã có từ trớc trong khoahọc và đã đợc thực nghiệm xác nhận là đúng đắn.

1.2.2 Cấu trúc của phơng pháp mô hình trong vật lý học

Trong vật lý, phơng pháp mô hình có cấu trúc gồm 4 giai đoạn sau đây: a) Nghiên cứu tính chất của đối tợng gốc:

Bằng quan sát thực nghiệm, ngời ta xác định đợc một tập hợp những tính chất

của đối tợng nghiên cứu Giai đoạn này còn gọi là tập hợp các sự kiện ban đầu

làm cơ sở để xây dựng mô hình b) Xây dựng mô hình:

Thông thờng do kết quả của sự tơng tự ngời ta đi đến hình dung sơ bộ về sựvật, hiện tợng cần nghiên cứu, tức là đi đến một mô hình sơ bộ, cha đầy đủ.Trong giai đoạn này trí tởng tợng và trực giác giữ vai trò quan trọng Nhờ có trítởng tợng và trực giác mà ngời ta mới trừu xuất đợc những tính chất và nhữngmối quan hệ thứ yếu của đối tợng nghiên cứu, thay nó bằng mô hình chỉ mangtính chất và những mối quan hệ chính mà ta quan tâm Mô hình lúc đầu mới có ởtrong óc nhà nghiên cứu Nó trở thành mẫu dựa vào đó nhà nghiên cứu xây dựngnhững mô hình thật (nếu nhà nghiên cứu dùng phơng pháp mô hình vật chất).Trong trờng hợp mô hình lý tởng thì ngời ta đem đối chiếu trong óc mô hình vớinhững vật, những hiện tợng mà ngời ta đã quen biết, chẳng hạn nh trong thuyếtđộng học chất khí, ngời ta đã trừu xuất những chi tiết về cấu trúc của những phântử của chất khí, chỉ còn giữ lại những đặc điểm về mặt động học của các phân tửvà thay thế những phân tử khí bằng những hạt Những hạt này giống với nhữngquả cầu va chạm tuyệt đối đàn hồi mà ta đã biết rõ những quy luật chi phốichúng.

c) Thao tác trên mô hình suy ra hệ quả lý thuyết:

Sau khi xây dựng mô hình, ngời ta áp dụng những phơng pháp lý thuyết hoặcthực nghiệm khác nhau từ t duy trên mô hình và thu đợc kết quả, những thông tinmới Đối với các mô hình vật chất thì ngời ta làm thí nghiệm thực trên mô hình Còn đối với mô hình lý tởng thì thao tác trên mô hình trong óc, tức là áp dụngnhững phép tính hay những phép phân tích suy luận lôgic dựa trên các mệnh đềcủa mô hình nh các tiên đề Ngời ta coi công việc này nh làm một thí nghiệmđặc biệt gọi là thí nghiệm tởng tợng Thí nghiệm tởng tợng tuy không có thật nh-ng có thể thực hiện đợc và có vai trò rất lớn trong khoa học Theo Heisenberg:những thí nghiệm đó đợc sáng tạo để giải thích những vấn đề đặc biệt quantrọng, bất kể là thực tế ta có thể thực hiện đợc thí nghiệm đó hay không Dĩ

nhiên, điều quan trọng là thí nghiệm đó có thể thực hiện về nguyên tắc, mặc dùkỹ thuật thực hiện của nó có thể rất phức tạp.

Trong phơng pháp mô hình lý tởng ngời ta đã biết trớc hành vi của mô hìnhtrong những điều kiện xác định Điều ngời ta muốn biết thêm là hệ quả củanhững hành vi đó nh thế nào.

Thí nghiệm tởng tợng thực chất là một thao tác lôgic chứ không phải là mộtphơng pháp nghiên cứu khách quan, những kết quả trên mô hình phải đợcchuyển đổi về đối tợng nghiên cứu (đối tợng gốc) xem có phù hợp.

d) Thực nghiệm kiểm tra:

- Nếu bản thân mô hình là một phần tử cấu tạo của nhận thức thì cần phải kiểmtra sự đúng đắn của nó bằng cách đối chiếu kết quả thu đợc từ mô hình vớinhững kết quả thu đợc trực tiếp từ đối tợng gốc Nếu sai lệch thì phải điều chỉnhngay chính mô hình, có trờng hợp phải bỏ hẳn mô hình đó và thay bằng một môhình khác Thí dụ mô hình cấu tạo phân tử khí lý tởng vừa là đối tợng của nhậnthức vừa là phơng tiện nghiên cứu Kết quả nghiên cứu trên mô hình đó đem ápdụng vào khí thực có sai lệch với thực tế Bởi vậy phải chỉnh lý mô hình khí lý t-ởng và phải xây dựng mô hình khí thực.

- Nếu bản thân mô hình không phải là đối tợng của nhận thức mà chỉ là phơngtiện để nghiên cứu thì việc xử lý kết quả, hợp thức mô hình là phải phân tíchnhững kết quả thu đợc trên mô hình thành những thông tin về đối tợng nghiêncứu (thí dụ nh mô hình kỹ thuật, mô hình toán học ) nếu những thông tin ấykhông phù hợp cũng phải chỉnh lý lại mô hình.

Trong nhiều trờng hợp mô hình chỉ phản ánh đợc một hay một số mặt của đốitợng nghiên cứu, còn nhiều mặt khác thì không phản ánh đợc, thậm chí phản ánhsai lệch.

Những mô hình đã đợc kiểm nghiệm trong thực tế là những mô hình hợp thứcvà dùng để phản ánh một số mặt của thực tế khách quan Nó có thể thay đổi,hoàn chỉnh thêm hoặc bị bác bỏ khi ngời ta có thêm thông tin chính xác hơn vềđối tợng gốc

Tóm lại, ta có thể xây dựng sơ đồ cấu trúc của phơng pháp mô hình nh ở hình2 dới đây.

Kết quả nghiên cứu trên mô hình

Mô hình

Đối t ợng củanhận thức

Nhận thức về đối t ợng

(mô hình hoàn chỉnh)

Nghiên cứu trên MH

PP thực nghiệmcác pp lôgic toán

Xây dựng mô hình:-PP t ơng tự-Trừu t ợng toán

Hợp thức hoá mô hình

PP thực nghiệmquan sát so sánh

1.2.3 Vai trò của phơng pháp mô hình trong lịch sử vật lý

Trong lịch sử vật lý, PPMH đóng vai trò rất quan trọng trong việc xây dựng

và hoàn chỉnh các thuyết [18] Không có mô hình về ête vũ trụ thì trong bối cảnhlịch sử khoa học thế kỷ 19 không thể xây dựng đợc lý thuyết về các hiện tợngđiện từ Macxoen dùng mô hình ête vũ trụ để xây dựng các phơng trìnhMacxoen, Mặc dù đợc xây dựng từ mô hình cơ học là ête giả định nhng khôngmang trong chúng một hệ số đặc trng nào cho môi trờng đó; trong những trờnghợp này mô hình là phơng tiện, công cụ nhận thức tơng tự nh bộ “giàn giáo” đểxây dựng toà nhà, khi xây xong thì bộ “giàn giáo” bị dỡ bỏ, không cần quan tâm.“Lý thuyết Macxoen chính là các phơng trình Macxoen”[16, 163].

Những mô hình đợc sử dụng đầu tiên trong vật lý học là mô hình vĩ mô (đơngiản hoá các đối tợng vĩ mô cần nghiên cứu) (ví dụ chất điểm là mô hình trái đấtchuyển động quanh mặt trời); Từ giữa thế kỷ 19 xuất hiện rộng rãi các mô hìnhvi mô (mô hình mô tả các đối tợng vi mô không quan sát trực tiếp đợc) Thế kỷ20 xuất hiện mô hình lợng tử Ví dụ sự phát triển của các mô hình về cấu tạonguyên tử Đầu tiên là mẫu cổ điển do Thômsơn đa ra vào năm 1906: Nguyên tửgồm các electrôn nằm trong một môi trờng điện tích dơng, electrôn bơi trongmôi trờng điện tích dơng hình cầu có đờng kính cỡ Ǻ và các electrôn phân bốthành từng lớp Mẫu này giải thích đợc định tính một số tính chất của cácnguyên tử nhng không đợc thành công lắm Năm 1908, Rơzơfo làm thí nghiệmkiểm tra mẫu Thômsơn về cấu tạo hạt nhân Mẫu Thômsơn không giải thích đợcsự tán xạ của chùm hạt α trên lá vàng Mẫu Thômsơn thất bại Rơzơfo bổ sungmẫu nguyên tử có đờng kính cỡ 10-4Ǻ Mẫu này giải thích hoàn hảo các thínghiệm của Rơzơfo cả về mặt định tính lẫn định lợng, đồng thời tiên đoán nănglợng ion hoá của hyđrô, đã đợc thí nghiệm kiểm chứng Tuy nhiên mẫu trên

không giải thích đợc tính bền vững của nguyên tử và sự tạo thành quang phổvạch của hyđrô Đến năm 1913 Borh bổ sung thêm hai tiên đề về các trạng tháidừng và về sự hấp thụ, bức xạ năng lợng của nguyên tử Năm 1915, Somefod chorằng electrôn chuyển động theo quỹ đạo elip, mô men động lợng của electrôntrên quỹ đạo cũng khác nhau Mẫu này không giải thích đợc sự tách vạch quangphổ trong từ trờng ngoài Đến năm 1916, ông đa thêm vào mẫu của mình: hìnhchiếu của mô men từ lên phơng của từ trờng ngoài cũng đợc lợng tử hoá Năm1925, Gao Smit và Ulnibec lại bổ sung: mỗi electrôn có mô men quay riêng gọilà Spin Tiếp đó, Pauli đa ra mẫu: mỗi electrôn đợc đặc trng bởi bốn số lợng tử.Trong một nguyên tử không có hai electrôn có trạng thái lợng tử giống nhau(nguyên lý cấm Pauli) Mẫu này gặp khó khăn là không giải thích đợc quang phổcủa các nguyên tử có cấu tạo phức tạp ( do mâu thuẫn ngay trong các mệnh đề: l-ợng tử- quỹ đạo) Cuối cùng là mẫu nguyên tử theo cơ học lợng tử.

Nhờ áp dụng PPMH mà trong nhiều trờng hợp đã làm xuất hiện những lýthuyết mới Chẳng hạn mô hình sóng Đơbrơi đã dẫn đến cơ học lợng tử.

1.2.4.Ưu - nhợc điểm của PPMH trong vật lý học

a) Những u điểm:

Trớc hết, PPMH giúp ta hiểu rõ đối tợng nghiên cứu Mô hình là vật đại diện,trên đó ta sẽ tác động các thao tác lôgic và thực nghiệm Rất nhiều hiện t ợng vàquá trình đợc giải thích rõ ràng thông qua mô hình Ví dụ nh mô hình khí lý tởnggiải thích các định luật thực nghiệm về chất khí (định luật Bôilơ-Mariôt, địnhluật Gayluyxac, định luật Saclơ).

Sự giải thích bằng mô hình là một hình thức cổ xa nhất trong khoa học Ngờita coi những quy luật chi phối mô hình cũng là những quy luật của chính đối t-ợng nghiên cứu Ngày nay, khi khoa học đi sâu vào thế giới vi mô không trựctiếp quan sát đợc thì chức năng mô tả giải thích của mô hình càng có hiệu lực Nhiều khi cùng một đối tợng phải dùng đến nhiều mô hình mới giải thích đ-ợc Những mô hình này có thể có những tính chất trái ngợc nhau Chẳng hạn nhđể giải thích sự truyền ánh sáng, trong vật lý học cổ điển, ngời ta dùng mô hình“hạt ánh sáng”, nhng sau đó khi phát hiện ra hiện tợng giao thoa ánh sáng thì lạidùng “mô hình sóng ánh sáng” để giải thích Đối với vật lý cổ điển thì hai kháiniệm sóng và hạt là hoàn toàn khác biệt Chỉ mãi đến đầu thế kỷ XX sau khi xâydựng cơ học lợng tử, mô hình lỡng tính sóng hạt mới xoá bỏ đợc sự không tơngthích đó.

Có trờng hợp một mô hình có thể dùng cho nhiều hiện tợng khác nhau về bảnchất Ví dụ phơng trình sóng có thể là mô hình của sự lan truyền âm trong khôngkhí, của sự lan truyền sóng điện từ trong chân không, của chuyển động củaelectron trong nguyên tử Điều đó nói lên một lần nữa sự thống nhất của vật chất Xu hớng hiện đại của vật lý học là xây dựng những mô hình khái quát phảnánh nhiều mặt của thế giới khách quan.

PPMH trong nhiều trờng hợp đã làm xuất hiện những lý thuyết mới Chẳnghạn mô hình sóng Đơbrơi đã dẫn đến cơ học lợng tử.

PPMH có thể giúp ta phát hiện ra những sự kiện mới cha biết Đặc biệt, môhình toán học nhiều khi có tác dụng tiên đoán rất lớn Chẳng hạn dựa vào phơngtrình năng lợng của electron : E2=p2c2+m0 c2, Đirắc đã tiên đoán đợc: ngoàielectron có năng lợng dơng, còn tồn tại một hạt khác có năng lợng âm: E =-

p  Điều này về sau đợc thực nghiệm xác nhận là đúng Hạt có năng ợng âm đó chính là positron.

Cơ học lợng tử không chỉ nói đến ánh sáng mà còn chứng minh bằng lýthuyết rằng các hạt vi mô đều có tính chất sóng Điều tiên đoán này đã đợc thựcnghiệm xác nhận.

b) Những nhợc điểm:

Các nhà khoa học đều công nhận tác dụng lớn lao của phơng pháp mô hình,nhng đồng thời cũng nhấn mạnh tính gần đúng, tính tạm thời của nó Các môhình tuy phản ánh thế giới khách quan nhng không thể thay thế hoàn toàn hiệnthực khách quan đợc Thậm chí nhiều mô hình chỉ có giá trị nh một công cụ, ph-ơng tiện Ví dụ Macxoen dùng mô hình “ête vũ trụ” để xây dựng các phơng trìnhMacxoen về từ trờng, nhng ngay trong các phơng trình đó cũng không có dấuhiệu nào đặc trng cho ête vũ trụ Trong thuyết của Macxoen không nói gì đến vaitrò của ête vũ trụ trong các hiện tợng điện từ Vì vậy, chính Macxoen cũng coiête vũ trụ nh một bộ “giàn giáo” để xây dựng một toà nhà, và khi toà nhà đã xâydựng xong thì bộ “giàn giáo” cũng bị giỡ bỏ đi.

Mặt khác, mặc dù mỗi mô hình chỉ phản ánh đợc một mặt nào đó của thế giớikhách quan, nhng khi sử dụng một mô hình ngời ta thờng gán cho nó một tầmkhái quát rộng hơn Và, có khi vì quá tin vào một mô hình đã đợc xác lập mà ng-ời ta đi đến sự bảo thủ, không thừa nhận những sự kiện thực tế trái với mô hìnhđó Ví dụ nh vì quá tin vào mô hình cơ học của thế giới (theo Niutơn) nên cácnhà khoa học phải trải qua một thời kỳ dài dằn vặt và đấu tranh mới xác lập đợc

những quan điểm lợng tử và tơng đối tính là những mô hình mới phản ánh sâusắc, đầy đủ hơn thế giới vật chất.

1.3 Phơng pháp mô hình trong dạy học vật lý1.3.1.Vai trò của mô hình trong dạy học vật lý

ở nhà trờng phổ thông, chúng ta có thể sử dụng PPMH nh một phơng phápđộc lập trong dạy học một số kiến thức vật lý Việc giảng dạy vật lý không chỉgiới hạn trong việc truyền thụ cho học sinh những tri thức của bộ môn này, màđiều quan trọng hơn là qua đó hình thành ở họ năng lực nhận thức sáng tạo đốivới thế giới tự nhiên, năng lực phản ánh thế giới hiện thực [13] Theo Jacques

Desautels: “Ngời thầy dạy khoa học không chỉ truyền cho học sinh một số vốn

liếng lý thuyết mà còn hợp thức hoá và giá trị hoá ngay chính hoạt động khoahọc”[29] Do đó cần phải tạo điều kiện để cho hoạt động học tập càng giống

càng tốt đối với tiến trình xây dựng tri thức của các nhà khoa học vật lý Làm ợc nh vậy, học sinh sẽ vừa tiếp nhận đợc tri thức, vừa tiếp nhận con đờng và nhậpcuộc vào con đờng xây dựng tri thức vật lý Họ sẽ không mơ hồ trong việc phảivợt qua những trở lực khoa học để hiểu đúng đắn bản chất và vai trò của các lýthuyết khoa học và biết kiến tạo lý thuyết đó, nhằm hiểu đợc thế giới xungquanh Xuất phát từ những quan niệm trên đây, các nhà khoa học cho rằng cầnvận dụng PPMH đã và đang đợc dùng trong các lý thuyết bộ môn vật lý vào việcgiảng dạy bộ môn này trong nhà trờng[13]

Trong nghiên cứu khoa học vật lý, mô hình và PPMH có chức năng nhậnthức, nó giúp ta phát hiện ra những đặc tính mới, hiện tợng mới, quy luật mới.Nếu xem xét quá trình học tập của học sinh là một quá trình hoạt động nhận thứcthì mô hình cũng có chức năng nh trong nghiên cứu khoa học vật lý Ngoài ratrong dạy học, nhiều khi học sinh không đủ khả năng xây dựng mô hình để thaythế vật gốc trong nghiên cứu nhng giáo viên có thể sử dụng mô hình với mụcđích s phạm nh một phơng tiện trực quan nhằm làm cho học sinh hiểu rõ một vấnđề nào đó.

Ví dụ nh trong nghiên cứu khoa học, những mô hình vật chất có vai trò rấthạn chế vì nó ít mang lại những thông tin mới khi thao tác trên mô hình Nhngtrong dạy học, nhiều mô hình lại có tác dụng quan trọng làm cho học sinh hiểuđợc những cái không quan sát trực tiếp đợc, ví dụ nh mô hình cấu tạo bên trongcủa động cơ nổ, mô hình chuyển động Braonơ Dù ta có cho học sinh trực tiếpquan sát một động cơ nổ còn nguyên vẹn thì họ cũng không thể thấy đợc cấu tạo

bên trong của nó và hoạt động của các van và bugi trong khi động cơ vận hành.Bởi thế trong dạy học, ta dùng mô hình động cơ đốt trong bổ dọc Còn vớichuyển động Braonơ, vừa không quan sát đợc các phân tử nớc chuyển động vachạm vào các hạt phấn hoa, vừa khó hình dung tại sao hạt phấn hoa lại chuyểnđộng hỗn loạn Mô hình chuyển động Braonơ dùng các viên bi sắt nhỏ đợc mộtcơ chế làm cho bắn lung tung hỗn loạn trong một hộp thuỷ tinh, còn hạt phấnhoa là một vật tròn lớn Quan sát vật tròn bị các viên bi nhỏ đập vào hỗn loạntheo mọi phía, học sinh dễ dàng hiểu cơ chế chuyển động Braonơ, do đó hìnhdung đợc cấu tạo phân tử của nớc Nh vậy mô hình vật chất cũng có vai trò quantrọng trong dạy học, đặc biệt là các mô hình vật thể động, mô hình vẽ nhiều giaiđoạn liên tiếp hay mô hình trên phim ảnh (đợc sử dụng ngày càng rộng rãi) Còn đối với các mô hình lý tởng, tuy rất có tác dụng trong hoạt động nhậnthức nhng nhiều khi đòi hỏi ở học sinh một trình độ t duy trừu tợng cao, một cơsở thực nghiệm phong phú và kinh nghiệm bản thân dồi dào mới có thể xây dựngđợc mô hình V.G.Razumôpxki khi bàn về phơng pháp mô hình trong dạy họccũng nhận định rằng: “ở giai đoạn xây dựng mô hình, vì việc tìm ra những đối t -ợng trừu tợng thích hợp có thể thay thế cho sự vật, quá trình, hiện tợng nghiêncứu là rất khó, nên thông thờng thì học sinh không thể tự làm đợc việc đó, tính tựlực của họ trong giai đoạn này bị hạn chế”.

Bởi vậy, trong dạy học ở trờng phổ thông, trong khuôn khổ bài học không chophép chúng ta tổ chức quá trình học tập sao cho học sinh hoàn toàn tự lực“khám phá lại” các định luật vật lý, xây dựng các mô hình, nhng cũng hoàn toànđủ để cho họ đợc “trải qua” những giai đoạn của sự phát minh khoa học, hiểu đ-ợc ý nghĩa của các sự kiện xuất phát, vai trò của mô hình, tầm quan trọng của sựkiểm tra bằng thực nghiệm những hệ quả lý thuyết Nói cách khác, trong dạy họcvật lý ở trờng phổ thông, ta ít có điều kiện áp dụng đầy đủ các giai đoạn củaPPMH để giải quyết một vấn đề nhận thức Tuỳ theo hoàn cảnh cụ thể về trìnhđộ học sịnh, nội dung vấn đề, phơng tiện thí nghiệm mà định ra mức độ tham giacủa học sinh một cách hợp lý vào các giai đoạn của PPMH.

1.3.2 Tổ chức dạy học theo phơng pháp mô hình

Nghiên cứu đặc điểm của hoạt động sáng tạo, chúng tôi thấy cần phải chuẩn

bị cho học sinh những điều kiện sau đây khi dạy học theo PPMH:

- Về mặt tâm lý: gây hứng thú, nhu cầu nhận thức, sẵn sàng đem hết sức mìnhvào giải quyết nhiệm vụ nhận thức Trong lý luận dạy học ta nói là đa học sinh

vào tình huống có vấn đề Vấn đề này đợc đề cập đến nhiều trong những côngtrình về dạy học nêu vấn đề.

- Về mặt vốn hiểu biết: xây dựng mô hình thực tế là dùng một hệ thống đã biếtđể mô tả những đặc tính của đối tợng gốc Nh vậy muốn xây dựng đợc mô hìnhhọc sinh không thể không có một vốn hiểu biết cần thiết về những vấn đề có liênquan Chính giáo viên là ngời đã biết trớc muốn xây dựng mô hình cần phải cónhững “vật liệu” nào, do đó có thể có biện pháp hợp lý để chuẩn bị trớc cho họcsinh đến mức cần thiết nhng tuyệt đối không phải là chuẩn bị một mô hình đã cósẵn hoàn chỉnh.

Tập dợt cho học sinh vợt qua những khó khăn trong khi áp dụng PPMH làmột điều cần đặc biệt quan tâm ở đây, chúng ta có thể vận dụng lý thuyết về“vùng phát triển gần” của Lép Vgôtxki (1896-1934) Ông cho rằng, chỗ tốt nhấtcủa sự phát triển của trẻ em là vùng phát triển gần Vùng đó là khoảng cách giữatrình độ hiện tại của học sinh và trình độ phát triển cao hơn cần vơn tới Nói mộtcách hình ảnh là chỗ trống giữa nơi mà con ngời cần giải quyết vấn đề đangđứng và nơi mà họ phải đạt đến và có thể thực hiện đợc với sự cố gắng nỗ lựccủa bản thân dới sự giúp đỡ của ngời lớn hay của những ngời ngang hàng nhngcó khả năng hơn một chút Không có con đờng lôgic để vợt qua chỗ trống đó,nhng hoàn toàn có khả năng thu hẹp chỗ trống đó đến mức thích hợp để mỗi ng-ời có thể thực hiện một bớc nhảy vợt qua đợc Tuy nhiên cũng phải dũng cảm tựlực thực hiện một số lần (có thể thất bại), sau đó mới có kinh nghiệm thực hiệnđợc mau lẹ, vững chắc hơn, thực hiện những bớc nhảy xa hơn.

1.3.3.Các mức độ sử dụng phơng pháp mô hình

Nh đã phân tích ở trên, phơng pháp mô hình đợc sử dụng rộng rãi trong nghiên

cứu vật lý, nhng đồng thời cũng còn rất nhiều khó khăn đòi hỏi ở học sinh mộttrình độ t duy phát triển, một vốn hiểu biết rộng rãi V.G.Razumopxki nhận xétrằng “Trong khuôn khổ bài học, không cho phép tổ chức quá trình học tập saocho học sinh hoàn toàn tự lực “khám phá lại” các định luật vật lý, xây dựng cácmô hình, nhng cũng hoàn toàn đủ để cho họ đợc “trải qua” những giai đoạn củanhững phát hiện khoa học, hiểu đợc ý nghĩa của những sự kiên xuất phát, vai tròcủa các mô hình, tầm quan trọng của việc kiểm tra bằng thực nghiệm những hệquả lý thuyết” Lời nhận định đó cho đến nay vẫn còn nguyên giá trị Vấn đề là ởchỗ vận dụng những lý thuyết mới về sự phát triển tâm lý học sinh và những kỹ

thuật dạy học mới, chúng ta có thể nâng cao dần mức độ học sinh tham gia vàocác quá trình trên.

Khi đa vào dạy học ở trờng phổ thông, ta thờng không áp dụng đầy đủ cáckhâu của phơng pháp mô hình để giải quyết trọn vẹn một vấn đề Trong trờnghợp này, ta chỉ quan tâm đến việc xây dựng mô hình của một hiện tợng và dừnglại ở việc sử dụng mô hình để giải thích hiện tợng đó Trong trờng hợp khác, talại chú ý đến việc giải thích một hiện tợng mới dựa vào một mô hình đã có sẵnmà học sinh không có khả năng xây dựng đợc Sở dĩ ta phải làm nh vậy là vì: a) Có sự khác nhau cơ bản giữa mục đích nghiên cứu của nhà vật lý và mụcđích dạy học của ngời giáo viên Mục đích nghiên cứu của nhà vật lý là phải tìmcho đợc cái mới, còn mục đích dạy học là bớc đầu tập luyện cho học sinh cáchsuy nghĩ sáng tạo, rèn luyện kỹ năng, giáo dục thái độ v.v Cho nên có thể làmtừng bớc, từng phần tùy theo hoàn cảnh cụ thể.

b) Do sự khống chế của thời gian, điều kiện trang bị vật chất của nhà trờng,trình độ khoa học của giáo viên và học sinh.

Bởi vậy chúng tôi nêu ra những hình thức khác nhau sử dụng phơng pháp môhình trong dạy học vật lý phổ thông theo mức độ yêu cầu cần đạt đối với họcsinh từ thấp đến cao.

Mức độ 1: Giáo viên trình bầy các sự kiện thực tế mà học sinh không thể

giải thích đợc bằng kiến thức cũ của họ, sau đó đa ra mô hình mà các nhà khoahọc đã xây dựng và vận dụng mô hình để giải thích các sự kiện trên Học sinh cóphần thụ động tiếp thu, chỉ yêu cầu họ biết phân biệt mô hình với thực tế và làmquen với cách sử dụng mô hình để giải thích thực tế Ví dụ nh ở lớp 9 khi học vềđiện, sau khi nêu một số hiện tợng gọi là nhiễm điện, giáo viên giới thiệu một sốđiểm sơ bộ về mô hình cấu tạo nguyên tử và sử dụng mô hình đó để giải thíchhiện tợng nhiễm điện và dẫn điện.

Mức độ 2: Học sinh sử dụng mô hình mà giáo viên đã đa ra để giải thích một

số hiện tợng đơn giản tơng tự với hiện tợng đã biết Thí dụ : sau khi đã biết môhình hai loại điện tích dơng và âm, sự tơng tác giữa chúng, giáo viên có thể hớngdẫn học sinh vận dụng để giải thích vì sao hai lá của điện nghiệm lại xòe ra khitích điện cho điện nghiệm hoặc hiện tợng nhiễm điện do hởng ứng, bản chất củadòng điện

Mức độ 3: Học sinh sử dụng mô hình mà giáo viên đã đa ra để dự đoán hiện

tợng mới và đề xuất phơng án thí nghiệm kiểm tra.Thí dụ học sinh có thể sửdụng mô hình cấu tạo chất, có thể tiên đoán nguyên nhân gây ra áp suất của chấtkhí và làm đợc thí nghiệm để kiểm tra Hoặc, khi vận dụng mô hình về áp lực lên

một mặt ở trong lòng chất lỏng, học sinh có thể tính đợc lực đẩy của chất lỏngtác dụng lên một hình hộp chữ nhật nằm trong đó và tổ chức thí nghiệm để kiểmtra lực đó.

Mức độ 4: Học sinh dới sự hớng dẫn của giáo viên tham gia vào cả bốn giai

đoạn của phơng pháp mô hình, do đó nắm vững tính năng của mô hình và sửdụng đợc mô hình để giải quyết nhiệm vụ nhận thức

Ví dụ, học sinh có thể tham gia xây dựng mô hình cấu tạo phân tử của chất vàvận dụng nó để giải thích một số hiện tợng về chất khí, chất lỏng và chất rắn.Đầu tiên giáo viên cho học sinh quan sát một số hiện tợng thực tế không thể giảithích đợc bằng tính chất cấu tạo liên tục của các chất, gợi cho học sinh ý tởng vềcấu tạo gián đoạn của chúng, chẳng hạn nh hiện tợng khuyếch tán của chất khí,chất lỏng, chất rắn Đặc biệt là chuyển động Braonơ chỉ có thể giải thích đợc nếuta thừa nhận chất lỏng đợc cấu tạo bởi một số lớn các phân tử nhỏ bé, luônchuyển động hỗn loạn đến va chạm vào hạt phấn hoa từ mọi phía Những sự kiệnđó dẫn đến ý tởng xây dựng một mô hình để phản ánh hai đặc tính của các chất:các chất có cấu tạo từ những hạt vô cùng nhỏ bé chuyển động hỗn loạn khôngngừng Giáo viên thông báo thêm là các nhà bác học giả định thêm rằng: các hạtnhỏ bé gọi là phân tử đó chuyển động và tơng tác với nhau theo các định luật củacơ học Niutơn Tiếp tục quan sát chuyển động Braonơ, học sinh thấy rằng cáchạt Braonơ chuyển động nhanh hơn khi ta tăng nhiệt độ; hiện tợng khuyếch táncũng xảy ra nhanh hơn khi ta tăng nhiệt độ Học sinh có thể phát hiện ra một đặctính mới của các chất và thể hiện trên mô hình: vận tốc chuyển động của cácphân tử tăng lên khi nhiệt độ tăng Một hiện tợng khác chỉ có thể giải thích đợcnếu ta thừa nhận giữa các phân tử có lực tơng tác: nếu ta nén một chất để thu nhỏthể tích lại thì gặp phải một lực đẩy chống lại lực nén Ngợc lại nếu ta kéo dãnmột vật thì gặp phải một lực kéo lại Tổng hợp tất cả các sự kiện trên đây dẫnđến mô hình cấu tạo phân tử của chất Mô hình này mới chỉ phản ánh đợc bốntính chất (cấu tạo gián đoạn, chuyển động hỗn loạn không ngừng, có khoảngcách và lực tơng tác, vận tốc tăng theo nhiệt độ) Rõ ràng còn nhiều tính chấtkhác của chất cha đợc phản ánh trong mô hình trên.

Sau khi xây dựng xong mô hình (đợc phát biểu dới dạng “thuyết động họcphân tử”), giáo viên hớng dẫn học sinh vận dụng mô hình để giải thích hoặc dựđoán một số hiện tợng mới Điều đó có tác dụng khẳng định thêm giá trị nhậnthức, phát hiện cái mới của PPMH Ví dụ nh: chất khí và chất lỏng gây áp suấtlên mọi phía của thành bình, sự giãn nở của các chất theo nhiệt độ, các định luật

về khí lý tởng Trong nhiều trờng hợp, có thể tổ chức cho học sinh quan sát thínghiệm kiểm tra những dự đoán trên.

Mức độ 5: Học sinh tự lực xây dựng lấy mô hình để giải quyết nhiệm vụ

nhận thức của mình Thí dụ nh học sinh tự lực xây dựng mô hình đồ thị để xácđịnh công của lực đàn hồi, nhờ thế mà lập đợc công thức tính thế năng trong tr-ờng hợp lực đàn hồi trong khi cha biết phép tính vi phân, tích phân.

1.3.4 Cấu trúc tài liệu giáo khoa theo phơng pháp mô hình

Việc học sinh thông hiểu, áp dụng sáng tạo các kiến thức vào tình huống mới,

phụ thuộc trớc hết là nội dung của chính môn học Cấu trúc tài liệu giáo khoa vàphơng pháp trình bày tài liệu đó cũng có một ý nghĩa to lớn Vấn đề lựa chọn nộidung tài liệu giáo khoa , cấu trúc của tài liệu đó và phơng pháp trình bầy phải tùytheo mục đích dạy học Nếu chúng ta chỉ đơn thuần cho học sinh làm quen vớinhững nguyên lý mới, những định luật mới thì ta chỉ thông báo cho học sinhnhững kết luận lý thuyết có sẵn mà các em sẽ phải sử dụng Còn nếu chúng tađặt vấn đề không những thông báo mà cả giúp học sinh bồi dỡng phẩm chất đặctrng của năng lực sáng tạo là thông hiểu kiến thức và áp dụng kiến thức vào tìnhhuống mới, tức là phát triển trí tuệ của học sinh trong quá trình dạy học thìkhông phải bắt đầu việc trình bày tài liệu giáo khoa từ những lý thuyết có sẵn màkhông giải thích rằng chúng đợc rút ra từ những sự kiện ban đầu nào và tính chấtđúng đắn của lý thuyết đợc khẳng định bằng những thực nghiệm nào.

Chẳng hạn nh, khi dạy bài “Dòng điện trong kim loại”, giáo viên thờng bắt đầutừ việc giải thích cơ cấu bên trong của các dây dẫn bằng kim loại Các kim loại ởthể rắn có cấu trúc tinh thể, chúng có thể đợc coi nh là một mạng không gian ionchứa đầy các electron không liên kết với các hạt nhân nhất định Tiếp theo đótoàn bộ sách giáo khoa đợc xây dựng một cách suy diễn trên cơ sở của mô hìnhđó.Cách trình bầy nh vậy dẫn đến tri thức của học sinh bị thiếu sót nhiều Mộttrong những thiếu sót chủ yếu là học sinh tiếp nhận mô hình cấu trúc kim loạinh một cấu trúc trừu tợng nào đó đối với đối tợng thực mà nh chính bản thân đốitợng đợc một ngời nào đó nhìn thấy và miêu tả lại Điều đó lại dẫn tới chỗ họcsinh tuyệt đối hóa hình thức mà không biết đến cơ sở thực nghiệm của mô hìnhđó Kết quả là các em không đợc tự do nắm tài liệu và không thể giải thích đợcmối mâu thuẫn với quan niệm đã miêu tả về cấu trúc của kim loại.

Chúng tôi cho rằng việc trình bầy của sách giáo khoa theo phơng pháp mô

hình: “Những sự kiện khởi đầu mô hình giả thiết những hệ quả đợc rút ra

một cách lôgickiểm tra bằng thực nghiệm các kết quả” sẽ có tác dụng tốt trong

việc phát huy năng lực t duy sáng tạo của học sinh.

Trớc hết học sinh phải biết đợc những sự kiện ban đầu nào đợc dùng làm cơ sởđể xây dựng nên mô hình vật lý này hay khác Từ những sự kiện ban đầu đóbằng cách trực giác ngời ta chuyển sang xây dựng mô hình với t cách ban đầu làmột giả thuyết Từ mô hình này bằng cách suy diễn ngời ta rút ra đợc những hệquả, những hệ quả này đợc kiểm tra bằng thực nghiệm Giả thuyết biến thành lýthuyết khi ngời ta thu đợc những chứng minh bằng thực nghiệm tính đúng đắncủa những hệ quả đợc rút ra từ những giả thuyết đó Những sự kiên thực nghiệmnào mâu thuẫn với lý thuyết sẽ đợc dùng làm nền tảng để xây dựng một mô hìnhvật lý trừu tợng mới.

1.3.5 Thực trạng sử dụng phơng pháp mô hình trong dạy học vật lý1.3.5.1 Nhận thức của giáo viên về mô hình và phơng pháp mô hình

Chúng tôi đã tìm hiểu thực sử dụng PPMH trong dạy học vật lý ở trờng phổthông bằng phiếu tìm hiểu (phụ lục1).

Kết quả thống kê các phiếu điều tra này nh sau:

1) Tổng số giáo viên đợc hỏi ý kiến là 43 ngời, trong đó:

Thâm niên dạy học hơn 10 năm: chiếm 60 % tổng số giáo viên đợc hỏi ýkiến.

Thâm niên dạy học ít hơn 10 năm: chiếm 40 % tổng số giáo viên đợc hỏi ýkiến.

Số giáo viên nữ đợc hỏi: chiếm 63 % tổng số giáo viên đợc hỏi ý kiến 2) Quan niệm mô hình theo nghĩa hẹp (chỉ là mô hình vật chất): 20/43 (chiếm47%).

3) Quan niệm mô hình theo nghĩa đầy đủ (vừa là mô hình vật chất, vừa là môhình t duy: 23/43 (chiếm 53%).

4) Quan niệm mô hình chỉ là phơng tiện nhận thức: 22/43 (chiếm 51%).

5) Quan niệm mô hình chỉ là nội dung nhận thức: 7/43 (chiếm 16%).

6) Quan niệm mô hình vừa là phơng tiện, vừa là nội dung nhận thức: 14/43(chiếm 33%).

7) Các mô hình thờng đợc giáo viên sử dụng trong dạy học: Mô hình chuyểnđộng Braonơ, mô hình đờng cảm ứng từ của nam châm thẳng, mô hình máy phátđiện xoay chiều 3 pha, mẫu nguyên tử Rơzơfo, mô hình đờng sức, mô hình đờngcảm ứng từ và mô hình thuyết động học phân tử về cấu tạo chất.

Từ các kết quả điều tra nh trên, chúng ta có thể thấy rằng:

- Có gần tới một nửa trong tổng số giáo viên đợc hỏi cho rằng mô hình là mộtsự vật hiện tợng cụ thể nhằm minh hoạ cho ta hiểu rõ hơn một hiện tợng khácnào đó

- Họ cho rằng mô hình là phơng tiện dạy học, phơng tiện nhận thức mà khôngthấy đợc rằng mô hình vừa là nội dung nhận thức, vừa là phơng tiện nhận thức - Chỉ có 25% hiểu đợc đầy đủ vai trò của mô hình trong dạy học vật lý vàtrong nghiên cứu vật lý.

1.3.5.2 Thực tế sử dụng phơng pháp mô hình trong dạy học vật lý Qua phiếu tìm hiểu nh ở phụ lục 1, chúng ta thấy đợc rằng:

- Chỉ một số ít giáo viên giảng dạy PPMH một cách tờng minh.

- Các mô hình đợc họ sử dụng chủ yếu vẫn là mô hình vật chất (mô hìnhchuyển động Braonơ, mô hình máy phát điện xoay chiều ba pha) Một số môhình hình lý thuyết cũng đã đợc sử dụng nhng còn rất hạn chế.

Kết luận chơng 1

Trên đây, chúng tôi đã trình bày những cơ sở lý luận của việc dạy học theo

phơng pháp mô hình Từ những vấn đề đó, có thể rút ra một số kết luận sau đây: - Bồi dỡng cho học sinh phơng pháp nhận thức bộ môn là nhiệm vụ dạy học ởtrờng phổ thông PPMH là phơng pháp đặc thù của nhận thức vật lý, cần thiếtphải đa vào nội dung của dạy học vật lý Dạy học theo PPMH sẽ nâng cao đợcchất lợng nắm vững kiến thức, tạo cơ sở ban đầu cho việc phát triển năng lựcsáng tạo của học sinh.

- Phân tích vai trò của PPMH trong sự phát triển của vật lý học và trong dạyhọc vật lý.

- Phân tích cấu trúc của PPMH, bao gồm các hành động và thao tác t duy,thao tác thực hành Đa ra đợc sơ đồ cấu trúc của PPMH phù hợp với năng lựcnhận thức của học sinh THPT, xem đó là nội dung của PPMH cần dạy học trongtrờng phổ thông.

- Chúng tôi đã đa ra 5 mức độ sử dụng PPMH trong dạy học vật lý phổ thông,có thể áp dụng linh hoạt theo trình độ của học sinh.

- Chứng tỏ rằng đồ thị vật lý có thể coi nh một mô hình lý thuyết đợc sử dụngrộng rãi trong vật lý học, cần đợc nghiên cứu và sử dụng rộng rãi với t cách làmột mô hình.

Chơng 2

Tổ chức dạy học chơng “Thuyết động học

phân tử và chất khí lý tởng” vật lý lớp 10 Trung họcphổ thông theo phơng pháp mô hình

2.1 Quan điểm về phơng pháp nhận thức trong xây dựng chơng trình vật lýphổ thông

Phơng pháp, từ gốc tiếng Hy Lạp “methodos” có thể hiểu theo nghĩa chung làtập hợp những thủ pháp, những cách thức, những con đờng bao gồm các thao tácthực hành hay lý thuyết để đạt đến mục đích nào đó.[19]

Tuỳ thuộc vào mục đích của hành động mà phơng pháp có những nghĩa hẹpkhác nhau.

Nếu mục đích của hành động là tìm ra những chân lý khách quan thì tập hợpcác cách thức, con đờng, phơng tiện và các bớc mà trí tuệ phải đi theo để đạt đếnmục đích đó gọi là phơng pháp nhận thức khoa học.

2.1.1 Quan điểm mô hình hoá trong nhận thức khoa học[26]

Cùng với sự phát triển chung của khoa học, vật lý lợng tử và cơ học tơng đốitính dẫn đến sự phải xem xét lại các nguyên tắc khoa học luận Trớc đây các nhàkhoa học duy thực đã xem hoạt động khoa học nh là công việc khám các địnhluật của tự nhiên, cũng giống nh hoạt động của các nhà thám hiểm tự nhiên pháthiện đợc các miền đất lạ cha ai biết Các nhà thực chứng luận thì cũng vậy, nhngchỉ giới hạn hoạt động này trong phạm vi xem xét các sự kiện quan sát đợc màthôi Họ chỉ tin tởng ở những gì có thể quan sát và đo lờng trực tiếp Ngày nayvới vật lý lợng tử, khi mà các định luật của cơ học cổ điển không còn có thể ápdụng đợc nữa cho các hạt vi mô thì cái phơng cách nhìn thực tại theo các quanđiểm duy thực và thực chứng đã bị đảo lộn Các quan điểm này hạn chế khả năngcủa con ngời tiếp tục đi sâu vào nhận thức thế giới Một đờng lối tiếp cận cái mới

đợc gợi lên từ câu nói sau đây của Albert Einstein: “Trong nỗ lực để thấu hiểu

vũ trụ của chúng ta, chúng ta phần nào giống nh một ngời cố gắng chiêm ngỡngcái cơ cấu của một chiếc đồng hồ đợc che kín Anh ta chỉ nhìn mặt đồng hồ, xemcác kim chuyển động, nghe tiếng tích tắc, nhng không có cách nào mở cái hộpđựng máy ra Nếu anh ta là một kỹ s, anh ta có thể hình dung một hình ảnh nàođó của cái chi phối tất cả cái mà anh ta quan sát, nhng anh ta không bao giờ tinchắc rằng cái hình ảnh ấy là duy nhất có thể giải thích đợc các quan sát củamình Anh ta sẽ không bao giờ có điều kiện đối chiếu cái hình ảnh đó với cái cơcấu thực và thậm chí anh ta cũng không thể hình dung đợc cái khả năng hay cáiý nghĩa của một sự đối chiếu nh thế”.

Phê phán các quan điểm của chủ nghĩa quy nạp, khoa học luận hiện đạikhẳng định rằng: quan sát không phải là sự ghi chụp các sự kiện một cách bàngquang, hững hờ, thụ động Cũng nh mọi hành động của con ngời, quan sát là cóđộng cơ và đợc hoạch định bởi những cái mà ngời quan sát mong đợi: những cáikhẳng định, những cái bác bỏ, những cái làm mất cân bằng Sự quan sát lệ thuộcvào khuôn khổ lý thuyết hớng dẫn và ngời quan sát, cho phép ngời quan sát tổchức sự quan sát và thí nghiệm Và ngợc lại, lý thuyết khoa học đợc coi nhnhững phỏng đoán hoặc giả định, cần đợc kiểm tra tính có thể chấp nhận đợc,bằng cách đối chiếu với quan sát và thí nghiệm Khoa học đợc coi nh một tậphợp các giả thuyết nhằm mô tả hoặc giải thích sự hoạt động của những bộ phậnnhất định của thế giới Trong khoa học hiện đại, lý thuyết khoa học là những cáiđợc phát minh, đợc xây dựng, là những sản phẩm của hoạt động của con ngời.Kiến thức chỉ tồn tại trong t duy, nó không phải là những cái đã có sẵn để đợcphát hiện, mà là cái đợc con ngời xây dựng Chẳng hạn toán học chỉ tồn tại trongt duy của các nhà toán học sản xuất ra nó hoặc trong t duy của tất cả những ai

hiểu toán và dùng toán Cũng nh vậy trong vật lý, mỗi kiến thức lý thuyết về thựctế khách quan là cái đợc con ngời xây dựng để biểu đạt thực tế đó Kiến thứckhoa học là một cái đợc xây dựng và là cái biểu trng của thực tại Các lý thuyếtkhoa học đợc xem nh những mô hình đợc con ngời xây dựng nên để biểu đạtthực tế đó.

Khái niệm “mô hình”, theo định nghĩa chung nhất của nó thì là một cái gì đó(một vật thể, một sự biểu đạt hình tợng, một phơng trình ) thay thế cho cáinguyên gốc, nó cho phép thay thế cái nguyên gốc này bởi sự trung gian giúp chodễ hiểu hơn, dễ đạt tới hơn đối với nhận thức Quan hệ giữa mô hình với thực tếcó thể hoặc là sự tơng tự về hình thức bề ngoài hoặc là sự tơng tự của cái cấu trúcbị che khuất, hoặc là sự tơng tự chức năng, hiệu quả.

Khi nói: các lý thuyết khoa học đợc xem nh những mô hình đợc con ngời xâydựng nên để biểu đạt thực tế khách quan thì khái niệm mô hình ở đây đợc dùng

với nghĩa “mô hình biểu trng trừu tợng: đó là một hệ gắn bó, cấu trúc bởi các

khái niệm, các khái niệm này liên hệ với nhau bởi một tập hợp các quy tắc tổchức gọi là quy tắc cú pháp”.

Mô hình đợc con ngời (nhà khoa học) xây dựng nên, sáng tạo ra Nhng điềuđó không có nghĩa là nó có thể tuỳ tiện Những mô hình xây dựng nên phải đợchợp thức hoá, nghĩa là cần kiểm tra lại để xác nhận tính có thể chấp nhận đợccủa nó Quá trình hợp thức hoá dựa trên các hoạt động lý thuyết và thực nghiệmtrong mối quan hệ biện chứng với nhau: kết quả của sự vận hành mô hình (cácthao tác t duy: tuân theo mối liên hệ cú pháp, liên hệ lôgic) đợc đối chiếu với kếtquả của thí nghiệm (thao tác thể chất, vật thể: tuân theo mối liên hệ thực tiễn).Mô hình chỉ đợc coi là hợp thức (là có hiệu lực), nếu có sự phù hợp giữa các kếtquả đó (trong quá trình hợp thức hoá mô hình, từ các thí nghiệm, trong nhữngđiều kiện nhất định, lại sẽ có thể nẩy sinh những cái dị thờng, cấu thành nhữngvấn đề mới cần giải quyết và sự giải quyết những vấn đề mới này kéo theo sự vợtlên tiếp theo về lý thuyết và thực nghiệm trong một quá trình biện chứng của sựphát triển khoa học.

2.1.2 Thực nghiệm vật lý và xây dựng tri thức vật lý trong dạy học theo quanđiểm khoa học luận hiện đại

Khoa học luận hiện đại đã dẫn đến một quan điểm mới mẻ về quá trình giảngdạy các khoa học Nếu nh chủ nghĩa quy nạp trong dạy học tìm cách tổ chức cácthí nghiệm để chứng tỏ sự hiển nhiên của các định luật thì lý luận dạy học hiện

đại đòi hỏi việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học vật lý phải quán triệt luậnđiểm cơ bản sau đây[14]:

Vật lý học cần đợc học tập với tính cách là một khoa học mô hình hoá.

Những khái niệm đợc nghiên cứu trong vật lý học có đợc ý nghĩa của chúng từtrong hoạt động mô hình hoá Quan sát và thực nghiệm đợc thực hiện trong quátrình xây dựng tri thức khoa học theo con đờng biện chứng: “Đề xuất vấn đề -suy đoán giải pháp - khảo sát lý thuyết và / hoặc thực nghiệm - kiểm tra vậndụng kết quả (xem xét tính có thể chấp nhận đợc của các kết quả tìm đợc) trêncơ sở vân dụng chúng để giải thích, tiên đoán các sự kiện và xem xét sự phù hợpgiữa lý thuyết và thực nghiệm” (chứ không phải là đơn thuần theo con đờng kinh

nghiệm cảm tính, quy nạp chủ nghĩa).

Quá trình xây dựng tri thức nh trên thể hiện mối liên hệ biện chứng giữa hànhđộng lý thuyết và hành động thực nghiệm, giữa suy diễn và quy nạp, giữa t duylôgic và t duy trực giác Xét trên bình diện khoa học, quan sát và thí nghiệm chỉcó nghĩa trong mối liên hệ với lý thuyết Chính lý thuyết đã cho phép tổ chứcquan sát và thí nghiệm Nhng chính nhờ quan sát và thí nghiệm mới có cơ sởđảm bảo tính hợp thức (tính có thể chấp nhận đợc) của lý thuyết và là cơ sở chosự phát triển của các thuyết khoa học mới, một khi các thuyết cũ không còn phùhợp với thực nghiệm.

Dạy học vật lý phải làm sao đáp ứng đợc những đòi hỏi của nói trên của khoahọc vật lý Quá trình dạy học phải làm sao cho học sinh hiểu đúng đắn vật lý

học, phân biệt cái mô hình và cái thực tế: các tri thức về thực tế khách quan đợc

xem nh các mô hình hợp thức đợc xây dựng để biểu đạt thực tế đó: quá trìnhnhận thức khoa học thực tế khách quan là quá trình xây dựng mô hình của thựctế khách quan và hợp thức hoá mô hình đó (kiểm tra tính có thể chấp nhận đợccủa mô hình, nhờ đảm bảo mối liên hệ biện chứng giữa hành động lý thuyết vàhành động thực nghiệm, giữa suy diễn và quy nạp) Thực nghiệm vật lý trong

dạy học nếu đợc sử dụng trong tiến trình xây dựng tri thức đáp ứng những đòihỏi vừa nêu thì sẽ thoát khỏi sơ đồ quy nạp chủ nghĩa cổ truyền Nó không cònchỉ là đóng vai trò chứng tỏ sự hiển nhiên của định luật Thực nghiệm vật lýtrong mối liên hệ biện chứng với lý thuyết, có vai trò quan trọng trong tiến trìnhxây dựng tri thức khoa học Tiến trình đó gồm các pha sau:

a) Đề xuất vấn đề: Từ cái đã biết và nhiệm vụ cần giải quyết nảy sinh nhu

cầu về một cái còn cha biết, về một cách giải quyết không có sẵn, nhng hy vọngcó thể tìm tòi xây dựng đợc.

b) Suy đoán giải pháp: Để giải quyết vấn đề đặt ra, suy đoán điểm xuất phát

cho phép đi tìm lời giải: chọn hoặc đề xuất mô hình có thể vận hành đợc để đitới cái cần tìm; hoặc phỏng đoán các biến cố thực nghiệm có thể xảy ra mà nhờđó có thể khảo sát thực nghiệm để xây dựng cái cần tìm.

c) Khảo sát lý thuyết và / hoặc thực nghiệm: Vận hành mô hình (giải bài

toán) rút ra kết luận lôgic về cái cần tìm và / hoặc thiết kế phơng án thựcnghiệm, tiến hành thực nghiệm, thu lợm các dữ liệu cần thiết và xem xét, rút rakết luận về cái cần tìm.

d) Kiểm tra vận dụng kết quả: Xem xét tính có thể chấp nhận đợc của các kết

quả tìm đợctrên cơ sở vận dụng chúng để giải thích, tiên đoán các sự kiện vàxem xét sự phù hợp của lý thuyết và thực nghiệm.

Xem xét sự cách biệt giữa kết luận có đợc nhờ suy luận lý thuyết (mô hình hệquả lôgic) với kết luận có đợc từ các dữ liệu thực nghiệm (mô hình xác nhận) đểquy nạp chấp nhận kết quả tìm đợc khi có sự phù hợp giữa lý thuyết và thựcnghiệm, hoặc để xét lại, bổ sung sửa đổi đối với thực nghiệm hoặc đối với sựxây dựng và vận hành mô hình xuất phát từ khi thấy cha có sự phù hợp giữa lýthuyết và thực nghiệm, nhằm tiếp tục tìm tòi, xây dựng cái cần tìm.

Sự đối chiếu các kết quả suy luận lý thuyết từ mô hình xuất phát và các kếtquả thu đợc từ giá trị đo đợc trong thí nghiệm là sự thử nghiệm cơ bản về sự hợpthức của mô hình Nếu không có sự phù hợp của các kết quả đó thì sẽ dẫn tớihoặc là phải xem lại điều kiện thí nghiệm, hoặc là phải xem lại sự xây dựng vàvận hành mô hình xuất phát, đặc biệt là phải xem nó có tơng thích với trờng thựcnghiệm quy chiếu hay không.

Nh vậy là thí nghiệm đợc thiết kế và tiến hành ở pha thứ ba và / hoặc thứ tứcủa tiến trình xây dựng tri thức nói trên Nhờ thí nghiệm thu đợc những dữ liệucho phép xây dựng mô hình xác nhận và đối chiếu với kết quả suy luận lý thuyết(mô hình hệ quả lôgic) Một sự không ăn khớp của suy luận lý thuyết và kết quảthí nghiệm sẽ dẫn đến những sự điều chỉnh, sửa đổi cần thiết hoặc đối với môhình, hoặc đối với thí nghiệm Quá trình cứ diễn ra nh vậy một cách biện chứngcho tới khi xây dựng đợc mô hình hợp thức.

Trong dạy học, nếu tri thức khoa học đợc xây dựng nh vậy sẽ hình thành ởhọc sinh một cách hiểu không cứng nhắc, luôn luôn kiểm tra, tìm tòi phát triểntri thức, xây dựng tri thức ngày một sâu sắc hơn, mô hình sau khái quát hơn môhình trớc.

Tóm lại, cần thiết phải nghiên cứu việc sử dụng thực nghiệm trong quá trìnhdạy học vật lý, sao cho phù hợp với khoa học luận hiện đại của vật lý: coi trọng

vai trò của thực nghiệm trong tiến trình xây dựng tri thức theo quan điểm môhình hoá, đảm bảo mối liên hệ biện chứng giữa hành động lý thuyết và hànhđộng thực nghiệm, giữa suy diễn và quy nạp trong quá trình xây dựng tri thứckhoa học.

2.1.3 Quan điểm về phơng pháp nhận thức trong xây dựng chơng trình vật lýphổ thông [19]

Theo các nhà s phạm, quan điểm về phơng pháp nhận thức trong xây dựngchơng trình vật lý phổ thông, đó là:

- Phơng pháp không thể tách rời nội dung, mà phải phù hợp với nội dung Đểtiếp nhận mỗi phần nội dung phải có những phơng pháp đặc thù Vì vậy, việcdạy phơng pháp nhận thức khoa học nào cho học sinh cần phải đợc lựa chọn kỹcàng sao cho phù hợp với nội dung khoa học của phần đó Ví dụ phơng phápthực nghiệm đợc sử dụng để xây dựng hầu hết các định luật cơ học thì dạy họcphần cơ học là điều kiện tốt để bồi dỡng phơng pháp thực nghiệm cho học sinh.Thuyết động học phân tử đợc xây dựng chủ yếu bằng phơng pháp mô hình thìdạy học nội dung này là điều kiện tốt để bồi dỡng cho học sinh PPMH.

- Trong nhận thức vật lý của học sinh phổ thông, có những phơng pháp nhậnthức đặc thù của vật lý học, đó là: Phơng pháp thực nghiệm, phơng pháp môhình.

Học sinh cần phải nắm đợc cấu trúc của phơng pháp thực nghiệm, vai trò củaphơng pháp thực nghiệm trong sự phát triển của vật lý học Khi học sinh nhậnthức kiến thức theo phơng pháp thực nghiệm, một loạt các thao tác t duy lôgic vàthực hành đợc luyện tập, khả năng phân tích, so sánh đối chiếu, tổng hợp, trừu t-ợng hoá, khái quát hoá, cụ thể hoá đợc bộc lộ; óc quan sát, trí xét đoán cũngnh ký năng kỹ xảo thực hành thí nghiệm đợc rèn luyện Về mặt giáo dục, họcsinh đợc học tập tác phong làm việc khoa học, ngăn nắp, có kế hoạch, tính trungthực và giáo dục lòng say mê khoa học, ham tìm hiểu.

Học sinh còn hiểu đợc các mô hình vật lý đợc tạo ra bằng cách nào, sử dụngchúng ra sao để giải thích các hiện tợng và quá trình vật lý, các thuyết đợc xâydựng trên mô hình nh thế nào?

Học sinh phải biết trong vật lý các kết luận khái quát đợc rút ra từ những luậnđề khoa học riêng lẻ nh thế nào và ngợc lại từ những định luật vật lý tổng quát,các hệ quả đợc suy ra nh thế nào?

Học sinh phải biết làm việc với sách giáo khoa, bảng tra cứu, sách tra cứu Cólòng yêu thích khoa học, hứng thú học tập vật lý, có ý thức vận dụng những hiểubiết về vật lý vào cuộc sống và lao động.