Xây dựng và sử dụng các thí nghiệm kĩ thuật số theo quan điểm dạy học vật lí 10 nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI MAI HOÀNG PHƯƠNG XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM KĨ THUẬT SỐ THEO QUAN ĐIỂM DẠY HỌC DỰA TRÊN NGHIÊN CỨU TRONG DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM VÀ CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN - VẬT LÍ 10 NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CỦA HỌC SINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC HÀ NỘI – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI MAI HOÀNG PHƯƠNG XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM KĨ THUẬT SỐ THEO QUAN ĐIỂM DẠY HỌC DỰA TRÊN NGHIÊN CỨU TRONG DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM VÀ CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN - VẬT LÍ 10 NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CỦA HỌC SINH Chuyên ngành: Lí luận phương pháp dạy học mơn Vật lí Mã số: LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM XUÂN QUẾ TS NGUYỄN MẠNH HÙNG HÀ NỘI – 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học riêng Các kết nghiên cứu luận án trung thực, khách quan chưa cơng bố cơng trình khoa học Hà Nội, ngày 20 tháng 01 năm 2021 Tác giả luận án Mai Hoàng Phương ii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành Luận án, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới: Ban Giám hiệu, Phịng Khoa học cơng nghệ, Phịng Sau đại học, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lí, q thầy tổ lí luận phương pháp dạy học mơn Vật lí Khoa Vật lí, Trường đại học Sư phạm Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập nghiên cứu Ban Giám hiệu, lãnh đạo Khoa Vật lí, tổ lí luận phương pháp dạy học mơn Vật lí trường đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi vật chất, tinh thần thời gian cho tơi q trình thực nghiên cứu Ban giám hiệu, quý thầy cô em học sinh trường: Trung học thực hành Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh, THPT Nguyễn Thái Bình, THPT Võ Văn Kiệt, THCS-THPT Hoa Sen, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình tìm hiểu thực tiễn dạy học triển khai thực nghiệm Bằng lịng tơn kính mình, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến Nhà giáo Nhân dân, PGS.TS Phạm Xuân Quế, TS Nguyễn Mạnh Hùng tận tâm hướng dẫn, động viên giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận án Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè ln động viên, giúp đỡ, khuyến khích tơi suốt trình thực luận án Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2021 Tác giả luận án Mai Hoàng Phương iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH ix DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ xi MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Giả thuyết khoa học Nhiệm vụ nghiên cứu .4 Phương pháp nghiên cứu Những đóng góp đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Các nghiên cứu quan điểm dạy học dựa nghiên cứu 1.2 Các nghiên cứu dạy học phát triển lực giải vấn đề .10 1.3 Các nghiên cứu xây dựng sử dụng thí nghiệm dạy học số kiến thức Động lực học chất điểm Các định luật bảo tồn – Vật lí 10 12 1.4 Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu 16 CHƯƠNG CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ DẠY HỌC DỰA TRÊN NGHIÊN CỨU TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CỦA HỌC SINH 17 2.1 Dạy học dựa nghiên cứu dạy học vật lí 17 2.1.1 Khái niệm dạy học dựa nghiên cứu 17 2.1.2 Bản chất dạy học dựa nghiên cứu 17 2.1.3 Đặc điểm dạy học dựa nghiên cứu 18 2.1.4 Cơ sở tâm lí học, lí luận thực tiễn dạy học dựa nghiên cứu 19 iv 2.1.4.1 Cơ sở tâm lí học dạy học dựa nghiên cứu 2.1.4.2 Cơ sở lí luận dạy học dựa nghiên cứu 2.1.4.3 Cơ sở thực tiễn dạy học dựa nghiên cứu 2.1.5 Phát triển lực giải vấn đề học sinh dạy học dựa nghiên cứu 2.1.5.1 Phát triển đánh giá phát triển lực giải vấn đề học sinh dạy học dựa nghiên cứu 2.1.5.2 Đề xuất biện pháp phát triển lực giải vấn đề học sinh dạy học dựa nghiên cứu 2.2 Quy trình tổ chức hoạt động dạy học dựa nghiên cứu nhằm phát triển lực giải vấn đề học sinh 2.3 Vị trí TNKNMT-TNTTTMH tiến trình dạy học dựa nghiên cứu 42 2.3.1 Khái niệm TNKNMT TNTTTMH 2.3.2 Vị trí TNKNMT TNTTTMH tiến trình DH dựa nghiên cứu KẾT LUẬN CHƯƠNG CHƯƠNG XÂY DỰNG VÀ HỒN THIỆN THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH VÀ THÍ NGHIỆM TƯƠNG TÁC TRÊN MÀN HÌNH TRONG DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ “ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM” VÀ “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN”– VẬT LÍ 10 THEO QUAN ĐIỂM DẠY HỌC DỰA TRÊN NGHIÊN CỨU NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CỦA HỌC SINH 3.1 Yêu cầu xây dựng thí nghiệm kĩ thuật số dạy học dựa nghiên cứu nhằm phát triển lực giải vấn đề mức cao học sinh 3.2 Khó khăn giải pháp xây dựng sử dụng thí nghiệm kĩ thuật số theo quan điểm dạy học dựa nghiên cứu 3.2.1 Khó khăn giải pháp xây dựng thí nghiệm vật lí theo quan điểm dạy học dựa nghiên cứu 3.2.2 Khó khăn giải pháp xây dựng thí nghiệm kĩ thuật số theo quan điểm dạy học dựa nghiên cứu v 3.3 Quy trình xây dựng thí nghiệm kĩ thuật số dạy học dựa nghiên cứu nhằm phát triển lực giải vấn đề mức cao học sinh 51 3.4 Xây dựng hồn thiện thí nghiệm kết nối máy tính thí nghiệm tương tác hình dạy học số kiến thức “Động lực học chất điểm” “Các định luật bảo tồn” – Vật lí 10 theo quan điểm dạy học dựa nghiên cứu 52 3.4.1 Sự cần thiết xây dựng hoàn thiện TNTTTMH Phys-ISE cảm biến lực – gia tốc kết nối máy tính khơng dây Phys-MBL 52 3.4.2 Xây dựng hoàn thiện TNTTTMH Phys-ISE hỗ trợ dạy học vật lí 56 3.4.2.1 Xây dựng hoàn thiện TNTTTMH Phys-ISE 56 3.4.2.2 Các TN tiến hành với TNTTTMH Phys-ISE 61 3.4.3 Xây dựng hoàn thiện cảm biến lực-gia tốc kết nối máy tính khơng dây Phys-MBL TNKNMT 70 3.4.3.1 Xây dựng hoàn thiện cảm biến lực-gia tốc kết nối máy tính khơng dây Phys-MBL TNKNMT 70 3.4.3.2 Các TN tiến hành với cảm biến lực – gia tốc kết nối máy tính khơng dây Phys-MBL TNKNMT 77 KẾT LUẬN CHƯƠNG 82 CHƯƠNG THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY HỌC DỰA TRÊN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ “ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM” VÀ “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN” CĨ SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM KĨ THUẬT SỐ ĐÃ HOÀN THIỆN NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CỦA HỌC SINH 83 4.1 Phân tích nội dung kiến thức “Động lực học “Các định luật bảo toàn” – Vật lí 10 THPT 83 4.1.1 Cấu trúc logic kiến thức “Động lực học” “Các định luật bảo tồn” – Vật lí 10 THPT 83 4.1.2 Mục tiêu phát triển lực giải vấn đề học sinh dạy học dựa nghiên cứu số kiến thức “Động lực học chất điểm” “Các định luật bảo toàn” – Vật lí 10 87 4.2 Thiết kế tiến trình dạy học dựa nghiên cứu số kiến thức “Động lực học chất điểm” “Các định luật bảo tồn” – Vật lí 10 có sử dụng thí nghiệm kĩ thuật số hoàn thiện nhằm phát triển lực giải vấn đề học sinh 94 vi 4.2.1 Thiết kế tiến trình dạy học dựa nghiên cứu định luật III Newton .94 4.2.1.1 Tiến trình xây dựng kiến thức định luật III Newton 94 4.2.1.2 Tổ chức hoạt động dạy học định luật III Newton 97 4.2.1.3 Rubric đánh giá lực giải vấn đề học sinh dạy học định luật III Newton 103 4.2.2 Thiết kế tiến trình dạy học dựa nghiên cứu ĐLBT động lượng 107 4.2.2.1 Tiến trình xây dựng kiến thức ĐLBT động lượng .107 4.2.2.2 Tổ chức hoạt động dạy học ĐLBT động lượng 111 4.2.2.3 Rubric đánh giá lực giải vấn đề học sinh dạy học ĐLBT động lượng 116 KẾT LUẬN CHƯƠNG 121 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 122 5.1 Mục đích nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm 122 5.1.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm 122 5.1.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm 122 5.2 Tiến hành thực nghiệm sư phạm .122 5.2.1 Chọn đối tượng, địa bàn thực nghiệm 122 5.2.2 Quy trình thực nghiệm .123 5.2.3 Nội dung thực nghiệm .124 5.2.4 Chọn phương pháp thu thập xử lí số liệu thực nghiệm 125 5.3 Đánh giá kết thực nghiệm sư phạm 126 5.3.1 Phân tích, đánh giá kết thực nghiệm sư phạm vòng 126 5.3.2 Phân tích, đánh giá kết thực nghiệm sư phạm vòng 128 5.3.2.1 Phân tích định tính 128 5.3.2.2 Phân tích định lượng 140 KẾT LUẬN CHƯƠNG 146 KẾT LUẬN CHUNG VÀ ĐỀ XUẤT 147 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CƠNG BỐ 149 TÀI LIỆU THAM KHẢO 150 PHỤ LỤC 154 201 Phân tích hoạt động: GV yêu cầu HS nhắc lại kiến thức học nội dung trước: Muốn thay đổi động vật cần thay đổi yếu tố nào? làm để thay đổi yếu tố đó? Cá nhân HS trả lời câu hỏi Trong thực tế, quan sát thấy có nhiều tượng vật chịu tác dụng lực trọng lực Các em đưa số trường hợp vật chịu tác dụng lực trọng lực mà em biết Cá nhân HS Đưa đầy đủ phân tích tình sau: - Vật thả rơi tự - Vật ném xiên - Dao động lắc đơn GV cho HS quan sát tượng đoạn phim Cá nhân HS quan sát, phân tích Đưa ra: có thay đổi vận tốc == > Động thay đổi; có thay đổi độ cao == > Thế thay đổi Như vậy, có thay đổi qua lại động Hoạt động 2: Phát biểu vấn đề cần nghiên cứu (câu hỏi khoa học) Mục tiêu HĐ: 1.3 Phát biểu VĐ dạng câu hỏi khoa học Hình thức: HS thực nhiệm vụ qua phiếu học tập hoạt động cá nhânvà thảo luận toàn lớp Phiếu học tập PHIẾU HỌC TẬP Họ Tên HS: …………………… Lớp: ………… 202 Câu Hãy nêu câu hỏi để tìm hiểu mối quan hệ đại lượng (yếu tố) phụ thuộc vào vận tốc độ cao vật …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Phân tích hoạt động: Vấn đề cần tìm hiểu có thay đổi qua lại động Vậy em cần nêu câu hỏi để tìm hiểu Có thay đổi qua lại động năng? Cá nhân HS lắng nghe suy nghĩ để đưa câu hỏi cần tìm hiểu thay đổi qua lại động câu phiếu học tập số Câu Động năng, thay đổi nào? Câu Mối quan hệ biến đổi lượng động vật tuân theo qui luật nào? Hoạt động 3: Đề xuất lựa chọn giải pháp giải vấn đề Mục tiêu HĐ: 2.3 Đề xuất giải pháp: khái quát hóa thực nghiệm đưa giả thuyết (trả lời câu hỏi trên); Đề xuất phương án thí nghiệm lựa chọn phương án để tiến hành thí nghiệm; 3.1 Lập kế hoạch cụ thể để thực giải pháp Hình thức: HS thực nhiệm vụ qua phiếu học tập hoạt động cá nhânvà thảo luận toàn lớp Phiếu học tập số PHIẾU HỌC TẬP Họ Tên HS: ………………… Lớp: ………… Câu Động vật phụ thuộc vào vận tốc? Thế vật phụ thuộc vào vị trí (độ cao)? 203 Câu Có thể vận dụng kiến thức biết vận dụng kiến thức để trả lời cho câu hỏi trên? Phân tích hoạt động: Có thể vận dụng kiến thức biết vận dụng kiến thức để trả lời cho câu hỏi trên? Từ kiến thức biết HS suy đoán giải pháp GQVĐ Suy đoán giải pháp: Vật rơi tự chịu tác dụng trọng lực Động tăng, công trọng lực độ biến thiên động năng: A =W 12 d2 Thế giảm, công trọng lực bằng độ giảm năng: A =W 12 t1 Thực giải pháp suy đoán rút kết Hoạt động 4: Thiết kế phương án tiến hành thí nghiệm để kiểm nghiệm kết rút từ SLLT Mục tiêu HĐ: 3.2 Thực kế hoạch Hình thức: HS thực nhiệm vụ qua phiếu học tập hoạt động cá nhânvà thảo luận toàn lớp Phiếu học tập số PHIẾU HỌC TẬP Họ Tên HS: ………………… Lớp: ………… Câu Hãy đề xuất/ mô tả phương án TN kiểm chứng dự đoán trên? Hãy đưa phương án thí nghiệm, có sở lí thuyết xác định đại lượng cần đo, đại lượng cần tính? Xây dựng phương án thí nghiệm để khảo sát trường hợp? Phương án 204 Phân tích hoạt động: GV nêu câu hỏi gợi ý làm để kiểm nghiệm kết rút nhờ thí nghiệm? HS phát biểu cá nhân Phương án TN 1: Thả vật chuyển động rơi tự tác dụng trọng lực, xác định vận tốc, độ cao vật thời điểm khác sau tính động điểm Phương án TN 2: Ném viên bi theo phương ngang tác dụng trọng lực, xác định vận tốc, độ cao vật thời điểm khác sau tính động điểm GV gợi ý HS đề xuất TBTN: Xác định vận tốc cổng quang điện cảm biến siêu âm, xác định độ cao thước đo, khối lượng vật rơi sử dụng cân để đo Sử dụng TNTTTMH Phys-ISE đánh dấu vị trí vật (xác định độ cao), từ tính vận tốc chúng Phiếu học tập số PHIẾU HỌC TẬP Họ Tên HS: ………………… Lớp: ………… Câu Với phương án đề xuất Hãy đề xuất thiết bị TN cách lắp đặt chúng để kiểm chứng giả thuyết phương án? Phương án Phương án …………………………………… …………………………………… 205 Phương án …………………………………… …………………………………………… …………………………………… …………………………………………… GV giao nhiệm vụ cho nhóm HS tiến hành TN theo phương án đề xuất Điều cần kiểm nghiệm thí nghiệm gì? Phiếu học tập số PHIẾU HỌC TẬP Họ Tên HS: ……………… Lớp: ………… Câu Tiến hành TN kiểm chứng giả thuyết Ghi kết mối quan hệ động trọng trường vật ………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………… …… Câu Nhận xét rút kết luận ………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………… …… PL.4.3 Rubric đánh giá lực giải vấn đề học sinh dạy học ĐLBT Cơ Năng lực Chỉ thành hành phần tích Phân tình Phân huống, phát vấn đề phát 1.1 biểu tích tình 206 vấn đề cần giải vấn đề (câu hỏi khoa học) 1.2 Phát vấn đề cần nghiên cứu 1.3 Phát biểu vấn đề 207 Đề xuất lựa chọn giải 2.3 pháp giải xuất g vấn pháp đề 3.1 L Thực giải pháp giải vấn đề kế ho cụ thể thực g pháp 208 3.2 Thực hoạch 209 3.3 Đánh chỉnh bư giải vấn cụ tr thực g pháp 210 PHỤ LỤC - Một số hình ảnh triển khai TNSP 211 Hình Một số hình ảnh hoạt động thực nghiệm ... NGHIÊN CỨU NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CỦA HỌC SINH 3.1 Yêu cầu xây dựng thí nghiệm kĩ thuật số dạy học dựa nghiên cứu nhằm phát triển lực giải vấn đề mức cao học sinh. .. động lực học chất điểm định luật bảo tồn - Vật lí 10 nhằm phát triển lực giải vấn học sinh? ?? Mục đích nghiên cứu Xây dựng sử dụng thí nghiệm kĩ thuật số theo quan điểm dạy học dựa nghiên cứu dạy học. .. khăn giải pháp xây dựng thí nghiệm kĩ thuật số theo quan điểm dạy học dựa nghiên cứu v 3.3 Quy trình xây dựng thí nghiệm kĩ thuật số dạy học dựa nghiên cứu nhằm phát triển lực giải vấn đề