luận án tiến sĩ 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 TOÀN - 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 và phương pháp dạy học bộ môn Vật lí Mã số: LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Người hướng dẫn khoa học: 1 PGS.TS PHẠM XUÂN QUẾ 2 TS NGUYỄN MẠNH HÙNG HÀ NỘI – 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình khoa học nào Hà Nội, ngày 20 tháng 01 năm 2021 Tác giả luận án Mai Hoàng Phương ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được Luận án, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới: Ban Giám hiệu, Phòng Khoa học công nghệ, Phòng Sau đại học, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lí, quý thầy cô tổ lí luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật lí Khoa Vật lí, Trường đại học Sư phạm Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu Ban Giám hiệu, lãnh đạo Khoa Vật lí, tổ lí luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật lí trường đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi về vật chất, tinh thần và thời gian cho tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu Ban giám hiệu, quý thầy cô và các em học sinh tại các 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, đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình tìm hiểu thực tiễn dạy học và triển khai thực nghiệm Bằng cả tấm lòng và sự tôn kính của mình, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến Nhà giáo Nhân dân, PGS.TS Phạm Xuân Quế, TS Nguyễn Mạnh Hùng đã tận tâm hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ, khuyến khích tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án Hà Nội, ngày 20 tháng 1 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 1 Lí do chọn đề tài 1 2 Mục đích nghiên cứu 3 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 4 Giả thuyết khoa học 4 5 Nhiệm vụ nghiên cứu .4 6 Phương pháp nghiên cứu 5 7 Những đóng góp của đề tài 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 8 1.1 Các nghiên cứu về quan điểm dạy học dựa trên nghiên cứu 8 1.2 Các nghiên cứu về dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề .10 1.3 Các nghiên cứu xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học một số kiến thức về Động lực học chất điểm và Các định luật bảo toàn – Vật lí 10 12 1.4 Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu 16 CHƯƠNG 2 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 trên nghiên cứu trong dạy học vật lí 17 2.1.1 Khái niệm dạy học dựa trên nghiên cứu 17 2.1.2 Bản chất của dạy học dựa trên nghiên cứu 17 2.1.3 Đặc điểm của dạy học dựa trên nghiên cứu 18 2.1.4 Cơ sở tâm lí học, lí luận và thực tiễn trong dạy học dựa trên nghiên cứu 19 iv 2.1.4.1 Cơ sở tâm lí học trong dạy học dựa trên nghiên cứu 2.1.4.2 Cơ sở lí luận trong dạy học dựa trên nghiên cứu 2.1.4.3 Cơ sở thực tiễn trong dạy học dựa trên nghiên cứu 2.1.5 Phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trong dạy học dựa trên nghiên cứu 2.1.5.1 Phát triển và đánh giá sự phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trong dạy học dựa trên nghiên cứu 2.1.5.2 Đề xuất các biện pháp phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trong dạy học dựa trên nghiên cứu 2.2 Quy trình tổ chức hoạt động dạy học dựa trên nghiên cứu nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh 2.3 Vị trí của TNKNMT-TNTTTMH trong tiến trình dạy học dựa trên nghiên cứu 42 2.3.1 Khái niệm TNKNMT và TNTTTMH 2.3.2 Vị trí của TNKNMT và TNTTTMH trong tiến trình DH dựa trên nghiên cứu KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG VÀ HOÀN 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 TOÀN”– 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 các thí nghiệm kĩ thuật số trong dạy học dựa trên nghiên cứu nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề ở mức cao của học sinh 3.2 Khó khăn và giải pháp khi xây dựng và sử dụng các thí nghiệm kĩ thuật số theo quan điểm dạy học dựa trên nghiên cứu 3.2.1 Khó khăn và giải pháp khi xây dựng thí nghiệm vật lí theo quan điểm dạy học dựa trên nghiên cứu 3.2.2 Khó khăn và giải pháp khi xây dựng các thí nghiệm kĩ thuật số theo quan điểm dạy học dựa trên nghiên cứu v 3.3 Quy trình xây dựng các thí nghiệm kĩ thuật số trong dạy học dựa trên nghiên cứu nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề ở mức cao của học sinh 51 3.4 Xây dựng và hoàn 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 toàn” – Vật lí 10 theo quan điểm dạy học dựa trên nghiên cứu 52 3.4.1 Sự cần thiết xây dựng và hoàn thiện TNTTTMH Phys-ISE và bộ cảm biến lực – gia tốc kết nối máy tính không dây Phys-MBL 52 3.4.2 Xây dựng và hoàn thiện TNTTTMH Phys-ISE hỗ trợ dạy học vật lí 56 3.4.2.1 Xây dựng và hoàn thiện TNTTTMH Phys-ISE 56 3.4.2.2 Các TN có thể tiến hành với TNTTTMH Phys-ISE 61 3.4.3 Xây dựng và hoàn thiện bộ cảm biến lực-gia tốc kết nối máy tính không dây Phys-MBL trong bộ TNKNMT 70 3.4.3.1 Xây dựng và hoàn thiện bộ cảm biến lực-gia tốc kết nối máy tính không dây Phys-MBL trong bộ TNKNMT 70 3.4.3.2 Các TN có thể tiến hành với bộ cảm biến lực – gia tốc kết nối máy tính không dây Phys-MBL trong bộ TNKNMT 77 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 82 CHƯƠNG 4 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 TOÀN” CÓ 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 và “Các định luật bảo toàn” – Vật lí 10 THPT 83 4.1.1 Cấu trúc logic các kiến thức “Động lực học” và “Các định luật bảo toàn” – Vật lí 10 THPT 83 4.1.2 Mục tiêu phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trong dạy học dựa trên nghiên cứu một số kiến thức về “Động lực học chất điểm” và “Các định luật bảo toàn” – Vật lí 10 87 4.2 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 toàn” – Vật lí 10 có sử dụng thí nghiệm kĩ thuật số đã hoàn thiện nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh 94 vi 4.2.1 Thiết kế tiến trình dạy học dựa trên 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 năng lực giải quyết vấn đề của học sinh khi dạy học định luật III Newton 103 4.2.2 Thiết kế tiến trình dạy học dựa trên 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 năng lực giải quyết vấn đề của học sinh khi dạy học ĐLBT động lượng 116 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 121 CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 122 5.1 Mục đích và 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 và xử lí số liệu thực nghiệm 125 5.3 Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm 126 5.3.1 Phân tích, đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm vòng 1 126 5.3.2 Phân tích, đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm vòng 2 128 5.3.2.1 Phân tích định tính 128 5.3.2.2 Phân tích định lượng 140 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 146 KẾT LUẬN CHUNG VÀ ĐỀ XUẤT 147 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ 149 TÀI LIỆU THAM KHẢO 150 PHỤ LỤC 154 vii PHỤ LỤC 1 - Bảng khảo sát thực trạng 154 PHỤ LỤC 2 - Thiết kế tiến trình DH dựa trên nghiên cứu định luật I Newton 169 PHỤ LỤC 3 - Thiết kế tiến trình DH dựa trên nghiên cứu định luật II Newton 182 PHỤ LỤC 4 - Thiết kế tiến trình DH dựa trên nghiên cứu ĐLBT Cơ năng 197 PHỤ LỤC 5 - Một số hình ảnh triển khai TNSP 210 201 Phân tích hoạt động: GV yêu cầu HS nhắc lại kiến thức đã học ở nội dung trước: Muốn thay đổi động năng và thế năng của vật thì cần thay đổi yếu tố nào? làm thế nào để thay đổi yếu tố đó? Cá nhân HS trả lời câu hỏi Trong thực tế, chúng ta quan sát thấy có rất nhiều hiện tượng các vật chịu tác dụng của lực thế trọng lực Các em hãy đưa ra một số trường hợp vật chịu tác dụng của lực thế trọng lực mà em biết Cá nhân HS Đưa ra đầy đủ và phân tích các tình huống sau: - Vật thả rơi tự do - Vật được ném xiên - Dao động con lắc đơn GV cho HS quan sát hiện tượng trong đoạn phim Cá nhân HS quan sát, phân tích Đưa ra: có sự thay đổi vận tốc == > Động năng thay đổi; có sự thay đổi độ cao == > Thế năng thay đổi Như vậy, có sự thay đổi qua lại giữa động năng và thế năng Hoạt động 2: Phát biểu vấn đề cần nghiên cứu (câu hỏi khoa học) Mục tiêu HĐ: 1.3 Phát biểu VĐ dưới dạng câu hỏi khoa học Hình thức: HS thực hiện nhiệm vụ qua phiếu học tập hoạt động cá nhânvà thảo luận toàn lớp Phiếu học tập 2 Họ và Tên HS: …………………… PHIẾU HỌC TẬP 2 Lớp: ………… 202 Câu 3 Hãy nêu ra câu hỏi để tìm hiểu về mối quan hệ giữa các đại lượng (yếu tố) phụ thuộc vào vận tốc và độ cao của vật …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Phân tích hoạt động: Vấn đề mới chúng ta cần tìm hiểu là có sự thay đổi qua lại giữa động năng và thế năng Vậy các em cần nêu ra các câu hỏi gì để tìm hiểu về Có sự thay đổi qua lại giữa động năng và thế năng? Cá nhân HS lắng nghe và suy nghĩ để đưa ra các câu hỏi cần tìm hiểu về sự thay đổi qua lại giữa động năng và thế năng ở câu 1 phiếu học tập số 2 Câu 1 Động năng, thế năng thay đổi như thế nào? Câu 2 Mối quan hệ giữa sự biến đổi năng lượng động năng và thế năng của vật tuân theo qui luật nào? Hoạt động 3: Đề xuất và lựa chọn giải pháp giải quyết vấn đề Mục tiêu HĐ: 2.3 Đề xuất giải pháp: khái quát hóa thực nghiệm đưa ra giả thuyết (trả lời các câu hỏi trên); Đề xuất các phương án thí nghiệm và lựa chọn phương án để tiến hành thí nghiệm; 3.1 Lập kế hoạch cụ thể để thực hiện giải pháp Hình thức: HS thực hiện nhiệm vụ qua phiếu học tập hoạt động cá nhânvà thảo luận toàn lớp Phiếu học tập số 3 Họ và Tên HS: ………………… PHIẾU HỌC TẬP 3 Lớp: ………… Câu 4 Động năng của vật phụ thuộc như thế nào vào vận tốc? Thế năng của vật phụ thuộc như thế nào vào vị trí (độ cao)? 203 Câu 5 Có thể vận dụng những kiến thức đã biết nào và vận dụng kiến thức này như thế nào để trả lời cho câu hỏi trên? Phân tích hoạt động: Có thể vận dụng những kiến thức đã biết nào và vận dụng kiến thức này như thế nào để trả lời cho câu hỏi trên? Từ kiến thức đã biết HS suy đoán giải pháp GQVĐ Suy đoán giải pháp: Vật rơi tự do chỉ chịu tác dụng của trọng lực Động năng tăng, công do trọng lực bằng độ biến thiên động năng: A =W 12 d2 Thế năng giảm, công do trọng lực bằng bằng độ giảm thế năng: A =W 12 t1 Thực hiện giải pháp suy đoán và rút ra kết quả 1 2 Hoạt động 4: Thiết kế phương án và tiến hành thí nghiệm để kiểm nghiệm kết quả rút ra từ SLLT Mục tiêu HĐ: 3.2 Thực hiện kế hoạch Hình thức: HS thực hiện nhiệm vụ qua phiếu học tập hoạt động cá nhânvà thảo luận toàn lớp Phiếu học tập số 4 Họ và Tên HS: ………………… PHIẾU HỌC TẬP 4 Lớp: ………… Câu 6 Hãy đề xuất/ mô tả phương án TN kiểm chứng các dự đoán trên? Hãy đưa ra 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 trong 2 trường hợp? Phương án 204 Phân tích hoạt động: GV nêu câu hỏi gợi ý làm thế nào để kiểm nghiệm kết quả đã rút ra được nhờ thí nghiệm? HS phát biểu cá nhân Phương án TN 1: Thả vật chuyển động rơi tự do dưới tác dụng của trọng lực, xác định vận tốc, độ cao của vật tại các thời điểm khác nhau sau đó tính thế năng và động năng tại 1 điểm bất kì Phương án TN 2: Ném viên bi theo phương ngang dưới tác dụng của trọng lực, xác định vận tốc, độ cao của vật tại các thời điểm khác nhau sau đó tính thế năng và động năng tại 1 điểm bất kì GV gợi ý HS đề xuất TBTN: Xác định vận tốc bằng cổng quang điện hoặc cảm biến siêu âm, xác định độ cao bằng thước đo, còn khối lượng vật rơi sử dụng cân để đo Sử dụng TNTTTMH Phys-ISE đánh dấu vị trí của các vật (xác định được độ cao), từ đó tính được vận tốc của chúng Phiếu học tập số 5 Họ và Tên HS: ………………… PHIẾU HỌC TẬP 5 Lớp: ………… Câu 7 Với các phương án đã đề xuất Hãy đề xuất các thiết bị TN và cách lắp đặt chúng để kiểm chứng giả thuyết đối với từng phương án? Phương án Phương án 1 …………………………………… …………………………………… 205 Phương án 2 …………………………………… …………………………………………… …………………………………… …………………………………………… GV giao nhiệm vụ cho 2 nhóm HS tiến hành TN theo các phương án đã đề xuất Điều cần kiểm nghiệm trong thí nghiệm là gì? Phiếu học tập số 6 Họ và Tên HS: ……………… PHIẾU HỌC TẬP 6 Lớp: ………… Câu 8 Tiến hành TN kiểm chứng giả thuyết Ghi kết quả về mối quan hệ giữa động năng và thế năng trọng trường của vật ………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………… …… Câu 9 Nhận xét và rút ra kết luận ………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………… …… PL.4.3 Rubric đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của học sinh khi dạy học ĐLBT Cơ năng Năng lực Chỉ thành hành phần 1 tích Phân tình Phân huống, phát hiện vấn đề và phát 1.1 biểu tích được tình 206 vấn đề cần huống giải quyết vấn đề (câu hỏi khoa học) 1.2 Phát hiện vấn đề cần nghiên cứu 1.3 Phát biểu vấn đề 207 2 Đề xuất và lựa chọn giải 2.3 pháp giải xuất g quyết vấn pháp đề 3.1 L 3 Thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề kế ho cụ thể thực hiện g pháp 208 3.2 Thực hiện hoạch 209 3.3 Đánh và chỉnh các bư giải quyết vấn cụ trong quá tr thực hiện g pháp 210 PHỤ LỤC 5 - Một số hình ảnh triển khai TNSP 211 Hình 5 9 Một số hình ảnh các hoạt động thực nghiệm ... 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 Chuyên ngành: Lí luận phương pháp dạy học mơn Vật lí Mã số: LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC... 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... 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