Đề tài: Vận dụng phương pháp mô hình hóa vào dạy học phần điện học trong chương trình Vật lý trung học phổ thông

Đề tài Vận dụng phương pháp mô hình hóa vào dạy học phần điện học trong chương trình Vật lý trung học phổ thông giới thiệu đến các bạn về mô hình và phương pháp mô hình hóa nói chung, phương pháp mô hình hóa trong vật lý và dạy học vật lý, cấu trúc, nội dung phần điện học trong chương trình vật lý trung học phổ thông và nhận diện một số dạng mô hình được sử dụng trong phần điện học. Mời các bạn cùng tham khảo.

MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Phương pháp mơ hình hóa phương pháp nhận thức khoa học nhiều nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng từ lâu, nhiều lĩnh vực toán học, tin học, giáo dục, quản lí giáo dục,… Trong vật lý dạy học vật lý Phương pháp mơ hình hóa vật lý nói chung dạy học vật lý nói riêng có đề cập số giáo trình, giảng như: “Các kiểu tổ chức dạy học đại dạy học vật lý trường phổ thông” tác giả Đỗ Hương Trà, “Lí luận dạy học Vật lí 1” tác giả Phạm Hữu Tòng, "Bài giảng Phương pháp dạy học vật lý trường THPT" tác giả Phạm Kim Chung, … Tuy nhiên tài liệu viết phương pháp mơ hình hóa chủ yếu mang tính khái qt khơng có nhiều thơng tin Trong “Các kiểu tổ chức dạy học đại dạy học vật lý trường phổ thông” tác giả Đỗ Hương Trà, phương pháp mơ hình hóa vật lý dạy học vật lý có đề cập sâu so với tài liệu cịn lại khơng có nội dung nói việc việc vận dụng phương pháp mơ hình hóa phần kiến thức thuộc chương trình vật lý trường phổ thơng Ngồi ra, chưa có cơng trình nghiên cứu khoa học sinh viên nghiên cứu vận dụng phương pháp mơ hình hóa vào dạy học việc vạch rõ mô hình sử dụng, mức độ áp dụng phương pháp mơ hình dạy, tiết dạy ý phương pháp mơ hình q trình giảng dạy tiết học Tính cấp thiết đề tài Vật lý môn học có tính ứng dụng cao đời sống kĩ thuật nên môn học thường đem lại nhiều hứng thú cho HS đặc biệt cho HS thích tìm tòi sáng tạo Tuy nhiên vật lý mang nhiều lý thuyết phức tạp Để học tốt môn học người HS cần nắm kiến thức cũ điều HS thực Để giúp HS dễ dàng tiếp cận với kiến thức củng cố lại kiến thức cũ người GV cần có phương pháp dạy học phù hợp Một thực trạng diễn nhiều GV vật lý phổ thông đứng trước vấn đề tổ chức dạy học đáp ứng yêu cầu mục tiêu giáo dục làm chỗ dựa cho đổi cách thực tế việc dạy học vật lý Người GV ngày có nhiều hội tiếp cận cách tự nhiên dễ dàng qua nhiều đường trực tiếp gián tiếp với nhiều mơ hình, nhiều phương pháp dạy học khác áp dụng phổ biến nhiều quốc gia giới Với mong muốn giúp cho người GV vật lý truyền đạt kiến thức tốt cho HS phương pháp dạy học mơ hình lựa chọn đem lại hiệu cao Mơ hình vật lí giúp cho HS có nhìn trực quan, chất đối tượng xét đồng thời cụ thể hóa đối tượng vật lý Ngồi ra, mơ hình có tính sinh động giúp tăng sức hấp dẫn cho tiết dạy, dạy Các mô hình, dù cấp độ trừu tượng cao hay thấp có giá trị to lớn nhận thức tư Phương pháp mơ hình phương pháp nhận thức khoa học vận dụng vào dạy học Phương pháp mơ hình ngày trở nên quan trọng không vật lý mà ngành xã hội khoa học khác Phần điện học phần cho khó khăn HS Mơ hình giúp cho GV có dạy phần điện học hiệu so với cách dạy truyền thống, giúp HS có hứng thú học tập Vì vậy, với mong muốn vận dụng nhiều phương pháp dạy học khác vào giảng dạy vật lý nhằm mục đích nâng cao chất lượng dạy học, chọn đề tài “Vận dụng phương pháp mơ hình hóa vào dạy học phần Điện học chương trình Vật lý THPT” để nghiên cứu Nhóm thực đề tài hi vọng tài liệu tham khảo hữu ích cho nhiều sinh viên ngành sư phạm Vật lí Mục tiêu, nhiệm vụ đề tài 3.1 Mục tiêu đề tài + Nhận diện mơ hình sử dụng dạy học phần Điện học + Nêu rõ giai đoạn, mức độ việc áp dụng phương pháp mơ hình hóa q trình dạy học mơn Vật lý + Thiết kế số giáo án Vật lý phần điện học chương trình Vật lý THPT chương trình chuẩn có áp dụng giai đoạn phương pháp mơ hình hóa q trình dạy học + Kiểm nghiệm đánh giá tính khả thi việc vận dụng phương pháp mơ hình hóa vào q trình dạy học phần Điện học chương trình Vật lý THPT 3.2 Nhiệm vụ đề tài + Tìm hiểu phương pháp mơ hình hóa + Tìm hiểu chương trình vật lí THPT phần Điện học + Thiết kế số giáo án phần điện học chương trình chuẩn có sử dụng phương pháp mơ hình + Kiểm nghiệm đánh giá tính khả thi đề tài thơng qua:  Nhờ giáo viên THPT giảng dạy theo giáo án thiết kế, đánh giá ban đầu kết học tập HS  Trao đổi với thầy chun mơn, xin ý kiến đóng góp Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu Việc vận dụng phương pháp mơ hình hóa dạy học 4.2 Phạm vi nghiên cứu Phần điện học chương trình Vật lý THPT Nội dung nghiên cứu - Nội dung 1: Tìm hiểu mơ hình phương pháp mơ hình hóa nói chung - Nội dung 2: Tìm hiểu phương pháp mơ hình hóa vật lý dạy học vật lý - Nội dung 3: Tìm hiểu cấu trúc, nội dung phần điện học trongchương trình vật lý THPT nhận diện số dạng mơ hình sử dụng phần điện học - Nội dung 4: Thiết kế số giáo án có sử dụng phương pháp mơ hình phần Điện học chương trình chuẩn - Nội dung 5: Kiểm nghiệm, đánh giá Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lí luận: Trên sở tài liệu sưu tầm được, chúng tơi phân tích tổng hợp thành nội dung sở lý luận đề tài - Phương pháp chuyên gia: Soạn phiếu hỏi ý kiến thầy cô giáo thuộc môn vật lí trường Đại học Hùng Vương thầy cô trường THPT Vũ Thê Lang nội dung đề tài quan tâm - Phương pháp thực nghiệm sư phạm: + Lựa chọn lớp thực nghiệm lớp đối chứng hai lớp 11 hai lớp 12 trường THPT Vũ Thê Lang; + Nhờ số giáo viên trường THPT Vũ Thê Lang giảng dạy giáo án mà nhóm tác giả thiết kế; + Đánh giá ban đầu hiệu việc vận dụng phương pháp mơ hình thơng qua kiểm tra lớp đối chứng thực nghiệm CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Mơ hình 1.1.1 Khái niệm mơ hình Khái niệm mơ hình sử dụng rộng rãi ngôn ngữ thông dụnghàng ngày với ý nghĩa khác Trong môn khoa học tự nhiên HS thường gặp mơ hình tế bào, mơ hình động đốt trong, tức vật chất có cấu tạo khơng gian giống vật chất mà ta cần nghiên cứu Mơ hình ngun tử, mơ hình phân tử lại mơ tả vật thể mà ta biết tính chất chúng khơng quan sát trực tiếp Trong vật lí, mơ hình định nghĩa sau: “Mơ hình hệ thống hình dung óc hay thực cách vật chất Hệ thống phản ánh thuộc tính chất đối tượng nghiên cứu (đối tượng gốc) tái tạo nó, nghiên cứu mơ hình cho ta thơng tin đối tượng gốc” [7, tr.63] Theo định nghĩa này, cần đặc biệt ý đến khác biệt mô hình với đối tượng vật chất Một mơ hình phản ánh số tính chất đối tượng vật chất Cùng đối tượng vật chất có thể có nhiều mơ hình khác Theo Halbwachs: “ Những dấu hiệu bao gồm hình vẽ, giản đồ, kí hiệu tốn học hay đơn giản hơn, mệnh đề thành lập từ, hệ thống dùng để biểu diễn cảnh Với hệ thống dấu hiệu trên, gọi mơ hình” Khái niệm “mơ hình”, theo định nghĩa chung (một vật thể, phương trình ) cho phép thay ngun gốc trung gian giúp cho dễ hiểu nhận thức Quan hệ mơ hình với thực tế tương tự hình thức bề ngồi, tương tự cấu trúc bị che khuất, tương tự chức năng, hiệu 1.1.2 Tính chất phân loại mơ hình a Tính chất mơ hình Vì mơ hình phản ánh số thuộc tính chất đối tượng vật chất nên đối tượng có nhiều mơ hình đại diện cho Sau tham khảo chúng tơi thấy, mơ hình có tính chất sau: * Tính tương tự vật gốc: Một hệ thống coi mơ hình vật gốc chuyển kết nghiên cứu mơ hình sang vật gốc Nghĩa có tương tự mơ hình vật gốc Sự tương tự đồng cấu đẳng cấu Sự tương tự cấu trúc, tương tự chủ yếu mối quan hệ phần tử hai hệ thống Cũng tương tự chức năng, nghĩa phần tử tương ứng hai hệ thống có chức giống cấu trúc khác Sự tương tự giống hay khơng giống hồn tồn kết trình hai hệ thống Các phần tử thuộc hai hệ thống khơng có điểm giống kết thu q trình biến đổi tốn học lại phù hợp với kết thu thực nghiệm Trong dạy học vật lí, tính chất tương tự với vật gốc mơ hình có ý nghĩa quan trọng Sử dụng tính chất xây dựng mơ hình, HS rèn luyện loạt thao tác tư duy, phát triển niềm tin vào mối liên hệ có tính khái qt, có tính quy luật vật, hiên tượng tự nhiên đa dạng, phong phú Sử dụng tính chất nâng cao hiệu học, thể trước hết tính sâu sắc, tính hệ thống kiến thức tạo điều kiện cho HS liên hệ chưa biết với biết, phát mối quan hệ hệ thống khác phần khác vật lí dấu hiệu giống khác chúng * Tính đơn giản: Thực tế khách quan vơ đa dạng phong phú Mỗi mơ hình phản ánh thuộc tính thực tế Trong xây dựng mơ hình ta phải thực thao tác trừu tượng hóa, khái quát hóa thao tác dẫn đến đơn giản hóa ta tước bỏ chi tiết thứ yếu, cịn lại thuộc tính mối liên hệ chất Như vậy, tính đơn giản mơ hình tất yếu khách quan, mang lại hiệu lớn lao việc sử dụng mơ hình Nhờ tính đơn giản mơ hình mà nhà nghiên cứu nắm vấn đề thực tế khách quan, khái quát hóa chúng mà rút quy luật Nếu khơng dùng mơ hình đơn giản để nghiên cứu mà nghiên cứu tượng thực tế phức tạp nhiều trường hợp quy luật bị lu mờ nhà nghiên cứu bị nhầm lẫn * Tính trực quan: Trước hết tính trực quan mơ hình thể chỗ dễ dàng nhận biết giác quan Ta cảm giác tri giác, trực tiếp mơ hình, nhiều khơng làm việc tượng thực tế Tính trực quan thể chỗ ta vật chất hóa tính chất, quan hệ khơng thể trực tiếp tri giác Khái niệm trực quan cịn mở rộng trường hợp mơ hình khơng trực tiếp diễn tả tượng thực tế mà so sánh với tượng thực tế khác mà ta tri giác giác quan Rõ ràng mức độ trực giác gián tiếp phụ thuộc vào vốn hiểu biết chủ thể, chủ thể tích lũy từ trước Một số mơ hình nhận biết trực tiếp trực giác Cịn mơ hình lí tưởng giúp ta “ vật chất hóa” tính chất, mối quan hệ khơng thể tri giác Mơ hình lí tưởng giúp ta tưởng tượng tính chất mối quan hệ Ý nghĩa tính trực quan mơ hình dạy học thể chỗ, làm cho HS dễ hình dung tượng vật lí khơng thể quan sát trực tiếp được, dễ hiểu khái niệm trừu tượng * Tính quy luật riêng: Khi xây dựng mơ hình, người ta hệ thống để mơ tả đặc tính vật gốc Hệ thống tuân theo quy luật riêng, nhiều khơng cịn giống quy luật biến đổi vật hệ thống vật gốc Từ vận động quy luật riêng rút kết luận kết luận có khả chuyển tải sang hệ thống thực Nhờ tính chất mà với mơ hình ta khơng dừng lại mơ tả, tìm hiểu tình vật lí mà cịn phát tính chất mới, cung cấp thơng tin * Tính lí tưởng: Mơ hình xuất phát từ thực tiễn, xây dựng dựa thực tiễn phản ánh thực tiễn Nhưng ta mơ hình hóa vật, mối quan hệ ta thực trừu tượng hóa, khái quát hóa, phản ánh thuộc tính vật thể mức hồn thiện cao Như mơ hình có tính lí tưởng hay nhiều Một mơ hình vật lí phản ánh đến mức độ định, vài mặt tình vật lí Mơ hình có chức đại diện tức phản ánh thực tiễn sau trừu tượng hóa khái quát hóa cao mơ hình trở nên lí tưởng Có nghĩa khơng có mơ hình mơ tả giống hệt thực tiễn khía cạnh, mơ hình giống hệt thực tiễn khơng cịn tính đại diện tính ưu việt Mơ hình có tính lí tưởng cao tổng quát, bao trùm nhiều đối tượng, giúp ta nhận thức nét chung tượng đưa vào thực tế gặp nhiều khó khăn ta phải bổ sung vào cấu trúc chung mơ hình nhiều yếu tố cụ thể phù hợp với tính chất đối tượng nghiên cứu b Phân loại mơ hình  Dựa vào đối tượng nghiên cứu, mơ hình chia làm loại: * Mơ hình vĩ mơ Mơ hình vĩ mơ mơ hình có từ đơn giản hóa đối tượng vĩ mô cần nghiên cứu Những mô hình có tác dụng giúp đơn giản hóa vật thực để nghiên cứu đối tượng thực chúng có mức độ trừu tượng thấp, khơng có vai trị việc xây dựng lí thuyết * Mơ hình vi mơ Mơ hình vi mơ mơ hình quan niệm đối tượng, thực thể khơng thể quan sát trực tiếp Các mơ hình mức độ trừu tượng cao, chúng có tác dụng lớn việc xây dựng lí thuyết vật lí, gồm có hai loại sau: + Mơ hình lượng tử: hình ảnh đối tượng vi mơ theo lí thuyết lượng tử, mơ hình biểu tượng có mức độ trừu tượng cao + Mơ hình tốn học (mơ hình kí hiệu): biểu diễn cấu trúc hệ thống phương trình, đường hình học…  Dựa vào vật liệu mơ hình, chia làm loại: * Mơ hình vật chất: mơ hình vật thể phản ánh tác động mặt hình học, Vật lý học, động lực học, chức học đối tượng nghiên cứu Loại mô hình sử dụng giai đoạn thấp trình nhận thức, cần hình thành biểu tượng thu thập kiến thức có tính chất kinh nghiệm * Mơ hình lí tưởng: Là mơ hình trừu tượng ngun tắc người ta áp dụng thao tác tư lý thuyết Các mơ hình lý thuyết có nhiều loại, tuân theo mức độ trừu tượng khác nhau, gồm có: + Mơ hình kí hiệu: hệ thống lý luận dùng để mô tả, thay vật, tượng Vật lý thực (mơ hình cơng thức tốn, mơ hình đồ thị, mơ hình logic tốn,…) + Mơ hình biểu tượng: dạng trừu tượng mơ hình lý tưởng, mơ hình trừu tượng khơng tồn không gian, thực tế mà có tư ta Ta nên algorit để tạo mơ hình hình dung óc khơng cần làm mơ hình cụ thể 1.2 Phương pháp mơ hình hóa Cơ sở lí thuyết phương pháp mơ hình lí thuyết tương tự Theo số tài liệu mà tham khảo giống phần tính chất hay mối quan hệ chuyển thơng tin thu thập từ đối tượng sang đối tượng khác Sự suy luận tương tự mang tính chất giả thuyết, nguồn gốc tri thức Những nhận thức trở thành nhận thức khoa học chúng kiểm tra xác nhận thực nghiệm Cùng với phát triển chung khoa học, vật lí học lượng tử học tương đối dẫn đến việc phải xem xét lại nguyên tắc khoa học luận Trước nhà thực nghiệm xem hoạt động khoa học công việc khám phá định luật tự nhiên, giống hoạt động nhà thám hiểm tự nhiên phát miền đất lạ chưa biết Họ tin tưởng quan sát đo lường trực tiếp Ngày với vật lí lượng tử, mà định luật học cổ điển khơng cịn áp dụng cho hạt vi mơ phương cách nhìn thực theo quan điểm thực thực chứng bị đảo lộn Các quan điểm hạn chế khả người tiếp tục sâu nhận thức giới Một đường lối tiếp cận gợi lên từ câu nói sau Albert Einstein: “ Trong nỗ lực để thấu hiểu vũ trụ chúng ta, phần giống người cố gắng chiêm ngưỡng cấu đồng hồ che kín Anh ta nhìn mặt đồng hồ, xem kim chuyển động, nghe tiếng tích tắc, khơng có cách mở hộp đựng máy Nếu kỹ sư, hình dung hình ảnh chi phối tất mà quan sát, không tin hình ảnh giải thích quan sát Anh ta khơng có điều kiện đối chiếu hình ảnh với cấu thực, chí khơng thể hình dung khả hay ý nghĩa đối chiếu thế” Nếu dựa việc xây dựng mơ hình lí thuyết (mơ hình tư duy) đối tượng gốc nghiên cứu mơ hình, tức vận hành mơ hình lí thuyết (tiến hành thí nghiệm tư thao tác lí thuyết, thao tác logic) để rút câu trả lời cần có, có tính chất điều tiên đoán đối tượng gốc (và kiểm tra, đối chiếu với thực nghiệm) phương pháp nhận thức gọi phương 10 Hoạt động 4: Khảo sát độ lệch pha điện áp dòng điện mạch điện xoay chiều có R, L, C mắc nối tiếp Hoạt động nằm giai đoạn phương pháp mơ hình Ta tiến hành suy luận lơgic mơ hình kết hợp chặt chẽ với lơgic ngơn ngữ tốn học phù hợp Hình dung đại lượng vật lí đặc trưng cho giản đồ Fre-nen Hoạt động HS Hoạt động GV Ghi Mức độ 2: HS sử dụng mơ hình GV giản đồ vectơ quay để giải thích dùng thí khảo sát độ lệch pha điện áp nghiệm với dòng điện mạch xoay dao động kí chiều có R, L, C mắc nối tiếp điện tử để Hãy dựa vào giản đồ Fre-nen, xác minh họa cho Khi ZL > ZC ta có giản đồ định độ lệch pha điện áp hai vectơ hình 14.3: tan   U L  U C U LC  UR R cường độ dòng điện hợp ZL>ZC Gợi ý: xét trường hợp ZL > ZC ZL ZL< ZC < ZC Khi ZL < ZC ta có giản đồ vectơ hình 14.2: tan   U L  U C | U LC |  UR UR Nếu ý đến dấu  tan  ta tan   U L  U C Z L  ZC  UR R viết: Nếu ZL > ZC  >0: điện áp u sớm pha so với dòng điện i góc  Nếu ZL < ZC 