8. Cấu trúc luận văn
1.2. Vai trò của thí nghiệm vật lý trong tổ chức hoạt động nhận thức
học sinh [24]
Thí nghiệm vật lý là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan. Thông qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của sự tác động, ta có thể thu nhận được tri thức mới. [24]
1.2.1. Các loại thí nghiệm được sử dụng trong dạy học vật lý [24]
Thí nghiệm vật lý được dùng để dạy học trong trường THPT có 2 loại: thí nghiệm biểu diễn (thí nghiệm do giáo viên tiến hành là chính, tuy nhiên có thể có sự hỗ trợ của học sinh) và thí nghiệm thực tập (thí nghiệm do học sinh tự tiến hành dưới sự hướng dẫn của GV).
- Thí nghiệm biểu diễn được GV tiến hành ở trên lớp, trong các giờ học, nghiên cứu kiến thức mới và có thể ở các giờ học củng cố kiến thức của học sinh. Thí nghiệm biểu diễn có các loại sau: thí nghiệm mở đầu, thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng (Thí nghiệm khảo sát), thí nghiệm minh họa (kiểm chứng), thí nghiệm củng cố.
- Thí nghiệm thực tập của học sinh do học sinh tự tiến hành trên lớp (trong phòng thí nghiệm), ngoài lớp, ngoài nhà trường hoặc ở nhà với các mức độ tự lực khác nhau, thí nghiệm thực tập được chia làm 3 loại: thí nghiệm trực diện, thí nghiệm thực hành, thí nghiệm và quan sát vật lý ở nhà.
1.2.2. Vị trí của thí nghiệm trong tổ chức hoạt động nhận thức của học sinh
Các loại thí nghiệm vật lý mà chúng tôi trình bày ở trên nằm ở 3 pha của tiến trình tổ chức hoạt động nhận thức theo hướng tích cực, tự lực sáng tạo của học sinh [24].
Ở pha thứ nhất thí nghiệm chủ yếu được dùng để tạo tình huống có vấn đề, tạo được nhu cầu hứng thú học tập của học sinh, lôi cuốn học sinh vào hoạt động nhận thức, do đó thường ngắn gọn, có hiệu lực ngay mà không quá phức tạp, nên ở pha này giáo viên thường dùng thí nghiệm mở đầu hay học sinh tiến hành thí nghiệm trong thời gian rất ngắn.
Ở pha thứ 2: thí nghiệm được dùng là thí nghiệm nghiên cứu bao gồm cả 2 loại thí nghiệm (thí nghiệm nghiên cứu khảo sát và thí nghiệm nghiên cứu kiểm chứng).
Ở pha thứ 3: thí nghiệm được dùng để củng cố, nhằm giúp học sinh vận dụng kiến thức đã học để giải thích, dự đoán hiện tượng, qua đó nắm vững kiến thức đã học hoặc có thể dùng thí nghiệm quan sát ở nhà.
Như vậy, thí nghiệm vật lý giữ vai trò đặc biệt quan trọng, nó là cơ sở để xây dựng, kiểm chứng kiến thức vật lý. Do đó, nó là yếu tố không thể thiếu được trong dạy học vật lý. Thí nghiệm kết hợp với sự phân tích lý thuyết làm cho học sinh hiểu sâu sắc mối quan hệ giữa các khái niệm, định luật khái quát với thực tiễn, làm kiến thức học sinh thu được vững chắc hơn, đồng thời phát triển tư duy vật lý ở học sinh.
1.2.3 Các đặc điểm của thí nghiệm vật lý
Các điều kiện của thí nghiệm phải được lựa chọn và thiết lập có chủ định, sao cho thông qua thí nghiệm có thể trả lời được câu hỏi đặt ra, có thể kiểm tra được giả thuyết hoặc hệ quả suy ra từ giả thiết.
Mỗi thí nghiệm có 3 yếu tố cấu thành cần được xác định rõ: đối tượng cần nghiên cứu, phương tiện gây tác động lên đối tượng cần nghiên cứu và phương tiện quan sát, đo đạc để thu nhận các kết quả của sự tác động.
Các điều kiện của thí nghiệm có thể làm biến đổi được để ta có thể nghiên cứu sự phụ thuộc giữa 2 đại lượng, trong khi các đại lượng khác giữ không đổi.
Các điều kiện của thí nghiệm phải được khống chế, kiểm soát đúng như dự định nhờ sử dụng các thiết bị có độ chính xác ở mức độ cần thiết, nhờ sự phân tích thường xuyên các yếu tố của đối tượng cần nghiên cứu, làm giảm tối đa ảnh hưởng của các nhiễu.
Đặc điểm đặc biệt quan trọng của thí nghiệm là tính có thể quan sát được các biến đổi của đại lượng nào đó do sự biến đổi của đại lượng khác. Điều này đạt được nhờ các giác quan của con người và sự hỗ trợ của các phương tiện quan sát, đo đạc.
Có thể lặp lại thí nghiệm tức là với các thiết bị thí nghiệm, các điều kiện thí nghiệm như nhau, khi bố trí lại hệ thí nghiệm, tiến hành lại thí nghiệm thì hiện tượng, quá trình vật lý phải diễn ra trong thí nghiệm giống như ở các lần thí nghiệm trước đó [24].
1.2.4. Thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo [18]
Một số đặc điểm các thí nghiệm vật lý xây dựng trên máy tính hiện nay. Các thí nghiệm vật lý xây dựng hỗ trợ cho các bài giảng về vật lý được xây dựng trên máy tính hiện nay chia thành 2 hướng: thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo.
1.2.4.1. Thí nghiệm mô phỏng nhờ máy vi tính
Trong dạy học vật lý, mô phỏng nhờ máy vi tính có thể xuất phát từ hai cơ sở khác nhau: hoặc từ các tiên đề hay các mô hình (các phương trình hay các nguyên lí... của vật lý) được viết dưới dạng toán học (một cách định lượng) hoặc từ các mối quan hệ có tính chất định tính giữa các đại lượng vật lý thuộc đối tượng nghiên cứu. Tùy theo cơ sở xuất phát khác nhau mà kết quả mô phỏng sẽ khác nhau. Nếu xuất phát từ các tiên đề hay các mô hình được viết dưới dạng toán học (một cách định lượng) thì việc mô phỏng sẽ cho kết quả hoàn toàn định lượng. Nếu xuất phát từ các mối quan hệ có tính chất định tính thì kết quả chỉ mang ý nghĩa định tính.
Loại mô phỏng xuất phát từ các tiên đề hay các mô hình (các phương trình hay các nguyên lí… vật lý) được viết dưới dạng toán học, thông qua vận dụng các phương pháp tính toán trên mô hình nhờ máy vi tính được gọi là mô phỏng định lượng hay mô phỏng chính xác. Trong loại mô phỏng này, các đối tượng được mô phỏng “biến đổi” tuân theo đúng các phương trình, nguyên lí vật lý. Các ví dụ về mô phỏng chính xác có thể nêu ra ở đây như:
- Dựa trên các phương trình về sự biến đổi hệ thống 3 từ trường do 3 dòng điện xoay chiều của dòng ba pha gây ra mà ta mô phỏng từ trường tổng hợp của 3 từ trường đặt lệch nhau 120o trong không gian. Kết quả mô phỏng cho ta từ trường tổng hợp là một từ trường quay đều với độ lớn không đổi
(Hình 1.1).
- Dựa trên các phương trình về sự biến đổi của dòng điện xoay chiều i, hiệu điện thế xoay chiều u mà ta mô phỏng sự biến đổi của các đại lượng này
nhờ máy vi tính (Hình 1.2).
Hình 1.2: Mô phỏng sự biến đổi của i và u dòng xoay chiều Hình 1.1: Mô phỏng từ trường
quay trong động cơ không đồng bộ ba pha
Còn loại mô phỏng dựa trên các mối quan hệ định tính của các đại lượng vật lý, nhờ các phần mềm mà mô phỏng các mối quan hệ đó, gọi là mô phỏng định tính hay hay mô phỏng không chính xác. Loại mô phỏng không chính xác này thường sử dụng trong các trường hợp:
- Không cần thiết phải mô phỏng chính xác
- Việc mô phỏng chính xác không cho phép với các lí do khác nhau như: không biết được mối quan hệ định lượng giữa các đại lượng vật lý cần mô phỏng hoặc có biết được thì việc lập trình mô phỏng cũng hết sức khó khăn, mất nhiều thời gian...
- Ví dụ về loại mô phỏng không chính xác đã được sử dụng trong dạy học vật lý có thể kể ra ở đây như:
- Mô phỏng quan hệ giữa vận tốc của phân tử khí với nhiệt độ: ở nhiệt
độ càng cao, vận tốc của các phân tử khí càng lớn (Hình 1.3).
- Mô phỏng về sự biến đổi số đường cảm ứng từ gửi qua thiết diện khung dây dẫn kín: khi đưa thanh nam châm vĩnh cửu tiến vào lòng
ống dây, số đường cảm ứng từ gửi qua thiết diện khung dây tăng (Hình 1.4).
Hình 1.3: Mô phỏng định tính về quan
hệ giữa vận tốc trung bình của phân tử khí với nhiệt độ
Hình 1.4: Mô phỏng định tính về
sự biến đổi số đường cảm ứng từ gửi qua thiết diện khung dây dẫn
Với cách phân loại như vậy, ta có hai loại mô phỏng: mô phỏng định lượng (hay gọi là mô phỏng chính xác) và mô phỏng định tính (hay gọi là mô phỏng không chính xác). Trong dạy học vật lý, các chương trình máy tính mô phỏng định lượng được gọi là phần mềm mô phỏng định lượng (chính xác), các chương trình máy tính mô phỏng định tính được gọi là phần mềm mô phỏng định tính (không chính xác).
Ứng với từng loại phần mềm mô phỏng, trong dạy học vật lý, người ta sử dụng chúng với các mục đích khác nhau.
Phần mềm mô phỏng định lượng có thể được sử dụng nhằm hai mục đích khác nhau:
- Minh họa các hiện tượng, quá trình, trạng thái vật lý ... của đối tượng nghiên cứu không thể quan sát hay khó tưởng tượng một cách trực quan để học sinh hình dung đúng, chính xác hiện tượng, quá trình, mối quan hệ …vật lý cần nghiên cứu.
- Mô phỏng các hiện tượng, quá trình, trạng thái … vật lý của đối tượng nghiên cứu trong phạm vi mà phương pháp nghiên cứu lí thuyết hay phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chưa thể nghiên cứu được (vì lí do nào đó), để dự đoán các hiện tượng, quá trình, trạng thái … vật lý mới.
Còn việc phần mềm mô phỏng định tính trong dạy học vật lý chỉ nhằm mục đích minh họa các hiện tượng, quá trình, trạng thái vật lý ... của đối tượng nghiên cứu không thể quan sát hay khó tưởng tượng một cách trực quan, qua đó giúp học sinh hình dung đúng hiện tượng, quá trình, mối quan hệ ... vật lý cần nghiên cứu.
Thí nghiệm mô phỏng bằng máy vi tính có nhiều điểm chung với thí nghiệm thật. Điều đó được chỉ ra ở bảng so sánh sau:
Nghiên cứu trên vật gốc (quá trình, hiện tượng)
Nghiên cứu trên mô hình (về quá trình, hiện tượng) Công cụ nghiên cứu là thiết bị thí
nghiệm, dụng cụ đo
Công cụ nghiên cứu là máy vi tính, chương trình phần mềm
Các thao tác nghiên cứu: thay đổi giá trị các đại lượng để đo giá trị các đại lượng khác trong thí nghiệm - thu thập dữ liệu
Các thao tác nghiên cứu: thay đổi giá trị các biến số để tính toán giá trị các biến số khác (thuộc mô hình) nhờ phần mềm - thu thập dữ liệu
Phân tích, xử lí dữ liệu để đưa ra dự đoán khoa học hay kiểm chứng một giả thuyết.
Phân tích, xử lí dữ liệu để đưa ra dự đoán khoa học hay minh hoạ, mô phỏng một mối quan hệ, qui luật.
Như vậy, các thí nghiệm thuộc loại mô phỏng này xét về nguồn gốc, được xây dựng không xuất phát từ các dữ liệu gốc của các quá trình và hiện tượng xảy ra thật trong tự nhiên.
Do đó: “Tính chân thật của các thí nghiệm này không cao. Xét về phương diện nhận thức thì các thí nghiệm mô phỏng này không được sử dụng làm các thí nghiệm nghiên cứu khảo sát cũng như không được dùng làm các thí nghiệm kiểm tra tính đúng đắn của một giả thuyết khoa học nào đó, chỉ được sử dụng làm các thí nghiệm minh họa sau khi các qui luật vật lý đó được tìm ra từ con đường lí thuyết hay con đường thực nghiệm”.
Điều khác nhau về bản chất giữa mô phỏng bằng máy vi tính và thí nghiệm thật là ở các điểm sau:
Mô phỏng nhờ máy vi tính xuất phát từ các tiên đề hay các mô hình (các phương trình hay các nguyên lí...) được viết dưới dạng toán học hoặc xuất phát từ các mối quan hệ định tính giữa các đại lượng, thông qua vận dụng các phần mềm cài đặt ở máy vi tính để minh hoạ các hiện tượng, quá trình một
cách trực quan để dễ quan sát, nghiên cứu hoặc để dự đoán về sự tồn tại một trạng thái, mối quan hệ có tính qui luật mới trong hiện tượng, quá trình nghiên cứu khi cho các biến số, các đại lượng trong các phương trình mô tả mô hình thay đổi. Các kết quả rút ra khi nghiên cứu trên các mô hình thông qua các chương trình mô phỏng trên máy vi tính là các kết quả rút ra trong điều kiện lí tưởng. Các điều kiện này được qui định khi xây dựng nên mô hình. Còn thí nghiệm thật xuất phát từ việc nghiên cứu các quá trình, hiện tượng trong điều kiện thực. Các kết quả rút ra trong thí nghiệm thật là các kết quả rút ra trong điều kiện thực.
1.2.4.2 .Thực tiễn việc phát triển và sử dụng thí nghiệm ảo trong dạy học Vật lý
Tại các nước phát triển việc sử dụng máy vi tính và phần mềm hỗ trợ dạy học được thực hiện từ rất sớm. Hiện nay đã rất có nhiều công ty nổi tiếng trên thế giới về lĩnh vực sản xuất các phần mềm dạy học như PHYWE, ELWE, LEYBOLD ... (CHLB Đức), hãng PASCO (Mỹ) ... Các sản phẩm này đã được cung cấp tới nhiều nước trên thế giới, đó là các thiết bị thí nghiệm ghép nối với máy vi tính. Ngoài ra, nhiều nước trên thế giới còn nghiên cứu sản xuất các sách giáo khoa điện tử. Việc học tập với máy vi tính ở nhiều mức độ khác nhau đều góp phần tạo điều kiện tốt cho học sinh làm quen với phong cách lao động trong một xã hội tự động hoá. Đối với bộ môn vật lý, nhiều phần mềm dạy học đã được sử dụng trong các trường học. Nâng cao hiệu quả dạy học nhờ việc sử dụng CNTT vẫn là một hướng cơ bản của công nghệ hoá quá trình dạy học ngày nay.
Ở Việt Nam, những thành tựu của sự nghiệp đổi mới trong hơn một thập niên qua đã tạo tiền đề cho việc ứng dụng các thành tựu của CNTT vào nhà trường. Phần mềm dạy học đã được đưa vào giảng dạy trong nhà trường với nhiều mức độ khác nhau và nhiều đề tài như phần mềm phân tích Video, phần mềm Quang hình học... đã được xây dựng. Hiện nay ở một số trường đại học
sư phạm, cao đẳng sư phạm, trong chương trình đào tạo, sinh viên vật lý đã được học nhiều học phần về tin học cũng như các môn ứng dụng CNTT để làm phương tiện dạy học vật lý. Đây là bước chuẩn bị đội ngũ giáo viên để có thể sẵn sàng tiếp cận với các phương tiện dạy học mới trong giảng dạy bộ môn vật lý ở nhà trường phổ thông sau khi ra trường.
Những đòi hỏi cấp thiết của thực tiễn, những kết quả khả quan của việc ứng dụng CNTT vào dạy học trên thế giới và trong nước những năm qua đã khẳng định rằng việc nghiên cứu, ứng dụng các thành tựu của CNTT vào việc phát triển, hiện đại hoá các phương tiện dạy học nhằm hiện đại hoá nhà trường, gắn hoạt động giáo dục với thực tiễn của đời sống xã hội là một đòi hỏi có tính tất yếu ở tất cả các nước trên thế giới.
1.2.4.3. Các yêu cầu của một bài thí nghiệm thực hành vật lý ảo [19]
Trước hết, thí nghiệm ảo thuộc loại phần mềm dạy học nên phải đáp ứng các yêu cầu của một phần mềm dạy học nói chung.
Thứ hai, bài Thí nghiệm vật lý ảo (TNVL ảo) phải đáp ứng đầy đủ những mục tiêu và nội dung của một bài thí nghiệm vật lý.
Thứ ba, với đặc trưng là một bài thí nghiệm vật lý ảo nên trong bài thí nghiệm, những yêu cầu đối với một thí nghiệm ảo phải thể hiện rõ và đặc biệt phải đảm bảo tính thật và tính tương tác.
Thứ tư, phương pháp và hình thức tổ chức một bài thí nghiệm ảo dù là GV (giáo viên) trình diễn hay hướng dẫn HS (học sinh) tự làm các thí nghiệm ảo theo hướng tích cực hóa quá trình nhận thức của HS thì người GV phải thực hiện 3 công việc sau:
+ Phải xác định được vị trí của thí nghiệm ảo trong tiến trình bài học, tình huống xuất hiện thí nghiệm ảo trong khuôn khổ phương pháp dạy học mà