8. Những chữ viết tắt trong đề tài
2.4. Phương pháp tương tự trong nghiên cứu Vật lí
2.4.1. Vai trò của phương pháp tương tự
Phương pháp tương tự có giá trị to lớn trong nhận thức khoa học cũng như trong hoạt động thực tiễn của con người.
Trong lịch sử phát triển của Vật lí học, sự tương tự là một sự dẫn đư ờng cho sự nghiên cứu, cho phép xây dựng các mô hình, các lí thuyết mới, đề xuất những tư tưởng mới.
Quang hình học được xây dựng trên cơ sở sự tương tự giữa tia sáng và một chùm hạt.
Với quan niệm ánh sáng là những hạt rất nhỏ bay ra từ nguồn sáng với vận tốc rất lớn, Niutơn đã giải thích tính chất của ánh sáng trong sự phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, phân cực
Quang học sóng được xây dựng trên cơ sở sở sự tương tự giữa sóng ánh sáng và sóng trên mặt nước, sóng trong môi trường đàn hồi. Huyghen đã pháy hiện sự tương tự giữa sự
lan truyền âm và ánh sáng, vận dụng lý thuyết về sóng cơ học (cụ thể là sóng âm) để
nghiên cứu ánh sáng, đã giải thích được nhiều hiện tượng quang học và mở đường cho sự
phát triển của quang học và điện động lực học.
Mắc-xoen cũng đã sử dụng sự tương tự với chuyển động của chất lỏng trong nghiên cứu về điện trường và từ trường, đưa ra các khái niệm tương tự với các khái niệm về
chuyển động của chất lỏng (ống dòng,điện thông, từ thông, nguồn,…). Ông cũng rút ra
bản chất sóng của các hiện tượng điện từ từ sự lan truyền sóng ánh sáng.
Các mô hình nguyên tử của Rudơpho và của Bo đều được xây dựng dựa trên sự tương
tựgiữa hệ mặt trời và hệ nguyên tử…
Một ví dụ điển hình của việc sử dụng phương pháp tương tự là việc xây dựng cơ học lượng tử. Người ta đã xây dựng cơ học sóng (một hình thức của cơ học lượng tử) xuất
phát từ sự tương tự Quang-Cơ, sự tương tự giữa quang hình và cơ học cổ điển (ví dụ: Sự tương tự giữa nguyên lý Fecma trong quang hình với nguyên lý tác dụng tối thiểu trong cơ học).
Quá trình so sánh tương tự các đối tượng, ngay cả khi so sánh các đặc điểm bên ngoài không những giúp làm sáng tỏ các hiện tượng ở nhiều lĩnh vực khác nhau, phát hiện được cái cụ thể, cái riêng mà còn giúp làm bộc lộ những đặc điểm bản chất và chung của một
chuỗi các đối tượng, thâu tóm các mối quan hệ giữa chúng, tạo thành các lớp đối tượng để từ đó, khái quát hóa thành các nguyên lý. Các mối quan hệ, định luật càng có tầm khái quát thì càng phải sử dụng đến phương pháp tương tự. Viên đã so sánh quá trình điều
khiển trong kỹ thuật với các quá trình trong các cơ thể sống và đã đi đến kết luận: Có
những quy luật như nhau tồn tại. Cách so sánh tương tự của ông đã tạo nên cơ s ở cho điều khiển học như là một ngành khoa học mới, bao quát rất nhiều lĩnh vực tri thức khác
nhau (lý thuyết thông tin, lý thuyết các máy tính và các hệ tự điều chỉnh). Chúng chi phối
những đối tượng rất khác nhau nhưng tương tự nhau: Các cơ chế máy móc, các cơ quan
của các sinh vật, máy tính, bộ óc,…
2.4.2. Giới hạn áp dụng của suy luận tương tự
Tuy nhiên, khi vượt quá phạm vi cho phép, suy luận tương tự lại làm kì m hãm bước
tiến nhận thức của con người và do vậy, suy luận tương tự dễ tạo ra những đư ờng mòn, những thói quen cản trở sự hình thành những tư tưởng mới, những phương pháp mới.
Các ví dụ:
- Trong khi thuyết hạt của Niutơn được công nhận lúc bấy giờ thì thuyết sóng của
Huyghen giải thích các tính chất của ánh sáng lại không được chú ý trong gần một thế kỷ.
- Sự tương tự giữa sóng ánh sáng và sóng cơ học có vai trò tích cực trong việc hình thành quang học sóng và điện động lực học nhưng trong giai đoạn sau, sự tương tự đó và khái niệmête vũ trụ đã là trở ngại cho sự phát triển thuyết tương đối và thuyết lượng tử.
- Việc mở rộng sự tương tự giữa sự lan truyền âm và ánh sáng cho sự tương tự trong đặc trưng của sóng ánh sáng đã ngăn cản việc giải thích sự phân cực ánh sáng quan sát được. Hiện tượng này chỉ có thể giải thích đư ợc nếu nhận ra đặc trưng sóng ngang của
sóng ánh sáng, khác với đặc trưng sóng dọc của sóng âm.
2.5.PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG TỰ TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ
2.5.1. Sự cần thiết của việc sử dụng phương pháp tương tự trong dạy học Vật lí
Quá trình hướng dẫn HS giải quyết các vấn đề học tập phỏng theo những cách mà các nhà khoa học đã sử dụng đòi hỏi phải cho HS làm quen với phương pháp tương tự, một phương pháp được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu Vật lí.
Trong quá trình HS sử dụng phương pháp tương tự để giải quyết các vấn đề học tập, HS được rèn luyện một loạt các thao tác tư duy, được phát triển niềm tin vào mối liên hệ
có tính khái quát, có tính quy luật của các sự vật, hiện tượng tự nhiên đa dạng và phong phú.
Việc sử dụng phương pháp tương tự góp phần nâng cao hiệu quả giờ học thể hiện trước hết ở tính sâu sắc, tính hệ thống của các kiến thức vì nó tạo ra điều kiện cho HS liên kết cái chưa biết với cái đã biết, phát hiện những mối liên hệ giữa các hệ thống khác nhau ở các phần khác nhau của Vật lí cũng như những dấu hiệu giống nhau và khác nhau của
chúng.
Việc sử dụng PPTT còn làm cho HS dễ hình dung các hiện tượng, quá trình Vật lí
không thể quan sát trực tiếp được (ví dụ: Sử dụng dao động của con lắc lò xo để trực
quan hóa quá trình xảy ra và sự biến đổi của các đại lượng Vật lí trong mạch dao động
điện LC), dễ hiểu hơn các khái niệm trừu tượng (ví dụ: Sử dụng sự tương tự giữa dòng
điện và dòng nước chảy để minh họa các khái niệm dòngđiện và hiệu điện thế).
Điều kiện dạy học ở trường phổ thông (thời gian, tình trạng thiết bị) nhiều khi chỉ cho phép đề cập sâu một đối tượng (vật đại diện) rồi sử dụng SLTT rút ra các kết luận cho đối tượng khác tương tự với nó.
Ví dụ: Các kết luận về tính chất của chất khí đứng yên phần lớn được suy luận từ các
kiến thức thu được qua nghiên cứu các tính chất của chất lỏng đứng yên và không phải
kết luận nào cũng có thể kiểm tra được bằng các dụng cụ thí nghiệm hiện có ở trường phổ thông. Đó cũng là một trong những lí do mà thủy tĩnh học và khí tĩnh học đư ợc đề cập song song trong chương trình Vật lí ở các nước.
Vì những lí do nêu trên, sự tương tự và PPTT là đối tượng của dạy học Vật lí ở trường
phổ thông.
2.5.2. Các khả năng sử dụng sự tương tự và phương pháp tương tự trong DHVật lí
Có thể sửdụng sự tương tự ở các giai đoạn khác nhau của quá trình dạy học, nhưng có
giá trị hơn cả là việc sử dụng PPTT để xây dựng kiến thức mới, ngay cả trong những trường hợp mà điều kiện thiết bị thí nghiệm ở trường phổ thông chưa cho phép kiểm tra
các giả thuyết rút ra bằng SLTT.
Ví dụ như: Sử dụng PPTT trong dạy học để xét các tính chất của ảnh qua thấu kính trên cơ sở sự tương tự của thấu kính và gương cầu ở lớp 12, để nghiên cứu dao động điện
dựa trên sự tương tự của nó với dao động cơ học ở lớp 12, để đề cập tính chất sóng của ánh sáng trên cơ sở sự tương tự của nó với sóng nước ở lớp 12, để nghiên cứu chuyển động tròn của chất điểm và chuyển động quay của vật rắn ở lớp 12 trung học chuyên ban A dựa trên các kiến thức mà học sinh đã biết về chuyển động thẳng.
Trong dạy học Vật lí, người ta cũng sử dụng PPTTđể xây dựng kiến thức mới, minh
họa các quá trình Vật lí không thể quan sát được hoặc hệ thống hóa kiến thức.
Ví dụ:
Dao động con lắc lò xo và mạch dao động LC tuy khác nhau về bản chất nhưng có sự tương tự về các đại lượng đặc trưng cho sự dao động. Dựa vào PPTT ta có thể so sánh ta
có thể hiểu rõ và nắm chắc hơn kiến thức nội dung này.
Hiện tượng khác nhau nhưng quá trình xảy ra lại
giống nhau.
Dao động cơ So sánh Dao động điện LC
Sự chuyển hóa tuần
hoàn giữa thế năng
của lò xo và động năng của vật.
Sự chuyển hóa năng lượng.
Sự chuyển hóa tuần
hoàn giữa năng lượng điện và năng lượng từ.
Các đại lượng tương đương - Thế năng của lò xo: 2 2 kx Wt - Động năng của vật: 2 2 mv Wđ Các dạng năng lượng.
- Năng lượng điện trường trong tụ điện:
C q Wc 2 2
- Năng lượng tử trong
cuộn dây: 2 2 i L L W m k Tần số LC 1
Sự chuyển hóa cơ năng thành nội năng
do ma sát.
Nguyên nhân tắt
dần
Sự chuyển hóa năng lượng điện từ thành nội năng do điện trở. Cấu trúc lý thuyết giống nhau 0 2 '' x x ) cos( ) (t A t x ) sin( . ) (t V0 t v x t a( )2 Phương trình dao động: Nghiệm: 0 2 '' q q ) cos( . ) (t q0 t q ) sin( . ) (t I0 t i C t q t u( ) ( )
2.5.3. Một số yêu cầu khi sử dụng sự tương tự và phương pháp tương tự
Phương pháp tương tự sử dụng trong dạy học Vật lí nhìn chung cũng có các giai đoạn cơ bản như đã nêuở trên. Việc thực hiện các giai đoạn của PPTT nhiều khi kéo dài trong một số bài học. Yêu cầu cao nhất đối với việc sử dụng PPTT trong dạy học là: HS phải được tự lực cao ở mức có thể được trong tất cả các giai đoạn của PPTT, ngay cả ở giai đoạn lựa chọn đối tượng đang nghiên cứu.
Việc đề cập sự tương tự không phải lúc nào cũng như sự diễn ra trong lịch sử phát
triển Vật lí. Việc lựa chọn đối tượng so sánh, mức độ nông sâu của sự tương tự được đề
cập trong dạy học phụ thuộc không những vào cấu trúc và nội dung của chương trình học
tập mà còn phụ thuộc vào đặc điểm lứa tuổi của HS. Mặc dù vậy. đối tượng đem so sánh
Điều kiện cơ bản cho việc sử dụng PPTT đạt kết quả là HS phải có vốn hiểu biết về đối tượng đem so sánh từ những bài học t rước, từ kinh nghiệm sống hoặc dễ hình dung
đối với HS tuy mới tiếp xúc lần đầu.
Khi sử dụng sự tương tự, phải làm sáng tỏ phạm vi của sự tương tự, phát hiện không
những các dấu hiệu giống nhau mà còn cả những dấu hiệu khác nhau; đặc biệt là dấu hiệu khác nhau cơ bản để phân biệt chúng với nhau. Nhờ vậy, việc sử dụng sự tương tự sẽ
giúp hiểu sâu hơn các đối tượng đem so sánh và tránh được việc rút ra kết luận sai lầm.
Ví dụ:
+ Trong việc sử dụng sự tương tự giữa lực đàn hồi và lực liên kết phân tử, phải nhấn
mạnh với học sinh: Đây chỉ là sự minh họa cho dễ hiểu, chứ kích thước của các hạt nhỏ hơn rất nhiều hai quả cầu dù nhỏ đến mấy, lực giữa các hạt không phải là lực đàn hồi của
lò xo và cũng không phải chỉ có hai hạt.
+ Khi sử dụng sự tương tự giữa dòngđiện và dòng nước chảy, dần dần phải cho học
sinh rõ: Có một loạt các hiện tượng điện không có sự tương ứng ở dòng nước chảy như:
Dòng điện có thể là dòng chuyển động của các điện tích dương và điện tích âm, xung
quanh dây dẫn có dòng điện chạy qua tồn tại từ trường, các điện tích chuyển động trong
từ trường thì chịu tác dụng của lực Lorenxơ… Qua đó, HS sẽ hiểu hơn về dòngđiện và phạm vi của sự tương tự giữa dòngđiện và dòng nước chảy.
+ Khi sử dụng sự tương tự giữa dao động cơ học và dao động điện, bên cạnh việc nêu những sự giống nhau về các đặc trưng, quy luật biến đổi theo thời gian của các đại lượng tương ứng, cần chỉ ra rằng: Hai loại dao động này có bản chất Vật lí hoàn toàn khác nhau
(dao động cơ học là chuyển động của một vật nặng tuân theo định luật Niutơn, dao động điện là quá trình biến đổi của điện tích trong mạch điện tuân theo các định luật điện từ): trong trường hợp dao động cơ học của con lắc lò xo, lyđộ x có thể quan sát trực tiếp được, cònở dao động điện, sự biến thiên tuần hoàn của hiệu điện thế u và dòngđiện i chỉ
có thể nhận biết nhờ các máy đo điện, trong đó có dao động ký điện tử.
Phải lưu ý cho HS: Những kết luận rút ra bằng SLTT chỉ có tính chất giả thuyết, phải được kiểm tra ở bản thân đối tượng đang nghiên cứu thông qua thực nghiệm.
Chương 3.BỒI DƯỠNG HỌC SINH NĂNG LỰC TỰ HỌC TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ Ở TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
3.1. KHÁI NIỆM NĂNG LỰC
“Năng lực là những thuộc tính tâm lý riêng của cá nhân, nhờ những thuộc tính này mà con người hoàn thành tốt đẹp một loại hoạt động nào đó, mặc dù phải bỏ ra ít sức lao động nhưng vẫn đạt kết quả cao ”. [5, tr 128]
Người có năng lực về một mặt nào đó thì không phải nỗ lực nhiều trong quá trình công tác mà vẫn khắc phục được những khó khăn một cách nhanh chóng và dễ dàng hơn
những người khác hoặc có thể vượt qua được những khó khăn mới mà nhiều người khác không vượt qua được.
Năng lực gắn liền với kĩ năng, kĩ xảo trong lĩnh vực hoạt động tương ứng. Song kĩ năng, kĩ xảo liên quan đến việc thực hiện một loại hành động hẹp, chuyên biệt, đến mức
thành thạo, tự động hóa, máy móc. Còn năng lực chứa đựng yếu tố mới mẻ, linh hoạt trong hành động, có thể giải quyết nhiệm vụ thành công trong nhiều tình huống khác
nhau, trong một lĩnh vực hoạt động rộng hơn. Ví dụ: người có kĩ năng, kĩ xảo thực hiện các phép đo lường thì có thể thực hiện nhanh chóng, chính xác các phép đo, khéo léo lắp
ráp các thiết bị để đo lường. Còn người có năng lực thực nghiệm thì ngoài việc thực hiện các phép đo, còn có việc thiết kế các thí nghiệm, xử lý các số liệu đo lường rút ra kết quả,
giải thích, đánh giá các kết quả đo được, rút ra kết luận khái quát.
3.2. SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC
Nguồn gốc phát sinh và quá trình phát triển năng lực là một vấn đề phức tạp, tuân theo
quy luật chung của sự phát triển nhân cách. Tâm lý học hiện đại cho rằng: “Con người mới sinh ra chưa có năng lực, chưa có nhân cách. Chính trong quá trình sống, học tập, lao động, giao lưu con người đã hình thành và phát triển nhân cách của mình. Sự hình thành và phát triển năng lực của con người chịu sự tác động của nhiều yếu tố trong đó có yếu tố sinh học, yếu tố hoạt động của chủ thể và yếu tố giao lưu xã hội.” [5, tr 129]
3.2.1. Yếu tố sinh học: Vai trò của di truyền trong sự hình thành năng lực
Di truyền là sự tái tạo ở trẻ em những thuộc tính sinh học đã có ở cha mẹ, là sự truyền
lại từ cha mẹ đến con cái những đặc điểm và những phẩm chất nhất định đãđược ghi lại
trong hệ thống gien. Những đặc điểm về giải phẫu sinh lý, nhất là về hệ thần kinh cao cấp
của con người được gọi là “tư chất”. Di truyền tạo ra những điều kiện ban đầu để con người có thể hoạt động có kết quả trong lĩnh vực nhất định. Tuy nhiên, di truyền không
thể quy định những giới hạn tiến bộ của xã hội loài người nói chung và của từng người