8. Những chữ viết tắt trong đề tài
2.2.1. Phƣơng pháp thực nghiệm trong dạy học VL
2.2.1.1. Phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu KH Vật lí
a) Khái niệm chung
Theo nhƣ chúng ta đã biết, các hiện tƣợng VL thì muôn màu, muôn vẻ, muốn nghiên cứu xem các sự vật, hiện tƣợng đó có những thuộc tính bản chất gì đặc trƣng thì trƣớc tiên phải xây dựng các khái niệm, các đại lƣợng VL đặc trƣng cho các thuộc tính bản chất, tất yếu của sự vật, hiện tƣợng VL.
VD: Để đặc trƣng cho chuyển động nhanh, chậm của các vật trong tự nhiên cần phải xây dựng khái niệm vận tốc.
Để đặc trƣng cho sự biến thiên vận tốc nhanh hay chậm cần phải xây dựng khái niệm gia tốc …
Khi nghiên cứu các quá trình VL, ngƣời ta thƣờng xác định các điều kiện cần thiết để hiện tƣợng xảy ra và lặp lại các điều kiện này để nghiên cứu tính quy luật của hiện tƣợng. Tính quy luật của các biến đổi của sự vật, hiện tƣợng thể hiện qua các mối liên hệ, sự phụ thuộc giữa các khái niệm, đại lƣợng chính là các qui tắc, định luật, thuyết, …VL.
VD: Quan hệ giữa độ biến thiên vận tốc với lực tác dụng lên vật và khối lƣợng của nó. Quan hệ giữa độ biến thiên động năng và công của ngoại lực tác dụng lên vật. Quan hệ giữa độ biến thiên động lƣợng và xung của lực…
Việc tìm ra các thuộc tính bản chất của sự vật hiện tƣợng và qui luật biến đổi của chúng là cơ sở để giải thích và tiên đoán về nhiều sự vật, hiện tƣợng cùng loại khác. Tuy nhiên, thực hiện đƣợc điều này không hề đơn giản, trong lịch sử VL còn ghi nhận những nhận định sai lầm về thuộc tính bản chất và quy luật biến đổi của các sự vật hiện tƣợng trong tự nhiên, cho đến khi Galilê đƣa ra PP nghiên cứu mới PPTN, thì KH VL mới thực sự có bƣớc tiến nhảy vọt.
d) Vai trò của PPTN trong KH VL
KH VL chuyển từ giai đoạn VL cổ điển sang giai đoạn VL hiện đại thì vai trò của PPTN cũng có ít nhiều thay đổi, song PPTN luôn đƣợc khẳng định nhƣ là một PP nghiên cứuquantrọng bậc nhất trong các ngành KH tự nhiên.
- Nó giúp nhà nghiên cứu KH có thể đề xuất ra một tri thức mới, một qui tắc VL, một định luật TN mới. Tri thức mới này đƣợc xây dựng dựa trên những dữ liệu TN đã thu đƣợc, và tiếp theo nó sẽ đƣợc lí giải một cách lí thuyết dựa trên những nghiên cứu lí thuyết của các nhà KH.
VD: Điều kiện cân bằng của vật có trục quay cố định, định luật khúc xạ ánh sáng…
- Hoặc nó cung cấp những bằng chứng TN mà nhờ đó các nhà KH có thể đối chiếu, khẳng định sự đúng đắn của những tri thức mới đã đƣợc đề xuất do kết quả nghiên cứu bằng con đƣờng lí thuyết.
VD: Thuyết tƣơng đối của Anh-xtanh đƣợc xây dựng từ những lí thuyết tổng quát trừu tƣợng mà đến vài chục năm sau ngƣời ta mới kiểm chứng đƣợc một phần nhờ TN.
Các phƣơng trình của Maxwell dự đoán rằng: Sóng điện từ có thể truyền trong không gian vối vận tốc hữu hạn, gần bằng vận tốc ánh sáng. Hai mƣơi năm sau Hertz chế tạo đƣợc máy phát sóng điện từ đầu tiên, khẳng định sự tồn tại của sóng điện từ bằng TN và xác nhận rằng: vận tốc của nó bằng vận tốc của ánh sáng.
- Hoặc nó cung cấp những bằng chứng TN mà từ đó các nhà KH sẽ chỉnh lí, bổ sung những MH không phù hợp với TN, hoặc đề xuất những giả thuyết, những lí thuyết mới.
VD: Tiên đề Bo bổ sung vào mẫu nguyên tử của Rutherford để giải thích ang phổ vạch của nguyên tử Hidro.
Thuyết lƣợng tử ánh sáng của Planck và công thức Einstein để giải thích các định luật quang điện.
Nhƣ vậy vai trò của PPTN trong VL hiện đại khác với trong VL cổ điển ở một số điểm: -Đƣa hệ quả của một giả thuyết KH đã có trƣớc vào kiểm chứng.
-Có thể xác nhận hay phủ định hệ quả (tức gián tiếp xác nhận hay phủ định kết quả nghiên cứu lí thuyết trƣớc đó).
-Kết luận từ TN có thể phù hợp hay không phù hợp với hệ quả, nếu kết luận phủ định hệ quả thì các nhà VL lí thuyết phải xét lại tòan bộ kết quả lí thuyết đã hình thành trƣớc đó, bắt đầu từ việc xây dựng lại MH.
e) Các bước cơ bản của PPTN
Có thể hình dung PPTN có các bƣớc chính nhƣ sau:
-Xuất phát từ quan sát trong tự nhiên hay trong TN để xác định rõ các vấn đề cần nghiên cứu, cần giải thích.
-Đƣa ra 1 giả thuyết để giải thích có tính chất dự đoán (hoặc MH giả thuyết rồi nhờ suy luận lôgic và toán học, nhà KH có thể từ MH giả thuyết đó mà rút ra một số hệ quả, mà các hệ quả này có thể kiểm chứng bằng TN).
-Sau đó, nhà KH bố trí thí nghiệm thích hợp để kiểm chứng giả thuyết (hoặc kiểm chứng hệ quả)với mức chính xác tin cậy đƣợc.
-Cuối cùng nếu sự kiểm tra đó thành công, nó khẳng định sự đúng đắn của giả thuyết và khi đó, giả thuyết đƣợc xem là một kiến thức VL chính xác.
Nhƣ vậy PPTN không phải đơn thuần là làm thí nghiệm một cách mò mẫm, ngẫu nhiên. Trƣớc khi làm thí nghiệm, nhà KH đã phải dựa vào những quan sát của mình hoặc của các nhà KH khác để nêu lên các câu hỏi cần giải đáp, nghĩa là vạch rõ mục đích làm thí nghiệm để làm sáng tỏ điều gì?
Tiếp đến là phải bố trí thí nghiệm nhƣ thế nào, điều kiện làm thí nghiệm cần phải có là gì để từ đó có thể thu đƣơc kết quả đơn giá. Những kết quả thu đƣợc, cần phải tổng hợp, khái quát hoá những kết quả đó để có thể thu đƣợc những kết luận có giá trị tổng quát.
Cuối cùng là những kết luận thu đƣợc có thể áp dụng để giải quyết những vấn đề gì rộng rãi hơn nữa trong thực tế, nằm ngoài những thí nghiệm đã làm không?
Các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu khoa học:
2.2.1.2. Phương pháp thực nghiệm trong dạy học Vật lí
a) Vai trò của PPTN trong dạy học VLPT VLPT chủ yếu là VL TN, nó giúp:
-Kích thích hoạt động học tập chủ động của HS bằng những tình huống có vấn đề. -Rèn luyện tƣ duy: trực giác nhạy bén, óc sáng tạo cho HS khi tham gia giải quyết các tình huống nhờ các kiến thức đã biết, kinh nghiệm, kĩ năng đã có, so sánh tình huống mới với các tình huống khác đã biết; biết tìm tòi ý tƣởng ban đầu (giả thuyết) để tìm lời giải đáp là kết luận cuối cùng (kết luận KH).
• Kinh nghiệm sống
• Quan sát tự nhiên
• Thí nghiệm, bài tập
• Câu chuyện lịch sử…
Làm nảy sinh vấn đề cần nghiên cứu
Giả thuyết
Hệ quả
Thí nghiệm kiểm tra
- Thiết kế phƣơng án thí nghiệm
- Lập kế hoạch TN
- Bố trí TN
- THTN thu thập dữ liệu
-HS biết kết hợp nhuần nhuyễn giữa quan sát, thí nghiệm và suy luận lí thuyết để đạt đƣợc sự thống nhất giữa lí luận và thực tiễn.
-HS rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo thực hành thí nghiệm sẽ hỗ trợ rất tốt cho việc phát hiện những đặc tính, quy luật của tự nhiên, kiểm tra sự đúng đắn của các kiến thức lí thuyết.
b) Các giai đoạn của PPTN trong DH VL
Để giúp HS có thể bằng những hoạt động của bản thân mình mà tái tạo, chiếm lĩnh đƣợc các kiến thức VL thì tốt nhất là GV phỏng theo PPTN của các nhà KH mà tổ chức cho HS hoạt động theo các giai đọan sau:
* Giai đoạn 1: GV mô tả một hoàn cảnh thực tiễn hay biểu diễn một vài thí nghiệm và
yêu cầu các em dự đoán diễn biến của hiện tƣợng, tìm nguyên nhân hoặc xác lập một mối quan hệ nào đó, tóm lại là nêu lên một câu hỏi mà HS chƣa biết câu trả lời, cần phải suy nghĩ tìm tòi mới trả lời đƣợc.
* Giai đoạn 2: GV hƣớng dẫn, gợi ý cho HS xây dựng một câu trả lời dự đoán ban đầu, dựa vào sự quan sát tỉ mỉ, kĩ lƣỡng, vào kinh nghiệm của bản thân, vào những kiến thức đã có…(Ta gọi là xây dựng giả thuyết). Những dự đoán này có thể còn thô sơ, có vẽ hợp lý nhƣng chƣa chắc chắn.
* Giai đoạn 3: Từ giả thuyết dùng suy luận lôgic hay suy luận toán học suy ra hệ quả: Dự đoán một hiện tƣợng trong thực tiễn, một mối quan hệ giữa các đại lƣợng VL.
* Giai đoạn 4: Xây dựng và thực hiện một phƣơng án thí nghiệm để kiểm tra xem hệ
quả dự đoán ở trên có phù hợp với kết quả TN không. Nếu phù hợp thì giả thuyết trên trở thành chân lý, nếu không phù hợp thì phải xây dựng giả thuyết mới.
* Giai đoạn 5: Ứng dụng kiến thức, HS vận dụng kiến thức để giải thích hay dự đoán
một số hiện tƣợng trong thực tiễn, để nghiên cứu các thiết bị KT. Thông qua đó trong một số trƣờng hợp, sẽ đi tới giới hạn áp dụng của kiến thức và xuất hiện mâu thuẫn nhận thức mới cần giải quyết.
c) Các mức độ sử dụng PPTN trong DHVL
Những bài học mà HS có thể tham gia đầy đủ vào các bƣớc trên không nhiều. Đó là những bài mà việc xây dựng giả thuyết không đòi hỏi phải phân tích quá phức tạp và có thể kiểm tra giả thuyết bằng những thí nghiệm đơn giản sử dụng những dụng cụ đo lƣờng mà HS quen thuộc.
VD: Bài Rơi tự do, Định luật III Newton, Quy tắc Momen về sự cân bằng của vật rắn có trục quay cố định, Định luật Bôilơ Mariốt, Định luật Bernoulli, Hiện tƣợng căng mặt ngoài, Định luật phản xạ ánh sáng,…
Trong trƣờng hợp, HS gặp khó khăn thì GV có thể sử dụng PPTN ở các mức độ khó dễ khác nhau ở từng bƣớc của PPTN. Nhƣ vậy tuỳ theo từng đối tƣợng HS, nội dung bài học, trang thiết bị hiện có mà ta áp dụng các mức độ khác nhau cho phù hợp.
Mức 1: HS đƣợc GV gợi ý xây dựng giả thuyết, phƣơng án thí nghiệm kiểm tra giả thuyết và rút ra kết luận.
Mức 2: HS tham gia xây dựng giả thuyết, phƣơng án thí nghiệm kiểm tra giả thuyết và rút ra kết luận.
Mức 3: HS tự lực xây dựng giả thuyết, phƣơng án thí nghiệm kiểm tra giả thuyết và rút ra kết luận dƣới sự giám sát và giúp đỡ của GV.
d) Hƣớng dẫn HS hoạt động trong mỗi giai đoạn của PPTN trong DH VL
Những bài học mà HS có thể tham gia đầy đủ vào cả 5 giai đoạn không nhiều. Đó là nhiều bài học mà việc xây dựng giả thuyết không đòi hỏi một sự phân tích quá phức tạp và có thể kiểm tra giả thuyết bằng những thí nghiệm đơn giản sử dụng những dụng cụ đo lƣờng mà HS đã quen thuộc.
Trong nhiều trƣờng hợp, HS gặp khó khăn không thể vƣợt qua đƣợc thì có thể sử dụng PPTN ở các mức độ khác nhau, thể hiện ở các mức độ HS tham gia vào các giai đoạn của PPTN.
* Giai đoạn 1:
- Mức độ 1: HS tự lực phát hiện vấn đề, nêu câu hỏi. GV giới thiệu hiện tƣợng xảy ra
đúng nhƣ thƣờng thấy trong tự nhiên để cho HS tự lực phát hiện những tính chất hay những mối quan hệ đáng chú ý cần nghiên cứu.
- Mức độ 2: GV tạo ra một hoàn cảnh đặc biệt trong đó xuất hiện một hiện tƣợng mới
lạ, lôi cuốn sự chú ý của HS, gây cho họ sự ngạc nhiên, sự tò mò, từ đó HS nêu ra một vấn đề, một câu hỏi cần giải đáp.
- Mức độ 3: GV nhắc lại 1 vấn đề, một hiện tƣợng đã biết và yêu cầu HS phát hiện xem trong vấn đề hay hiện tƣợng đã biết, có chỗ nào chƣa đƣợc hoàn chỉnh, đầy đủ cần nghiên cứu.
* Giai đoạn 2: Risa Faayman cho rằng: “Các định luật VL có nội dung rất đơn giản, nhƣng biểu hiện của chúng trong thực tế lại rất phức tạp”. Bởi vậy, từ sự phân tích các hiện tƣợng thực tế đến việc dự đoán những mối quan hệ đơn giản nêu trong các định luật là cả một nghệ thuật. Cần phải làm cho HS quen dần.
- Mức độ 1: Dự đoán định tính: Trong những hiện tƣợng thực tế phức tạp, dự đoán về
nguyên nhân chính, mối quan hệ chính chi phối hiện tƣợng. Có rất nhiều dự đoán mà ta phải lần lƣợt tìm ra cách bác bỏ.
- Mức độ 2: Dự đoán định lƣợng: Những quan sát đơn giản khó có thể dẫn tới một
dự đoán về mối quan hệ hàm số, định lƣợng giữa các đại lƣợng vật lí biểu diễn các đặc tính của sự vật, các mặt của hiện tƣợng. Nhƣng các nhà VL nhận thấy rằng: Những mối quan hệ định lƣợng đó thƣờng đƣợc biểu diễn bằng một số ít hàm số đơn giản nhƣ: tỉ lệ thuận, tỉ lệ nghịch, hàm số bậc nhất …
- Mức độ 3: Những dự đoán đòi hỏi một sự quan sát chính xác, tỉ mỉ, một sự tổng hợp nhiều sự kiện TN, không có điều kiện thực hiện ở trên lớp, tóm lại là vƣợt quá khả năng của HS. Ở đây GV dùng PP kể chuyện lịch sử để giới thiệu các giả thuyết mà các nhà bác học đã đƣa ra.
* Giai đoạn 3: Việc suy ra hệ quả đƣợc thực hiện bằng suy luận logic hay suy luận toán học. Thông thƣờng, ở trƣờng phổ thông các phép suy luận này không quá khó vì
biểu hiện trong thực tế của các kiến thức VL rất phức tạp, cho nên điều kiện khó khăn là hệ quả suy ra phải đơn giản, có thể quan sát, đo lƣờng đƣợc trong thực tế.
- Mức độ 1: Hệ quả có thể quan sát, đo lƣờng trực tiếp.
- Mức độ 2: Hệ quả không quan sát đƣợc trực tiếp bằng các dụng cụ đo mà phải tính toán gián tiếp qua việc đo các đại lƣợng khác.
- Mức độ 3: Hệ quả suy ra trong điều kiện lí tƣởng. Có nhiều trƣờng hợp, hiện tƣợng thực tế bị chi phối bởi rất nhiều yếu tố tác động không thể loại trừ đƣợc, nhƣng ta chỉ xét quan hệ giữa một số rất ít yếu tố. Nhƣ vậy, hệ quả suy ra từ giả thuyết chỉ là gần đúng.
* Giai đoạn 4: Việc bố trí thí nghiệm kiểm tra thực chất là tạo ra những điều kiện đúng nhƣ những điều kiện đã nêu trong việc suy ra hệ quả.
- Mức độ 1: Thí nghiệm đơn giản, HS đã biết cách thực hiện các phép đo, sử dụng
các dụng cụ đo.
- Mức độ 2: HS đã biết nguyên tắc đo các đại lƣợng nhƣng việc bố trí thí nghiệm cho
sát với các điều kiện lý tƣởng có khó khăn. GV phải giúp đỡ bằng cách giới thiệu phƣơng án làm để HS thực hiện.
- Mức độ 3: Có nhiều trƣờng hợp thí nghiệm kiểm tra là những thí nghiệm kinh điển
rất tinh tế, không thể thực hiện ở trƣờng phổ thông. Trong trƣờng hợp này, GV mô tả cách bố trí thí nghiệm rồi thông báo kết quả các phép đo để HS gia công các số liệu, rút ra kết luận hoặc GV thông báo cả kết luận.
* Giai đoạn 5: Những ứng dụng của các định luật thƣờng có 3 dạng. Giải thích hiện tƣợng, dự đoán hiện tƣợng và chế tạo thiết bị đáp ứng một yêu cầu của đời sống, sản xuất.
- Mức độ 1: Ứng dụng trong đó HS chỉ cần vận dụng định luật VL để làm sáng tỏ
nguyên nhân của hiện tƣợng hoặc tính toán trong điều kiện lí tƣởng. Vật chỉ bị chi phối bởi vài định luật đang nghiên cứu. Đó có thể là những bài tập do GV nghĩ ra, chứ không có ý nghĩa trong đời sống hay sản xuất hằng ngày.
- Mức độ 2: Xét một ứng dụng KT đã đƣợc đơn giản hóa để có thể chỉ cần áp dụng
một vài định luật VL.
- Mức độ 3: Xét một ứng dụng KT trong đó không chỉ áp dụng các định luật VL mà còn