PP thực nghiệm trong DH Vật lí là PPDH vận dụng PP thực nghiệm của quá trình sáng tạo khoa học trong DH Vâ ̣t lí.
Thực chất của PP DH này là ở chỗ GV tổ chức chỉ đạo hoạt động học tập của HS theo các bƣớc tƣơng tự nhƣ các giai đoạn của PP thực nghiệm trong quá trình sáng tạo khoa học, để phát huy tính tích cực, tự giác sáng tạo của HS trong quá trình lĩnh hội tri thức một cách sâu sắc, vững chắc. Đồng thời qua đó góp phần phát huy năng lực nhận thức sáng tạo của HS.
3.1.1. PP thực nghiệm trong nghiên cứu khoa học Vật lí
a. Khái niệm PP thực nghiệm
Để có thể khái quát hóa các sự kiện thực tế và xây dựng các giả thuyết khoa học về hiện tƣợng nghiên cứu, các nhà khoa học phải tổ chức tiến hành TN để khảo sát hiện tƣợng trong những điều kiện xác định và dựa trên kết quả của TN đó để thu đƣợc những tài liệu thực tế làm cơ sở xuất phát cho sự hoàn thành các giả thuyết. Để kiểm tra cho sự đúng đắn của các kết luận lí thuyết thu đƣợc nhờ suy luận logic từ mô hình giả thuyết (và cũng là để kiểm tra sự đúng đắn của chính bản thân giả thuyết) lại phải tiến hành TN để có thể đối chiếu lại kết quả của TN với những TN nhƣ thế gọi là PP thực nghiệm.
PP thực nghiệm là một PPNT khoa học đƣợc thực hiện khi nhà nghiên cứu tìm tòi xây dựng phƣơng án và tiến hành thí nghiệm, nhằm dựa trên kết quả của TN để xác lập giả thuyết hoặc kiểm tra một giả thuyết nào đó.
PP thực nghiệm nói ở đây là nói về PPNT trong quá trình sáng tạo khoa học, chứ không phải đơn thuần là cách thức tiến hành một TN có sẵn. Quá trình nhận thức này đòi hỏi tƣ duy sáng tạo, khi áp dụng các PP thực nghiệm, các nhà nghiên cứu phải tìm tòi, thiết kế phƣơng án TN. Trong việc đề xuất phƣơng án TN. Trong việc đề xuất phƣơng án TN để có thể kiểm tra giả thuyết đã nêu ra hoặc nêu đƣợc những thông tin cần thiết cho việc xác lập giả thuyết, tƣ duy sáng tạo có vai trò rất quan trọng.
b. Vai trò, vị trí của PP thực nghiệm
Sơ đồ ngắn gọn của quá trình nhận thức nói chung đã đƣợc Lênin nêu lên: “Từ trực quan sinh động đến tƣ duy trừu tƣợng, rồi từ tƣ duy trừu tƣợng đến thực tiễn. Đó là con đƣờng biện chứng của nhận thức của nhận thức chân lí, nhận thức thực tế khái quát”.
Phù hợp với quá trình nhận thức nói chung mà Lenin đã chỉ ra, quá trình sáng tạo của khoa học Vâ ̣t lí là quá trình đi từ sự khái quát hóa những sự kiện thực tế xuất phát đến xây dựng mô hình trừu tƣợng của hiện tƣợng (đề xuất giả thuyết), rồi từ mô hình dẫn đến việc rút ra các hệ quả lí thuyết và từ hệ quả của các lí thuyết dẫn đến sự kiểm tra chúng bằng thực nghiệm và ứng dụng chúng trong thực tiễn. Trong quá trình sáng tạo khoa học này, nhà nghiên cứu đã sử dụng các PPNT khoa học, trong đó đặc biệt là PP thực nghiệm.
Nhờ PP thực nghiệm ta đề xuất đƣợc tri thức, định luật mới (định luật thực nghiệm) và tiếp theo, tri thức đó sẽ đƣợc lí giải dựa trên những nghiên cứu lí thuyết.
Ngoài ra, PP thực nghiệm còn cung cấp những bằng chứng thực nghiệm cần thiết cho việc đối chiếu, hợp thức hóa, khẳng định giá trị hoặc chỉnh lí, bổ sung hay bác bỏ những kết luận đã đƣợc đề xuất do kết quả của PP nghiên cứu lí thuyết. Bên cạnh đó, PP thực nghiệm cung cấp những bằng chứng thực nghiệm mới dẫn tới sự cần thiết phải xây dựng các giả thuyết khoa học mới.
c. Nội dung của PP thực nghiệm
PP thực nghiệm do Galile sáng lập và đƣợc các nhà khoa học khác hoàn chỉnh. Spaski đã nêu lên thực chất của PPTN nhƣ sau:
“Xuất phát từ quan sát thực tế và thực nghiệm, nhà khoa học xây dựng một giả thuyết (dự đoán). Giả thuyết đó không chỉ đơn thuần là sự tổng quát hóa các sự kiện thực nghiệm đã làm, nó còn chứa đựng một cái gì mới mẻ, không có sẵn trong từng TN cụ thể. Bằng phép suy luận logic và bằng toán học, các nhà khoa học có thể từ
giả thuyết đó mà rút ra một số hệ quả, tiên đoán một số sự kiện mới trước đó chưa biết đến. Những hệ quả và sự kiện này lại có thể dùng thực nghiệm mà kiểm tra lại được và nếu sự kiểm tra đó thành công, nó khẳng định một giả thuyết, biến giả thuyết thành định luật Vật lí chính xác”. [6 tr 94]
Nhƣ vậy, PP thực nghiệm không phải là làm TN đơn thuần, không phải là sự quy nạp đơn giản mà là sự phân tích sâu sắc các sự kiện thực nghiệm, tổng quát hóa nâng lên mức lí thuyết và phát hiện ra bản chất của sự vật. Đó là sƣ̣ thống nhất giƣ̃a thí nghiệm và lí thuyết nhằm mục đích nhận thức thiên nhiên , nhận thƣ́c chân lí . Niuton đã làm rõ quan điểm đó bằng 4 nguyên tắc sau:
- Quy tắc 1: Đối với mỗi hiện tƣợng , không thƣ̀ a nhâ ̣n nhƣ̃ng nguyên nhân nào khác ngoài những nguyên nhân đủ để giải thích nó . Quy tắc này là sƣ̣ khẳng đi ̣nh vai trò của lí trí con ngƣời trong sƣ̣ nhâ ̣n thƣ́c chân lí , gạt bỏ những quan điểm tôn giáo, kinh viê ̣n, không có liên quan đến khoa ho ̣c .
- Quy tắc 2: Bao giờ cũng quy nhƣ̃ng hiê ̣n tƣợng nhƣ nhau về cùng mô ̣t nguyên nhân. Quy tắc này thể hiê ̣n tƣ tƣởng nhân quả : mô ̣t nguyên nhân xác đi ̣nh phải gây ra mô ̣t hê ̣ quả xác đi ̣nh .
- Quy tắc 3: Tính chất của tất cả các vật có thể đem ra thí nghiệm đƣợc , mà không thể làm cho nó tăng lên hoă ̣c giảm xuống thì đƣợc coi là tính chất của mo ̣i vâ ̣t nói chung. Quy tắc này là sƣ̣ quy na ̣p khoa ho ̣c, cho phép ta khái quát hóa nhƣ̃ng trƣờng hợp riêng lẻ để tìm ra nhƣ̃ng đi ̣nh luâ ̣t tổng quát .
- Quy tắc 4: Bất kì khẳng đi ̣nh nào rút ra tƣ̀ thƣ̣c nghiê ̣m bằng PP quy na ̣p đều là đúng khi nào chƣa có hiê ̣n tƣợng kh ác giới hạn hoặc mâu thuẫn với khẳng địng đó . Quy tắc này thể hiê ̣n quan điểm biê ̣n chƣ́ng về tính tƣơng đối và tuyê ̣t đối của chân lí. Nó thừa nhận mỗi chân lí khoa học đều có thể đƣợc chính xác hóa thêm , đƣợc hoàn chỉnh thêm tƣ̀ng bƣớc mô ̣t , nhƣng trong mỗi bƣớc của quá trình nhâ ̣n thƣ́c nó vẫn có giá tri ̣ khoa ho ̣c .
Với PP và tƣ tƣởng nói trên , Niuton đã đƣợc nhƣ̃ng thành tƣ̣u rƣ̣c rỡ trong nghiên cƣ́u cơ ho ̣c và ảnh hƣởng đến toàn bô ̣ sƣ̣ phát triển của Vâ ̣t lí học trong nhiều thế kỉ sau.
PP thực nghiệm hiểu theo nghĩa trên là bao gồm cả quá trình tìm tòi từ ý tƣợ ng ban đầu đến kết luận cuối cùng. Nhƣng trong sự phát triển của Vâ ̣t lí học có khi quá trình phát sinh ra một định luật rất lâu dài và phức tạp, mỗi nhà bác học chỉ thực hiện một khâu trong quá trình đó.
Ngày này có thể hiểu PP thực nghiệm theo nghĩa hẹp chỉ gồm hai giai đoạn sau: Từ giả thuyết rút ra hệ quả và dùng TN để kiểm tra lại hệ quả đó.
d. Các giai đoạn của PP thực nghiệm trong nghiên cứu khoa học
3.1.2. PP thực nghiệm trong DH Vật lí
Thực chất của PP DH này là ở chỗ: GV tổ chức, chỉ đạo các hoạt động học tậpcủa HS theo các bƣớc tƣơng tự nhƣ các giai đoạn của PP thực nghiệm trong quá trình sáng tạo khoa học để phát huy tính tích cực, tự giác, sáng tạo của HS trong quá trình lĩnh hội kiến thức, làm cho HS lĩnh hội đƣợc kiến thức một cách sâu sắc, vững chắc, đồng thời qua đó góp phần phát huy năng lực nhận thức sáng tạo của HS.
Tất nhiên khi áp dụng PP thực nghiệm trong DH Vâ ̣t lí, GV phải sử dụng TN (dƣới dạng TN biểu diễn của GV và TN của HS làm). Không sử dụng TN thì không thể nói đến PP thực nghiệm nhƣ vừa nói ở trên. Bởi vì trong DH Vâ ̣t lí, TN đƣợc sử dụng có khi chỉ nhƣ một phƣơng tiện trực quan đơn thuần, chứ không phải là nó đƣợc thiết lập và thực hiện trong tiến trình nghiên cứu theo đòi hỏi của việc xác lập hoặc kiểm tra một giả thiết nào đó. Việc sử dụng TN trong trƣờng hợp nhƣ thế thì không phải theo tinh thần áp dụng PP thực nghiệm của Vâ ̣t lí học
Giả thuyết Hệ quả • Kinh nghiệm sống • Quan sát tự nhiên • TN, bài tập • Câu chuyện lịch sử Làm nảy sinh vấn đề cần nghiên cứu TN kiểm tra Thiết kế PATN Lập kế hoạch TN Bố trí TN Học tập thu thập dữ liệu Kết luận
a. Các giai đoạn của PP thực nghiệm trong DH Vật lí
Để giúp HS có thể bằng hoạt động của bản thân mà tái tạo, chiếm lĩnh đƣợc các kiến thức Vâ ̣t lí thực nghiệm thì tốt nhất là GV tổ chức cho họ trải qua các giai đoạn của PP thực nghiệm nhƣ sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Giai đoạn 1: GV mô tả một hoàn cảnh thực tiễn, hay biểu diễn một vài TN và yêu cầu các em dự đoán diễn biến của hiện tƣợng, tìm nguyên nhân hoặc xác lập một mối quan hệ nào đó.
- Giai đoạn 2: GV hƣớng dẫn, gợi ý cho HS xây dựng một câu dự đoán ban đầu, dựa vào sự quan sát tỉ mĩ, kỹ lƣỡng vào kinh nghiệm bản thân, vào những kiến thức đã có...(ta gọi là xây dựng giả thuyết).
- Giai đoạn 3: Từ giả thuyết, dùng suy luận logic hay suy luận toán học suy ra hệ quả: dự đoán một hiện tƣợng trong thực tế, một mối quan hệ giữa các đại lƣợng Vâ ̣t lí.
- Giai đoạn 4: Xây dựng và thực hiện một phƣơng án TN để kiểm tra xem hệ quả dự đoán ở trên có phù hợp với kết quả thực nghiệm không. Nếu phù hợp thì giả thuyết trên trở thành chân lí, 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 đơn giản trong thực tiễn dƣới hình thức các bài tập.
b. Hướng dẫn HS hoạt động trong mỗi giai đoạn của PP thực nghiệm
Trong nhiều trƣờng hợp, HS gặp khó khăn không thể vƣợt qua đƣợc thì có thể sử dụng PP thƣ̣c nghiê ̣m ở mức độ khác nhau, thể hiện mức độ HS tham gia vào các giai đoạn của PP thực nghiệm.
- 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.
Ví dụ: Cho HS quan sát sự rơi tự do của nhiều vật khác nhau: hòn gạch, cái lá, hòn bi, cái lông chim. Sự rơi xảy ra rất khác nhau. Những câu hỏi mà HS đã quen đƣa ra là: Nguyên nhân nào khiến các vật rơi khác nhau? Sự rơi của các vật có gì giống nhau không?
+ 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 giải đáp.
Ví dụ: Sau khi đã học Định luật cảm ứng điện từ, đã biết điều kiện phát sinh ra dòng điện cảm ứng, GV yêu cầu HS xem muốn biết đầy đủ hơn về dòng điện cảm ứng ta cần phải xét đến các yếu tố nào? HS dựa vào hiểu biết đã có về dòng điện, sẽ
có thể đề xuất hai câu hỏi mới: Độ lớn của dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào những yếu tố nào? Chiều dòng điện cảm ứng đƣợc xác định nhƣ thế nào?
- Giai đoạn 2: Risa Fayman cho rằng: “Các định luật 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 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.
Ví dụ: Nhƣ trƣờng hợp định luật cảm ứng điện từ, có thể bắt đầu từ dự đoán trên sự quan sát đơn giản: chuyển động tƣơng đối giữa nam châm và ống dây, sau đó xây dựng dự đoán đòi hỏi sự phân tích chính xác, tỉ mĩ hơn: sự biến thiên từ thông qua ống dây.
+ Mức độ 2: Dự đoán định lƣợng: những quan sát đơn giản khó có thể dẫn tới một dự đoán về mối quan quan hệ hàm số. Nhƣng các nhà Vâ ̣t lí nhận thấy rằng: những mối quan hệ định lƣợng đó thƣờng đƣợc biễu diễn bằng một số ít hàm đơn giản nhƣ tỉ lệ thuận, tỉ lệ nghịch, hàm số lƣợng giác...
Ví dụ: Dự đoán áp suất tỉ lệ nghịch với thể tích đối với một lƣợng khí xác định, ở nhiệt độ không đổi. Trƣờng hợp định luật nêu lên mối quan hệ giữa ba đại lƣợng thì thông thƣờng giữ một đại lƣợng không đổi, xét mối quan hệ giữa hai đại lƣợng còn lại rồi tổng hợp kết quả trong một công thức.
+ Mức độ 3: Những dự đoán đòi hỏi một sự quan sát chính xác, tỉ mỉ một sự tổng hợp nhiều sự kiện thực nghiệm. 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 PT các phép suy luận này không quá khó. Vì biểu hiện trong thực tế của các kiến thức Vâ ̣t lí rất phức tạp cho nên điều kiện khó khăn là hệ quả suy ra làm sao phải đơn giản, có thể quan sát, đo lƣờng trực tiếp.
+ Mức độ 1: Hệ quả có thể quan sát, đo lƣờng trực tiếp
Ví dụ: Hệ quả suy ra từ các giả thuyết về mối quan hệ giữa thể tích , áp suất và nhiệt độ của một lƣợng khí xác định có thể đo trực tiếp bằng các dụng cụ: bình chia độ, áp kế, nhiệt kế,...
+ 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.
Ví dụ: Nhƣ giả thuyết về sự bảo toàn khối lƣợng, vận tốc trong tƣơng tác giữa hai vật không trực tiếp kiểm tra đƣợc bằng một dụng cụ đo mà phải tính toán gián tiếp qua việc đo khối lƣợng m và đo vận tốc v.
+ 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 mối quan hệ giữa một số rất ít yếu tố.
Ví dụ: Nhƣ trƣờng hợp định luật bảo toàn năng lƣợng ta không thể thực hiện đƣợc ở hệ cô lập nhƣ nêu trong giả thuyết.
- Giai đoạn 4: Việc bố trí TN kiểm tra thực chất là tạo ra những điều kiện đúng
nhƣ điều kiện đã nêu trong việc suy ra hệ quả. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Mức độ 1: TN đơn giản, HS đã biết cách thực hiện các phép đo, sử dụng đƣợc các dụng cụ đo.
Ví dụ: TN đo nhiệt lƣợng do dòng điện tỏa ra Q=R.I2.t
+ Mức độ 2: HS đã biết nguyên tắc đo các đại lƣợng nhƣng việc bố trí TN cho sát với các điều kiện lí tƣởng có khó khăn. GV phải giúp đỡ bằng cách giới thiệu phƣơng án làm để HS thực hiện.
Ví dụ: Cách tạo ra hai vật tƣơng tác cô lập khi xây dựng định luật bảo toàn