8. Những chữ viết tắt trong đề tài
3.4.3. Đạt tới định luật xuất phát từ những mệnh đề lý thuyết tổng quát đã biết
Con đường này không thể thực hiện được trong giai đoạn đầu của quá trình nhận thức về một lĩnh vực nào đó, vì nó đòi hỏi đã xác lập được một số mệnh đề lí thuyết tổng quát.
Đối với HS, chỉ có thực hiện được ở các lớp trên khi họ đã tích lũy được khá nhiều kiến thức khái quát.
Điểm xuất phát của quá trình nhận thức này là các mệnh đề phải chắc chắn hoặc chí ít là về mặt lí thuyết đã được coi là chắc chắn. Từ những mệnh đề đó, có thể thực hiện phép suy luận diễn dịch, rút ra những hệ quả, những tiên đoán có tính chất quy luật. Quá trình nhận thức này có thể trải qua các giai đoạn sau:
Nêu lên một hiện tượng thực tế mà ta chưa thể giải thích được hoặc chưa thể dự đoán được biểu diễn của nó như thế nào, chưa thể biết được mối quan hệ giữa một số đại lượng nào đó.
Nêu lên một mệnh đề lí thuyết mà ta dự đoán rằng có liên hệ đến hiện tượng đang xét. Mệnh đề này phải có giá trị chân thật, nghĩa là đã được chứng tỏ là chắc chắn.
Thực hiện một phép suy luận diễn dịch để từ mệnh đề lí thuyết, rút ra một hệ quả logic trong đó nêu lên mối quan hệ giữa các sự vật, hiện tượng như một định luật vật lí.
Làm thí nghiệm để kiểm tra dự đoán có phù hợp với thực tế không. Nếu phù hợp thì hệ quả dự đoán trở thành một định luật.
Thông thường theo logic học nếu các mệnh đề xuất phát là chân thật, các phép suy luận theo đúng các quy tắc của suy luận diễn dịch thì kết quả của phép suy luận cũng chắc chắn là đúng, không cần phải kiểm tra lại bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, ở trường phổ thông nhiều khi HS không đủ kiến thức toán học và trình độ tư duy để thực hiện được một phép suy luận diễn dịch hoàn hảo. Bởi vậy, nên tiến hành một thí nghiệm kiểm tra để tăng thêm lòng tin ở sự chắc chắn của kết quả thu được bằng suy luận ở trên.
Trong vật lí học, thường xảy ra trường hợp một định luật vật lí thoạt đầu được nhận thức bằng con đường quan sát trực tiếp kết hợp với khai quát hóa lí thuyết. Nhưng ngày nay, sau khi vật lí đã xây dựng được những lí thuyết tổng quát thì người ta lại tìm ra con đường khác xuất phát từ một mệnh đề lí thuyết để đi đến định luật đó. Con đường này vừa gọn nhẹ hơn, vừa làm cho HS thấy rằng được tính thống nhất của giới tự nhiên.
Ví dụ: Định luật Ôm cho toàn mạch trong lịch sử vốn là một định luật được phát hiện bằng con đường quan sát trực tiếp, kết hợp với khái quát hóa lý thuyết, còn ngày nay lại có thể suy ra nó từ định luật bảo toàn năng lượng và định luật Jun – Lenxơ.
Chƣơng 4. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ 4.1. Nội dung của phƣơng pháp thực nghiệm
Vật lý ở trường phổ thông hiện nay chủ yếu là vật lý thực nghiệm. PPTN do Galilê sáng lập ra và được các nhà khoa học khác hoàn chỉnh. Spaski đã nêu lên thực chất của PPTN như sau:
“Xuất phát từ quan sát 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 trong từng thí nghiệm 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 trước đó chưa biết đến. Những sự kiện và hệ quả mới đó 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 lý chính xác”.
Như vậy, PPTN không phải là làm thí nghiệm đơn thuần, không phải là sự suy nạp đơn giản (như chủ nghĩa quy nạp thực nghiệm) mà là sự phân tích sâu sắc các sự kiện thực nghiệm, tổng quát hóa nâng lên mức lý thuyết và phát hiện ra bản chất sự vật. Đó là sự thống nhất giữa thực nghiệm và lý thuyết nhằm mục đích nhận thức thiên nhiên.
PPTN hiểu theo nghĩa trên là bao gồm cả quá trình tìm tòi từ ý tưởng ban đầu đến kết luận cuối cùng. Nhưng sự phát triển của vật lý 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. Ví dụ: Maikenxơn trong 20 năm làm thí nghiệm đo vận tốc ánh sáng truyền theo chiều quay của Trái Đất và theo chiều ngược lại, cốt để kiểm tra lại giả thuyết về gió “ête” đã có từ trước, ông nổi tiếng là nhà vật lý thực nghiệm, và thiết bị thí nghiệm do ông chế tạo ra (giao thoa kế) đã đạt mức độ chính xác cao. Anhstanh đã tin tưởng ở kết quả thí nghiệm đó và dùng nó làm tiên đề cho thuyết tương đối của ông. Bởi thế, ngày nay có thể hiểu PPTN theo nghĩa hẹp chỉ gồm hai giai đoạn: “Từ giả thuyết rút ra hệ quả và dùng
thí nghiệm để kiểm tra lại hệ quả đó”.[4, tr 94]
4.2. Tầm quan trọng của phƣơng pháp thực nghiệm trong nghiên cứu khoa học và trong dạy học vật lý ở THPT
Một trong những điều quan trọng của phương hướng cải cách chương trình vật lý phổ thông là “Chương trình phải bao gồm những kiến thức về các phương pháp vật lý cơ bản”. Ngoài việc cung cấp kiến thức, việc xây dựng và phát triển các năng lực tư duy cho HS là một yêu cầu có tính nguyên tắc. Muốn vậy, làm cho HS không những nắm vững được kiến thức mà còn hiểu rõ được con đường dẫn đến kiến thức, hiểu rõ các phương pháp nhận thức khoa học.
Đối với môn vật lý, PPTN là một trong những phương pháp nhận thức cơ bản quan trọng. Vì vậy, trong chương trình cải cách vật lý phổ thông cần phải coi trọng áp
dụng PPTN của khoa học vật lý trong quá trình dạy học. Trong quá trình dạy học, cần làm cho HS hiểu được PPTN trong nghiên cứu vật lý và từng bước hướng dẫn HS tập vận dụng PPTN của vật lý trong khi nghiên cứu các kiến thức theo chương trình và SGK.
Để có thể vận dụng được PPTN của vật lý học trong quá trình dạy học ta cần làm rõ hai vấn đề sau:
Thứ nhất là: PPTN trong quá trình sáng tạo khoa học vật lý, với tư cách là một phương pháp nhận thức của khoa học vật lý là gì? Nó bao gồm những giai đoạn nào?
Thứ hai là: PPTN trong dạy học vật lý, với tư cách là một PPDH (là sự vận dụng PPTN của khoa học vật lý vào dạy học vật lý, nhằm rèn luyện cho HS những phương pháp nhận thức của vật lý học) được thực hiện theo các bước dạy học như thế nào khi hình thành một kiến thức cụ thể cho HS? [10, tr2]
4.3. PPTN trong nghiên cứu khoa học vật lý
4.3.1. Vai trò của PPTN trong quá trình nhận thức sáng tạo của khoa học vật lý
Sơ đồ ngắn gọn của quá trình nhận thức nói chung đã được Lênin nêu lên: “Từ trực quan sinh động đến tư duy trừu tượng, rồi từ tư duy trừu tượng đến thực tiễn – Đó là con đường biện chứng của nhận thức chân lý, nhận thức thực tế khách quan”.
Phù hợp với quá trình nhận thức nói chung mà Lênin đã chỉ ra, quá trình sáng tạo của khoa học vật lý là quá trình từ sự khái quát hóa những sự kiện thực tế xuất phát đến xây dựng mô hình trừu trượng của hiện tượng (đề xuất giả thuyết), rồi từ mô hình dẫn đến việc rút ra các hệ quả lý thuyết và từ các hệ quả lý 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 phương pháp nhận thức khoa học, trong đó đặc biệt là phương pháp thực nghiệm. [10, tr 3].
4.3.2. Phƣơng pháp thực nghiệm
Để có thể khái quát hóa các sự kiện thực tế và xây dựng các giả thuyết khoa học về hiện tượng nghiên cứu, nhà khoa học phải tổ chức và tiến hành thí nghiệm để khảo sát hiện tượng trong những điều kiện xác định và dựa trên kết quả của thí nghiệm đó để thu được những tài liệu thực tế làm cơ sở xuất phát cho sự hoàn thành giả thuyết. Để kiểm tra sự đúng đắn của các kết luận lý thuyết thu được nhờ sự 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 thí nghiệm để có thể đối chiếu lại kết quả của thí nghiệm với những thí nghiệm như thế gọi là phương pháp thực nghiệm.
Vậy, phương pháp thực nghiệm là một phương pháp nhận thức khoa học được thực hiện khi nhà nghiên cứu tìm tòi xây dựng phương án và tiến hành thí nghiệm, nhằm dựa trên kết quả của thí nghiệm để xác lập giả thuyết hoặc kiểm tra một giả thuyết nào đó.
Phương pháp thực nghiệm nói ở đây là nói về phương pháp nhận thức trong quá trình sáng tạo khoa học, chứ không phải là chỉ đơn thuần cách thức tiến hành một thí nghiệm đã có sẵn. Quá trình nhận thức này đòi hỏi tư duy sáng tạo. Khi áp dụng phương pháp thực nghiệm nhà nghiên cứu phải tìm tòi thiết kế phương án thí nghiệm. Trong việc đề xuất phương án thí nghiệm để có thể kiểm tra giả thuyết đã nêu ra hoặc cho phép thu được những thông tin cần thiết cho việc xác lập giả thuyết, tư duy sáng tạo có vai trò quan trọng. [10, tr 3].
4.3.3. Các giai đoạn của PPTN trong nghiên cứu khoa học vật lý
PPTN của quá trình nghiên cứu khoa học vật lý gồm các giai đoạn chính sau đây: Nhận biết các sự kiện khởi đầu, phát hiện vấn đề (nêu câu hỏi).
Xây dựng giả thuyết (câu trả lời dự đoán).
Từ giả thuyết suy ra một hệ quả có thể kiểm tra trong thực tế (có thể quan sát, đo lường được).
Bố trí thí nghiệm kiểm tra.
Kết luận (thí nghiệm xác nhận hay bác bỏ giả thuyết) [13, tr3].
4.4. Phƣơng pháp thực nghiệm trong dạy học vật lý 4.4.1. Phƣơng pháp thực nghiệm trong dạy hoc vật lý
Ở đây ta muốn đề cập một phương pháp dạy học, trong đó phương pháp thực nghiệm của quá trình sáng tạo khoa học được vận dụng vào quá trình dạy học vật lý. Thực chất của phương pháp dạy học này là ở chỗ: Giáo viên tổ chức, chỉ đạo hoạt động học tập của học sinh theo các bước tương tự như các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm trong quá trình sáng tạo khoa học, để phát huy tính tích cực, tự giác, sáng tạo của học sinh trong quá trình lĩnh hội kiến thức, làm cho học sinh lĩnh hội 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 phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lý giáo viên phải sử dụng thí nghiệm (dưới dạng thí nghiệm biểu diễn của giáo viên và thí nghiệm của học sinh làm). Không sử dụng thí nghiệm thì không thể nói đến phương pháp thực nghiệm. Nhưng cũng cần lưu ý rằng, điều này không có nghĩa là hễ có sử dụng thí nghiệm trong dạy học thì là đã áp dụng phương pháp thực nghiệm như vừa nói ở trên. Bởi vì trong dạy học vật lý, thí nghiệm được sử dụng có khi chỉ như một phương tiện trực quan đơn thuần, chứ không phải là nó được thiết lập và thực hiện trong tiến trình nghiên cứu theo đòi hỏi của việc xác lập hoặc kiểm tra một giả thuyết nào đó. Việc sử dụng thí nghiệm trong trường hợp như thế thì không phải theo tinh thần áp dụng phương pháp thực nghệm của vật lý học [13, tr 4].
4.4.2. Các giai đoạn của PPTN trong dạy học vật lý
Để giúp HS có thể tái tạo, chiếm lĩnh được các kiến thức vật lý bằng những hoạt động của bản thân mình thì tốt nhất là GV phỏng theo PPTN của các nhà khoa học mà tổ chức cho HS hoạt động theo các giai đoạn 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 tượng, tìm nguyên nhân hoặc xác lập một mối quan hệ nào đó, tóm lại là nêu lên một câu hỏi mà HS chưa biết câu trả lời, cần phải suy nghĩ tìm tòi mới trả lời được.
Giai đoạn 2: GV hướng dẫn, gợi ý cho HS xây dựng một câu hỏi trả lời dự đoán
ban đầu, dựa vào sự quan sát tỉ mỉ, kỹ lưỡng, 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 vẻ hợp lý nhưng chưa chắc chắn.
Giai đoạn 3: Từ giả thuyết dùng suy luận logic hay suy luận toán học suy ra một
hệ quả: Dự đoán một hiện tượng trong thực tiễn, một mối quan hệ giữa các đại lượng VL.
Giai đoạn 4: Xây dựng và thực hiện một phương án thí nghiệm 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 nên 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 tượng trong thự tiễn, để nghiên cứu các thiết bị kỹ thuật. Thông qua đó trong một số trường hợp, sẽ đi tới giới hạn áp dụng của kiến thức và xuất hiện mâu thuẫn nhận thức mới cần giải quyết. [12, tr 4].
4.4.3. Hƣớng dẫn học sinh hoạt động trong mỗi giai đoạn của PPTN
Những bài học mà HS có thể tham gia đầy đủ vào cả 5 giai đoạn trên không nhiều. Đó là những 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 lường mà HS đã quen thuộc.
Ví dụ: Định luật về sự rơi tự do, định luật III Niu-tơn, quy tắc momen về sự cân bằng của vật quay quanh một trục, định luật Bôilơ – Mariôt, định luật phản xạ ánh sáng…
Trong nhiều trường hợp, HS gặp khó khăn không thể vượt qua được thì có thể sử dụng PPTN ở các mức độ khác nhau, thể hiện ở mức độ HS tham gia vào các giai đoạn của PPTN.
+ Mức độ 1: Học sinh tự lực phát hiện vấn đề, nêu câu hỏi. Giáo viên giới thiệu hiện tượng xảy ra đúng như thường thấy trong tự nhiên đê 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 của nhiều vật khác nhau: Hòn gạch, tờ giấy, cái lá, miếng bấc, hòn bi, cái lông chim. Sự rơi xảy ra rất khác nhau. Những câu hỏi mà HS đã quen nêu ra là: Nguyên nhân nào khiến cho 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 tượng 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.
Ví dụ: Dùng một dao chém vào một thanh gỗ thì gỗ đứt, cũng dao đó chém vào đá thì dao bị mẻ, vậy lực của dao tác dụng vào gỗ (hay đá) và lực của gỗ (hay đá) tác dụng vào dao thì lực nào lớn hơn?
+ Mức độ 3: GV nhắc lại một vấn đề, một hiện tượng đã biết và yêu cầu HS phát hiện
xem trong vấn đề hay hiện tượng đã biết, có chỗ nào chưa được hoàn chỉnh, đầy đủ cần nghiên cứu.
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 còn phải xem xét vấn đề gì nữa? HS dự vào hiểu biết đã có về dòng điện, sẽ có thể đề xuất 2