8. Các chữ viết tắt trong đề tài:
3.4.3. Hướng dẫn học sinh hoạt động trong mỗi giai đoạn của PPTN
Những bài học mà học sinh 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 học sinh đã quen thuộc.
Trong nhiều trường hợp, học sinh 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 học sinh tham gia vào các giai đoạn của PPTN.
Giai đoạn 1:
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 để cho học sinh tự lực phát hiện những tính chất hay những mối quan hệ đáng chú ý cần nghiên cứu.
Ví dụ: Cho học sinh 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 học sinh 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: Giáo viên tạo ra một hoàn cảnh đặc biệt trong đó xuất hiện một hiện tượng mới lạ, lôi cuốn sự chú ý của học sinh, gây cho họ sự ngạc
nhiên, sự tò mò, từ đó học sinh nêu ra một vấn đề, một câu hỏi cần giải đáp. Ví dụ: Dao chém 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: Giáo viên nhắc lại một vấn đề, một hiện tượng đã biết và yêu cầu học sinh 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, giáo viên yêu cầu học sinh xem muốn biết đầy đủ hơn về dòng điện cảm ứng còn phải xem xét vấn đề gì nữa? Học sinh dựa vào hiểu biết đã có về dòng điện, sẽ có thể đề xuất 2 câu hỏi mới: Độ lớn của dòng điện cảm ứng phụ thuộc những yếu tố nào? Chiều dòng điện cảm ứng được xác định thế nào?
Giai đoạn 2: Risa Fâyman cho rằng “ Các định luật vật lí có nội dung rất đơn giản, nhưng biểu hiện của chúng trong thực tế lại rất phức tạp”. Bởi vậy, từ sự phân tích các hiện tượng 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 học sinh quen dần.
Mức độ 1: Dự đoán định tính: Trong những hiện tượng thực tế phức tạp, dự đoán về nguyên nhân chính, mối quan hệ chính chi phối hiện tượng. Có thể có rất nhiều dự đoán mà ta phải lần lượt tìm ra cách bác bỏ.
Ví dụ như trường hợp định luật cảm ứng điện từ, có thể bắt đầu từ dự đoán dựa trên sự quan sát đơn giản: Chuyển động tương đối giữa nam châm và ống dây, sau đó xây dựng dự đoán đòi hỏi sự phân tích tỉ mỉ hơn: Sự biến thiên từ thông qua ống dây.
Mức độ 2: Dự đoán định lượng: Những quan sát đơn giản khó có thể dẫn tới một dự đoán về mối quan hệ hàm số, định lượng giữa các đại lượng vật lí biểu diễn các đặc tính của sự vật, các mặt của hiện tượng. Nhưng các nhà vật lí nhận thấy rằng: Những mối quan hệ định lượng đó thường được biểu diễn bằng một số ít hàm số đơn giản như: Tỉ lệ thuận, tỉ lệ nghịch, hàm số bậc nhất, hàm số bậc hai, hàm số lượng giác…Việc dự đoán định lượng có thể dựa trên một số cặp số liệu được biểu diễn trên đồ thị, dựa trên dạng của đồ thị mà dự đoán mối quan hệ hàm số giữa hai đại lượng.
Ví dụ: Dự đoán P tỉ lệ nghịch với V đối với một lượng khí xác định, ở nhiệt độ không đổi. Trường hợp định luật nêu lên mối quan hệ giữa ba đại lượng thì thông thường giữ một đại lượng không đổi, xét mối quan hệ giữa hai đại lượng kia rồi tổng hợp kết quả trong một công thức.
Ví dụ: Trường hợp định luật II Niutơn F = ma, định luật Ôm cho đoạn mạch: I = U
R
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, không có điều kiện thực hiện ở trên lớp, tóm lại là vượt quá khả năng của học sinh. Ở đây, giáo viên dùng phương pháp kể chuyện lịch sử để giới thiệu các giả thuyết mà các nhà bác học đã đưa ra.
Ví dụ: Trường hợp định luật vạn vật hấp dẫn, định luật bảo toàn năng lượng.
Giai đoạn 3: Việc suy ra hệ quả được thực hiện bằng suy luận logic hay suy luận toán học. Thông thường, ở trường phổ thông các phép suy luận này không quá khó. Vì biểu hiện trong thực tế của các kiến thức vật lí rất phức tạp, cho nên điều kiện khó khăn là hệ quả suy ra phải đơn giản, có thể quan sát, đo lường được trong thực tế.
Mức độ 1: Hệ quả có thể quan sát, đo lường trực tiếp.
Ví dụ như hệ quả suy ra từ các giả thuyết về mối quan hệ giữa thể tích, áp suất và nhiệt độ của một lượng khí có thể đo trực tiếp bằng các dụng cụ: Bình chia độ, áp kế, nhiệt kế.
Mức độ 2: Hệ quả không quan sát được trực tiếp bằng các dụng cụ đo mà phải tính toán gián tiếp qua việc đo các đại lượng khác.
Ví dụ như giả thuyết về sự bảo toàn mv trong tương tác giữa hai vật không trực tiếp kiểm tra được bằng một dụng cụ đo động lượng mà phải tính toán gián tiếp qua việc đo khối lượng m và đo vận tốc v.
Mức độ 3: Hệ quả suy ra trong điều kiện lý tưởng. Có nhiều trường hợp, hiện tượng thực tế bị chi phối bởi rất nhiều yếu tố tác động không thể loại trừ được, nhưng ta chỉ xét quan hệ giữa một số rất ít yếu tố (2 đến 3 yếu tố). Như vậy, hệ quả suy ra từ giả thuyết chỉ là gần đúng.
Ví dụ như trường hợp định luật bảo toàn năng lượng, ta không thể thực hiện được hệ cô lập như nêu trong giả thuyết.
Giai đoạn 4: Việc bố trí thí nghiệm kiểm tra thực chất là tạo ra những điều kiện đúng như những điều kiện đã nêu trong việc suy ra hệ quả.
Mức độ 1: Thí nghiệm đơn giản, học sinh đã biết cách thực hiện các phép đo, sử dụng các dụng cụ đo.
Ví dụ: Thí nghiệm đo nhiệt lượng do dòng điện tỏa ra: Q = RI2t.
Mức độ 2: Học sinh đã biết nguyên tắc đo các đại lượng nhưng việc bố trí thí nghiệm cho sát với các điều kiện lý tưởng có khó khăn. Giáo viên phải
giúp đỡ bằng cách giới thiệu phương án làm để học sinh thực hiện.
Ví dụ: Cách tạo ra hai vật tương tác cô lập khi xây dựng định luật bảo toàn động lượng: Phải cho hệ hai vật chuyển động trong không khí, trên đệm không khí hoặc trên bánh xe có ma sát lăn rất nhỏ. Tùy theo điều kiện trang bị mà tổ chức cho học sinh làm hoặc giáo viên biểu diễn để học sinh quan sát.
Mức độ 3: Có nhiều trường hợp thí nghiệm kiểm tra là những thí nghiệm kinh điển rất phức tạp và tinh tế, không thể thực hiện ở trường phổ thông. Trong trường hợp này, giáo viên mô tả cách bố trí thí nghiệm rồi thông báo kết quả các phép đo để học sinh gia công các số liệu, rút ra kết luận hoặc giáo viên thông báo cả kết luận.
Ví dụ: Thí nghiệm kiểm tra định luật vạn vật hấp dẫn trên cân xoắn, thí nghiệm kiểm tra công thức của lực tương tác giữa hai điện tích điểm.
Giai đoạn 5: Những ứng dụng của các định luật thường có ba dạng: Giải thích hiện tượng, dự đoán hiện tượng và chế tạo thiết bị đáp ứng một yêu cầu của đời sống, sản xuất.
Mức độ 1: Ứng dụng trong đó học sinh chỉ cần vận dụng định luật vật lí để làm sáng tỏ nguyên nhân của hiện tượng hoặc tính toán trong điều kiện lý tưởng: Vật chỉ bị chi phối bởi vài định luật đang nghiên cứu. Đó có thể là những bài tập do giáo viên nghĩ ra.
Ví dụ: Tính cường độ dòng điện qua các điện trở của một mạch điện mắc theo một sơ đồ nào đó, chứ không có ý nghĩa trong đời sống hay sản xuất hàng ngày.
Mức độ 2: Xét một ứng dụng kỹ thuật đã được đơn giản hóa để có thể chỉ cần áp dụng một vài định luật vật lí.
Ví dụ: Tính lực phát động của đầu máy ô tô để xe có khối lượng m có thể chuyển động nhanh dần đều với gia tốc a trên đường nằm ngang có hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường là k.
Mức độ 3: Xét một ứng dụng kỹ thuật trong đó không chỉ áp dụng các định luật vật lí mà còn cần phải có những giải pháp đặc biệt để làm cho các hiện tượng vật lí có hiệu quả cao, sao cho thiết bị được sử dụng trong đời sống và sản xuất. Trong loại ứng dụng này, học sinh không những phải vận dụng những định luật vật lí vừa được thiết lập mà còn phải vận dụng tổng hợp những hiểu biết, những kinh nghiệm về nhiều lĩnh vực khác của vật lí.
Ví dụ: Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để có thể chế tạo ra được một máy phát điện sản xuất ra dòng điện có cường độ đủ mạnh dùng trong đời sống và sản xuất. Ngoài các kiến thức về nguyên nhân của dòng
điện cảm ứng, còn cần cách bố trí sao cho khung dây quay trong từ trường, dùng các cổ góp để lấy dòng điện ra ngoài mà không làm cho dây bị xoắn đứt, dùng lõi sắt để tăng độ từ thẩm, dùng các lá sắt ghép cách điện làm lõi để tránh dòng Fucô… Trong các bài học vật lí, không nên đi sâu vào các chi tiết kỹ thuật mà chỉ yêu cầu học sinh suy nghĩ về những vấn đề có tính chất nguyên tắc, còn giáo viên thông báo cho học sinh một số chi tiết kỹ thuật để họ có thể nhận dạng được những thiết bị kỹ thuật trong đời sống thực.