8. Cấu trúc luận văn
1.5. Sử dụng phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lý [14], [16],
[18]
1.5.1. Tầm quan trọng của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lý
Trước hết ta thấy rằng dạy học bằng phương pháp thực nghiệm cùng với một số phương pháp nhận thức khoa học khác có thể giúp chúng ta hòan thành nhiều mục tiêu như chương trình vật lí phổ thông đã qui định (mục tiêu về kiến thức, kĩ năng, thái độ).
Chương trình vật lý phổ thông khẳng định “cần coi trọng đúng mức những kiến thức về phương pháp nhận thức đặc thù của vật lý học như PPTN, phương pháp mô hình” và “khối lượng kiến thức của mỗi tiết học cần được lựa chọn và cân đối với việc thực hiện đầy đủ các nhiệm vụ của việc dạy học vật lý, đặc biệt với việc tổ chức các hoạt động tích cực, tự lực và đa dạng của HS”. Vật lý học ở trường phổ thông chủ yếu là vật lý thực nghiệm. Những kiến thức vật lý được xây dựng hầu hết dựa vào thí nghiệm hoặc được kiểm tra lại bằng thí nghiệm. Để hiểu rõ nội dung, ý nghĩa của các kiến thức đó thì tốt nhất là cho HS tái tạo lại những kiến thức bằng chính phương pháp mà các nhà vật lý đó dùng trong nghiên cứu – PPTN.
Nền giáo dục ở các nước tiên tiến đều chú ý đến việc phát triển năng lực sáng tạo của HS, trong đó đòi hỏi phải hoạt động sáng tạo. PPTN là một trong những phương pháp được lựa chọn bởi vì trong quá trình áp dụng PPTN có hai giai đoạn đòi hỏi HS có suy nghĩ sáng tạo. Nếu có cách thức tổ chức, hướng dẫn thích hợp thì HS có khả năng thực hiện được hoạt động sáng tạo đó.
Vậy nếu áp dụng được PPTN vào dạy học vật lý thì ta có thể đạt được 2 mục tiêu là giúp HS nắm vững kiến thức và bồi dưỡng cho HS năng lực sáng tạo.
1.5.2. Vai trò của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí ở phổ thông:
Kích thích hoạt động học tập chủ động của HS bằng những tình huống có vấn đề.
Rèn luyện tư 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 tưởng ban đầu (giả thuyết) để tìm lời giải đáp là kết luận cuối cùng (kết luận khoa học). Biết kết hợp nhiều PP nhận thức trong một quá trình nhận thức giải quyết vấn đề.
HS biết kết hợp nhuần nhuyễn giữa quan sát, thí nghiệm và suy luận lí thuyết để đạt được 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, qui luật của tự nhiên, kiểm tra sự đúng đắn của các kiến thức lí thuyết.
1.5.3. Bồi dưỡng phương pháp thực nghiệm cho học sinh:
Bồi dưỡng PPTN cho HS là một trong các mục tiêu nhận thức quan trọng trong dạy học vật lí đã được qui định, nhưng thực sự GV chúng ta chưa chú ý, chưa thực sự quan tâm đúng mức vì nhiều lí do:
+ Do GV nhận thức chưa đúng về PP thực nghiệm trong dạy học vật lí, lầm tưởng rằng có dùng thí nghiệm trong dạy học (thí nghiệm mở đầu, kiểm chứng, minh họa, củng cố bài học …) đã là dạy học bằng PPTN.
+ Đôi khi vì sự “an toàn” cho bản thân GV và cả HS mà trong nhiều GV thường chọn cách dạy kiến thức rập khuông theo cách mà SGK đã biên soạn (dạy rập khuông như sách, sẽ không ai phê phán được GV).
+ Phương tiện dạy học, các thiết bị thí nghiệm chưa đáp ứng đầy đủ theo yêu cầu, để có thể dạy học theo PPTN.
Vì vậy các mục tiêu dạy học như đã nêu ở phần mở đầu nói chung và mục tiêu bồi dưỡng PPTN cho HS trong dạy học vật lí nói riêng đòi hỏi phải có sự phối hợp từ nhiều phía mới mong đạt được kết quả.
1.5.4. Các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lý
Để giúp HS tự tái tạo, chiếm lĩnh kiến thức vật lý thì tốt hơn hết là GV nên phỏng theo PPTN của các nhà khoa học mà tổ chức cho HS hoạt động theo các giai đoạn của PPTN. Có nhiều quan điểm khác nhau về việc phân chia và tên gọi các giai đoạn. Nhưng cơ bản vẫn là các giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: Đề xuất vấn đề: kích thích hoạt động của hs bằng cách đưa ra tình huống có vấn đề và hình thành vấn đề nhận thức.
Để HS có thể hứng thú học tập, chủ động tham gia vào hoạt động nhận thức học tập, GV cần phải kích thích bằng cách tạo ra tình huống có vấn đề thường là nêu các câu hỏi tìm thuộc tính, qui luật biến đổi của sự vật, hiện tượng.
Trên cơ sở phân tích tình huống học tập trên thường đưa HS đến các câu hỏi mà bằng kiến thức và kinh nghiệm bản thân thì chưa thể giải đáp ngay được, đòi hỏi phải phân tích, so sánh tình huống này với các tình huống cùng loại đã biết, trừu tượng hóa để tìm câu trả lời về các thuộc tính bản chất, qui luật biến đổi của sự vật, hiện tượng đang quan tâm nghiên cứu.
Giai đoạn 2: Xây dựng giả thiết. GV hướng dẫn, gợi ý cho HS xây dựng các câu trả lời mang tính dự đoán ban đầu, dựa vào sự quan sát tỉ mỉ, vào kinh nghiệm bản thân, vào trí tưởng tượng, vào suy luận từ những kiến thức đã có… mà hình thành các giả thuyết. Những dự đoán này có thể còn thô sơ, có vẻ hợp lí nhưng chưa chắc chắn (phát huy trực giác nhạy bén và khả năng sáng tạo của HS). Có nhiều giả thuyết được đưa ra, lập luận để loại bỏ những giả thuyết thiếu xác đáng.
Giai đoạn 3: Suy ra một hệ quả có thể kiểm tra được bằng thực nghiệm từ giả thiết. Hệ quả đó là dự đoán một hiện tượng trong thực tiễn, một mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý.
Giai đoạn 4: Xây dựng và thực hiện phương án thí nghiệm để kiểm tra xem một hệ quả của dự đoán có phù hợp với kết quả thực nghiệm hay không.
Ở bước này, HS tưởng tượng ra các cách kiểm chứng giả thuyết (hệ quả), các dụng cụ, thiết bị cần có, cách bố trí thí nghiệm, vận hành thí nghiệm và kết quả thí nghiệm (phát huy tính nhạy bén, óc sáng tạo, trí tưởng tượng, khả năng vận dụng kiến thức ,…phát huy tư duy sáng tạo cho hs)
Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng giả thuyết: lắp đặt thí nghiệm, tiến hành đo đạt, lấy số liệu, xử lí kết quả (lập bảng, vẽ đồ thị, rèn các kĩ năng làm thí nghiệm cho HS)
Từ kết quả thí nghiệm, đối chiếu xem giả thuyết dự đoán ở trên có phù hợp với kết quả thí nghiệm không. Nếu phù hợp thì giả thuyết trên là đúng, nếu không phù hợp thì phải xây dựng lại giả thuyết mới, tiến hành lại cho đến khi kết luận phù hợp với giả thuyết.
Giai đoạn 5: Vận dụng kiến thức. Giải thích tình huống có vấn đề ở trên.
Tùy vào mức độ tổng quát mà kết luận được khái quát hoá thành kiến thức thực nghiệm: Một khái niệm, một quan hệ nhân quả, một qui tắc, một định luật. Kiến thức có được theo phương thức hoạt động nhận thức này giúp trả lời cho các đặc điểm, dấu hiệu quy luật biến đổi bên ngoài của các sự vật, hiện tượng mà không thể trả lời các câu hỏi về bản chất của sự vật, hiện tượng được. Kết luận có được chỉ mới là kết luận về một vài tình huống ban đầu và từ một vài hiện tượng lí tưởng mà thí nghiệm mô tả. Cần phải xem xét kết luận trên còn đúng cho các sự vật , hiện tượng nào nữa bằng cách vận dụng kết luận để phân tích, giải thích, tiên đoán một số hiện tượng cùng loại trong thực tiễn từ đó mới xác định được giới hạn áp dụng của kết luận. Qua đó có thể đi tới giới hạn áp dụng của kiến thức và xuất hiện mâu thuẫn nhận thức mới cần giải quyết.
1.5.5. Hướng dẫn hoạt động học trong mỗi giai đoạn của phương pháp thực nghiệm
Những bài học mà HS có thể tham gia đầy đủ vào cả 5 giai đoạn trên là không nhiều. Đó là những bài mà việc xây dựng giả thiết không đòi hỏi một sự phân tích khá phức tạp và có thể kiểm tra giả thiết bằng những thí nghiệm đơn giản, sử dụng những dụng cụ đo lường mà HS đã quen thuộc. Một số bài có thể đáp ứng được nhu cầu như: sự rơi tự do, định luật phản xạ ánh sáng…
Trong nhiều trường hợp, HS gặp những khó khăn không 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.
- Giai đoạn 1: GV mô tả một hoàn cảnh thực tiễn hay biểu diễn một vài thí nghiệm và yêu cầu HS dự đoán diễn biến của hiện tượng, tìm nguyên nhân hoặc xác lập mối quan hệ nào đó, tóm lại là nêu lên một câu hỏi mà HS chưa biết câu trả lời, phải suy nghĩ, tìm tòi.
+ Mức độ 1: GV giới thiệu hiện tượng xảy ra đúng như trong tự nhiên, HS tự mình phát hiện vấn đề nêu câu hỏi.
+ Mức độ 2: GV tạo ra một hoàn cảnh thật đặc biệt trong đó xuất hiện một hiện tượng mới lạ, lôi cuốn sự chú ý của HS gây cho họ sự ngạc nhiên tò mò, từ đó HS nêu ra một vấn đề, một câu hỏi cần giải đáp.
+ Mức độ 3: GV nhắc lại một hiện tượng, một vấn đề mà HS đã biết, yêu cầu họ phát hiện trong vấn đề này có chỗ nào chưa hoàn chỉnh cần tiếp tục nghiên cứu.
- Giai đoạn 2: GV hướng dẫn, gợi ý HS xây dựng một câu trả lời dự đoán ban đầu, dựa vào sự quan sát tỉ mỉ, vào kinh nghiệm bản thân, vào những kiến thức đã có…(xây dựng giả thiết). Những dự đoán này có thể còn thô sơ, có vẻ hợp lý nhưng chưa chắc chắn.
+ Mức độ 1: Dự đoán định tính: Trong những hiện tượng thực tế phức tạp, dự đoán về nguyên nhân chính, mối quan hê chính chi phối hiện tượng. Có rất nhiều dự đoán mà ta sẽ phải lân lượt tìm cách bác bỏ.
+ Mức độ 2: Dự đoán định lượng: Những quan sát đơn giản khó có thể dẫn đến một dự đoán về mối quan hệ hàm số nên việc dự đoán định lượng có thể dựa trên một số cặp số liệu.
+ Mức độ 3: Những dự đoán đòi hỏi mức độ quan sát tỉ mỉ, chính xác, một sự tổng hợp nhiều sự kiện thực nghiệm không có điều kiện thực nghiệm trên lớp thì GV kể truyện lịch sử
- Giai đoạn 3: Từ giả thiết 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 vật lý.
+ Mức độ 1: Hệ quả có thể quan sát, đo lường trực tiếp.
+ Mức độ 2: Hệ quả không thể quan sát, đo lường trực tiếp bằng các dụng cụ đo, phải tính toán gián tiếp thông qua các đại lượng khác.
+ Mức độ 3: Hệ quả suy ra trong điều kiện lý tưởng. Có nhiều trường hợp, hiện tượng thực tế bi chi phối bởi rất nhiều yếu tố không thể loại trừ được.
- 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 hay không. Nếu phù hợp thì giả thiết trên trở thành chân lý, nếu không phù hợp thì phải xây dựng giả thiết mới.
+ Mức độ 1: Thí nghiệm đơn giản, HS đã biết cách thực hiện phép đo.
+ Mức độ 2: HS biết cách đo các đại lượng nhưng việc bố trí thí nghiệm cho với các điều kiện lý tưởng khó khăn GV phải giúp đỡ bằng cách giới thiệu.
+ Mức độ 3: Những trường hợp thí nghiệm kiểm tra là thí nghiệm kinh điển, phức tạp không thực hiện được thì GV phải mô ta thí nghiệm, thông báo kết quả.
- Giai đoạn 5: Ứng dụng kiến thức: HS vận dụng kiến thức để giải thích hay dự đoán một số hiện tượng trong thực tế, nghiên cứu các thiết bị kỹ thuật (Có thể xuất hiện mâu thuẫn nhận thức mới).
+ Mức độ 1: HS chỉ cần vận dụng định luật vật lý để làm sáng tỏ nguyên nhân hoặc tính toán trong điều kiện lý tưởng.
+ Mức độ 2: Xét một ứng dụng kỹ thuật đã được đơn giản hoá để có thể chỉ áp dụng một vài định luật vật lý.
+ Mức độ 3: Xét một ứng dụng kỹ thuật trong đó cần phải áp dụng nhiều kiến thức vật lý.
Trong khi sử dụng PPTN, thường phối hợp các phương pháp nhận thức khác như: Phương pháp phân tích – tổng hợp, phương pháp quy nạp – diễn dịch…
Trong dạy học có các định luật vật lý theo PPTN có hai trường hợp đáng lưu ý sau:
- Có những định luật vật lý thực nghiệm nhưng việc suy luận khá phức tạp hoặc những thí nghiệm khá tinh vi, không có điều kiện thực hiện ở trường phổ thông, GV có thể dùng phương pháp kể truyện lịch sử để cho HS có cách giải quyết của các nhà bác học.
- Có những quy luật trong lịch sử được phát minh bằng con đường thực nghiệm, nhưng ngày nay có thể coi như hệ quả của một luật, một lý thuyết khái quát hơn. Những suy luận này HS có thể hiểu được…
Bởi vậy, để rèn luyện khả năng suy luận sắc bén cũng như giảm bớt khó khăn về tổ chức thực hiện các thí nghiệm phức tạp cho nên không dạy học những định luật đó hoàn toàn theo PPTN mà chỉ sử dụng một giai đoạn của PPTN là làm thí nghiệm kiểm tra, minh họa kết luận thu được bằng suy luận lý thuyết. Cũng có thể hiểu là sử dụng là PPTN theo nghĩa hẹp.
1.5.6. Quan hệ giữa bồi dưỡng năng lực sáng tạo cho học sinh và rèn luyện áp dụng phương pháp thực nghiệm.
Dạy học theo PPTN diễn ra theo các bước, trong đó khó khăn nhất, đòi hỏi sự sáng tạo cao nhất là bước đề xuất giả thuyết và đưa ra các phương án thực nghiệm để kiểm tra giả thuyết (hệ quả suy ra từ mô hình giả thuyết). Hình thành hai bước này, chủ yếu dựa vào trực giác và sự sáng tạo của HS. GV nên tạo ra các tình huống có vấn đề, gợi ý để HS có thể tự lực giải quyết.
Năng lực sáng tạo gắn liền với kỹ năng, kỹ xảo và vốn hiểu biết của HS.Nếu HS có vốn hiểu biết sâu rộng và càng thành thạo thì càng nhạy bén trong dự đoán,
xây dựng giả thuyết, có thể đưa ra được nhiều phương án thí nghiệm kiểm chứng để lựa chọn và như vậy càng tạo điều kiện để trực giác phát triển. Như vậy, áp dụng PPTN trong dạy học vật lý ở phổ thông GV có thể bồi dưỡng năng lực sáng tạo cho HS .
a)Bồi dưỡng năng lực sáng tạo trong bước dự đoán, xây dựng giả thuyết
Như ta đã biết dự đoán khoa học không phải là tùy tiện mà luôn luôn phải có cơ sở nào đó, tuy chưa thật chắc chắn. Dựa vào trực giác, kết hợp với kinh nghiệm và kiến thức bản thân mà đưa ra dự đoán. Có thể tập cho HS các cách dự đoán sau đây:
- Dựa vào sự liên tưởng từ những kinh nghiệm đã có. - Dựa trên sự tương tự.
- Dựa vào sự xuất hiện đồng thời của hai hiện tượng mà dự đoán chúng có mối quan hệ nhân quả.
- Dựa trên sự thuận nghịch thường thấy của nhiều quá trình vật lí.
- Dự đoán về mối quan hệ định lượng. Muốn dự đoán về mối quan hệ định lượng, cần phải thực hiện các phép đo, thực hiện phép đo càng nhiều lần thì càng dự đoán chính xác mối quan hệ dựa trên bảng số liệu thu thập được.
b) Bồi dưỡng năng lực sáng tạo trong bước xây dựng phương án kiểm tra dự đoán, giả thuyết.
Đề xuất phương án kiểm tra giả thuyết hoặc kiểm tra hệ quả rút ra từ giả