1. Định nghĩa: V.A Stôphô đã định nghĩa mô hình như sau "Mô hình là một hệ thống được hình dung trong óc, hay được thực hiện một cách vật chất. Hệ thống đó phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tượng nghiên cứu (đối tượng gốc) hoặc tái tạo nó, bởi vậy việc nghiên cứu mô hình sẽ cho ta những thông tin về đối tượng gốc". {25}
Vì mô hình chỉ phản ánh một số thuộc tính bản chất của đối tượng vật chất nên một đối tượng có thể có nhiều mô hình đại diện cho nó. Vì vậy mô hình không đồng nhất với đối tượng mà nó phản ánh. Có nhiều trường hợp một mô hình là biểu diễn của nhiều hiện tượng khác nhau về bản chất. Đồng thời một đối tượng có thể có nhiều mô hình đại diện cho nhiều mặt khác nhau của đối tượng.
30
Phương pháp mô hình được sử dụng rộng rãi trong vật lý và nó mang lại những kết quả to lớn. Mô hình trong vật lý không chỉ dùng để mô tả và giải thích hiện tượng mà còn có những chức năng như sau:
- Mô tả sự vật hiện tượng.
- Giải thích các tính chất và hiện tượng có liên quan đến đối tượng. - Tiên đoán tính chất và hiện tượng mới – Đấy là chức năng quan trọng
của mô hình trong khoa học.
2. Tính chất của mô hình: Với tính chất là một hệ thống phản ánh những thuộc tính của đối tượng mà nó thay thế, một mô hình có những thuộc tính cơ bản sau:
a- Tính tương tự vật gốc: Để bảo đảm thông tin có được từ mô hình có thể chuyển sang vật gốc. Vì vậy mô hình có quan hệ đồng cấu hay đẳng cấu với vật gốc. Sự tương tự giữa mô hình với vật gốc có thể là sự tương tự về cấu trúc hay chức năng.
b- Tính đơn giản: Mô hình được xây dựng trên cơ sở trừu tượng hóa và khái quát hóa. Kết quả của thao tác này luôn luôn dẫn đến sự đơn giản hóa. Vì vậy, tính đơn giản trong mô hình là một tất yếu khách quan nó mang lại hiệu quả to lớn trong việc sử dụng mô hình.
c- Tính trực quan: Một số mô hình có thể nhận biết trực tiếp bằng trực giác. Còn những mô hình lý tưởng giúp ta vật chất hoá các tính chất các mối quan hệ không thể tri giác được, nó giúp ta tưởng tượng ra.
d- Tính qui luật riêng: Khi xây dựng mô hình, người ta dùng một hệ thống để mô tả một số đặc tính của vật gốc mà ta chưa biết đầy đủ. Hệ thống này tuân theo những qui luật riêng, nhiều khi không còn giống qui luật phân phối vật hoặc hệ thống vật gốc, hệ thống vật dùng để thay thế vật gốc đó tuân theo những qui luật riêng mà ta đã biết rõ gọi là qui luật riêng của mô hình.
e- Tính lý tưởng: Mô hình có chức năng đại diện tức là phản ánh thực tiễn nhưng sau sự trừu tượng hóa và khái quát hóa cao thì mô hình trở nên lý tưởng.
31
Có nghĩa là không có mô hình nào mô tả hoặc giống hệt thực tiễn ở mọi khía cạnh, bởi vì nếu mô hình giống hệt thực tiễn thì nó không còn tính đại điện nữa và nó mất đi tính ưu việt.
Mô hình lý tưởng càng cao thì càng tổng quát, càng bao trùm được nhiều đối tượng, nhưng khi đưa mô hình vào thực tế càng gặp nhiều khó khăn.
3. Các loại mô hình trong vật lý học:
Có thể phân mô hình vật lý làm hai loại:
- Mô hình vật chất: Là mô hình bằng vật thể trên đó phản ánh những tác động cơ bản về mặt hình học, vật lý học, động lực học, chức năng học của đối tượng nghiên cứu. Loại mô hình này sử dụng ở giai đoạn thấp của quá trình nhận thức, khi cần hình thành những biểu tượng hoặc thu thập những kiến thức có tính chất kinh nghiệm.
- Mô hình lý tưởng (hay mô hình lý thuyết): Là những mô hình trừu tượng, về nguyên tắc người ta chỉ áp dụng trên nó những thao tác tư duy lý thuyết. Các mô hình lý thuyết có thể có rất nhiều loại, theo mức độ trừu tượng khác nhau gồm: {25}
* Mô hình ký hiệu: Là hệ thống những ký hiệu được dùng để mô tả, thay thế sự vật, hiện tượng vật lý (như mô hình công thức toán, mô hình đồ thị...). Ví dụ: Mô hình tia sáng được sử dụng để xây dựng kiến thức về quang hình học, mặc dù không phải ánh sáng truyền theo từng tia, nhưng khi qua một khe hẹp chùm sáng (chùm photon với tính chất sóng-hạt) cho hình ảnh một tia.
Trong môi trường trong suốt đồng tính và đẳng hướng có thể coi ánh sáng truyền theo đường thẳng, ta biểu diễn hiện tượng này bằng cách dựng những nữa đường thẳng gọi là tia, chiều của một tia theo chiều truyền của ánh sáng. Từ đó ta đưa ra những điều kiện để trực tiếp nhìn thấy một điểm vật hay ảnh của một điểm vật qua dụng cụ quang học và xây dựng được các tia cơ bản để xác định được vị trí ảnh của một vật qua quang cụ hay hệ quang cụ. Tuy nhiên tia sáng chỉ là một mô hình, nhờ đó ta xác định được vị trí, độ lớn, góc trông... của
32
ảnh qua quang cụ, trong khi mục đích của kiến thức quang hình học là giúp ta xác định làm thế nào, ở vị trí nào... để mắt có thể quan sát sát rõ ảnh của một vật qua quang cụ. Khi học thì HS xác địuh vị trí, độ lớn ảnh...của một vật qua các quang cụ, hay hệ quang cụ bằng mô hình tia sáng, nhưng trong thực tế dụng cụ quang học dùng để quan sát ảnh, nên khi giảng dạy phần kiến thức này, GV cần phải cho HS thấy rõ ứng dụng thực tế của các dụng cụ quang học bằng phương pháp thực nghiệm.
*- Mô hình biểu tượng: Là dạng trừu tượng nhất của mô hình lý tưởng, những mô hình biểu tượng không tồn tại trong thực tế mà chỉ có trong tư duy. Ta chỉ nêu lên algorit để tạo ra mô hình và hình dung nó trong óc, chứ không làm ra mô hình cụ thể, với sự hình dung đó người ta có thể nghiên cứu hành vi của mô hình.
1.3.2.2. PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH TRONG VẬT LÝ HỌC: {24}{25}
Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô hình là lý thuyết tương tự, các kết luận rút ra từ sự tương tự có tính giả thuyết, vì vậy mô hình cũng có tính giả thuyết, giả thuyết đó chỉ trở thành chân lý khoa học khi chúng được kiểm tra và xác nhận bằng thực nghiệm. Từ khi xây dựng mô hình đến lúc xác nhận bằng thực nghiệm thì phương pháp mô hình có thể chia thành những giai đoạn như sau:
• Giai đoạn 1: Nghiên cứu các tính chất của đối tượng gốc bằng quan sát thực nghiệm xác định được tập hợp tính chất các đối tượng làm cơ sở xây dựng mô hình.
• Giai đoạn 2: Nhờ kết quả của sự tương tự hình dung sơ bộ về đối tượng nghiên cứu. Ở giai đoạn này, trí tưởng tượng và trực giác nhạy bén giữ vai trò quan trọng, nhờ chúng mà người ta có thể trừu xuất những tính chất và các mối quan hệ của đối tượng nghiên cứu thay thế nó bằng mô hình chỉ mang tính chất và các mối quan hệ mà chúng ta quan tâm.
33
• Giai đoạn 3: Thao tác trên mô hình (cho mô hình vận hành từ đó suy các hệ quả).
- Với mô hình vật chất: Người ta làm thí nghiệm thật trên đó để kiểm chứng hệ quả.
- Với mô hình lý tưởng: Người ta tiến hành suy luận lôgic trên nó kết hợp chặt chẽ với logic toán học.
• Giai đoạn 4: Thực nghiệm kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình sẽ được thẩm định nếu thực nghiệm kiểm chứng phù hợp với hệ quả được tiên đoán, khi đó mô hình được chấp nhận, còn ngược lại thì phải diều chỉnh mô hình hoặc loại bỏ và thay thế bằng mô hình khác.
1.3.2.3. VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ:
Phương pháp mô hình là phương pháp quan trọng trong vật lý. Học tập vật lý sử dụng phương pháp mô hình cùng với phương pháp nhận thức khác là giúp cho HĐNT của HS thuận lợi và bảo đảm tính khoa học hơn. Mặc dù HS nhiều khi không đủ khả năng để xây dựng mô hình, nhưng bằng cách này hay cách khác GV có thể sử dụng mô hình như phương tiện giúp cho HS HĐNT.
Phương pháp mô hình trong dạy học vật lý có thể phân chia thành các mức độ sau:
* Mức độ 1: GV trình bày các sự kiện thực tế mà HS không thể giải thích bằng kiến thức kinh nghiệm đã có, sau đó đưa mô hình mà các nhà khoa học xây dựng HS vận dụng nó để giải thích các sự kiện trên. Ở giai đoạn này, HS có thể thụ động tiếp thu mô hình, điều quan trọng là họ phân biệt được mô hình và thực tế và sử dụng mô hình để giải thích thực tế.
* Mức độ 2: HS sử dụng mô hình mà GV đưa ra để giải thích các hiện tượng khác tương tự như hiện tượng ban đầu.
34
* Mức độ 4: HS dưới sự hướng dẫn của GV tham gia vào cả 4 giai đoạn của việc xây dụng mô hình, nhờ đó nắm vững tính năng của mô hình và sử dụng nó để giải quyết các vấn đề nhận thức.
* Mức độ 5: HS tự lực và có thể sáng tạo xây dựng mô hình để giải quyết nhiệm vụ nhận thức của mình.
1.3.2.4. NHỮNG ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH TRONG VẬT LÝ HỌC:
1. Những ưu điểm:
Trước hết, phương pháp mô hình giúp ta hiểu rõ đối tượng nghiên cứu. Mô hình là vật đại diện, trên đó ta sẽ tác động những thao tác lôgic và thực nghiệm. Rất nhiều hiện tượng và quá trình được giải thích rõ ràng thông qua mô hình (mô hình khí lý tưởng).
Nhiều khi cùng một đối tượng phải dùng đến nhiều mô hình mới giải thích được, nhưng mô hình này có thể chứa đựng những tính chất trái ngược nhau (như mô hình sóng - hạt của ánh sáng), có trường hợp một mô hình có thể dùng cho nhiều loại hiện tượng khác nhau về bản chất (mô hình sóng: sóng âm, sóng cơ, sóng ánh sáng, dao động điện...).
Xu hướng hiện đại của vật lý là xây dựng những mô hình khái quát phản ánh nhiều mặt của thế giới khách quan. Phương pháp mô hình trong nhiều trường hợp đã dẫn đến những lý thuyết mới.
2. Những nhược điểm:
Các nhà khoa học đều công nhận tác dụng lớn lao của phương pháp mô hình, nhưng cũng đồng thời cũng nhấn mạnh tính gần đúng, tính tạm thời của nó. Các mô hình tuy phản ánh thế giới khách quan nhưng không thể thay thế hoàn toàn hiện thực khách quan được, thậm chí nhiều mô hình chỉ có giá trị hoàn toàn như một phương tiện nhận thức.
Mặc dù mỗi mô hình chỉ phản ánh được một mặt nào đó của thế giới khách quan, nhưng khi sử dụng một mô hình, người ta thường gắn cho nó tầm khái
35
quát rộng lớn. Vì, có khi vì quá tin vào một mô hình đã được xác lập mà người ta đi đến bảo thủ, không thừa nhận những sự kiện thực tế mới trái với mô hình đó, đây là sự lầm lẫn HS hay mắc phải giữa mô hình và thực tại mà nó đại diện gây cản trở cho quá trình HĐNT.