Phương pháp thực nghiệm trong quá trình sáng tạo khoa học Vật lý

8. Những chữ viết tắt trong đề tài

3.1. Phương pháp thực nghiệm trong quá trình sáng tạo khoa học Vật lý

3.1.1. Khái niệm.

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 PPTN.

PPTN nói ở đây là nói về PP 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.

3.1.2. Vai trò, vị trí của PPTN trong quá trình nhận thức khoa học

Phù hợp với quá trình nhận thức nói chung mà Lênin đã chỉ ra, quá trình sáng tạo của khoa học VL là quá trình đi từ sự khái quát hóa những sự kiện thực tế xuất phát đến xây dựng mô hình trừu tượng của hiện tượng (đề xuất giả thuyết), rồi từ mô hình dẫn đến việc rút ra các hệ quả lý thuyết và từ hệ quả các 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 PP nhận thức khoa học, trong đó đặc biệt là PPTN.

Nhờ PPTN ta đề xuất được tri thức, định luật mới (định luật thực nghiệm) và tiếp theo, tri thức đó sẽ có thể được lí giải một cách lý thuyết dựa trên những nghiên cứu lý thuyết.

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 được đề xuất do kết quả của PP nghiên cứu lý thuyết. Cung cấp những bằng chứng thực nghiệm mới dẫn tới sự cần thiết phải xây dựng các giả thuyết khoa học mới.

3.1.3. Phương pháp thực nghiệm của quá trình sáng tạo khoa học vật lý

- PPTN gồm các giai đọan chính sau đây:

+ Giai đoạn 1: Nhận biết các sự kiện khởi đầu, phát hiện vấn đề (nêu câu hỏi) + Giai đoạn 2: Xây dựng giả thuyết (Câu trả lời dự đoán)

+ Giai đoạn 3: Từ giả thuyết dùng suy luận logic để suy ra một hệ quả có thể kiểm tra được trong thực tế (có thể quan sát, đo lường được).

+ Giai đoạn 4: Bố trí thí nghiệm kiểm tra.

+ Giai đoạn 5: Kết luận (thí nghiệm xác nhận hay bác bỏ giả thuyết).

Thí nghiệm kiểm tra

Thiết kế PATN Lập kế hoạch TN Bố THTN thu thập dữ liệu Kết luận • Kinh nghiệm sống • Quan sát tự nhiên • TN, bài tập • Câu chuyện lịch sử…

Làm nảy sinh vấn đề cần ngiên cứu

Giả thuyết

3.2. PPTN trong dạy học vật lý. 3.2.1. PPTN trong dạy học vật lý. 3.2.1. PPTN trong dạy học vật lý.

Ở đây ta muốn đề cập một PPDH, trong đó PPTN của quá trình sáng tạo khoa học được vận dụng vào quá trình dạy học vật lý. Thực chất của PPTN này là ở chỗ: GV tổ chức, chỉ đạo hoạt động học tập của học sinh theo các bước tương tự như các giai đoạn của PPTN 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 được 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 PPTN trong dạy học VL, GV phải sử dụng TN (dưới dạng TNBD của GV và TN của HS làm). Không sử dụng TN thì không thể nói đến PPTN. Nhưng cũng cần lưu ý rằng, điều này không có nghĩa là hễ có sử dụng TN trong DH thì là đã áp dụng PPTN như vừa nói ở trên. Bởi vì trong DH VL, TN 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 quá trình nghiên cứu theo đòi hỏi của việc xác lập hoặc kiểm tra một giả thuyết nào đó. Việc sử dụng TN trong trường hợp như thế thì không phải theo tinh thần áp dụng PPTN của VL học.[4]

3.2.2. Các giai đoạn của PPTN trong dạy học vật lý

Để giúp học sinh có thể bằng những hoạt động của bản thân mình mà tái tạo, chiếm lĩnh được các kiến thức vật lí thì tốt nhất là giáo viên phỏng theo PPTN của các nhà khoa học mà tổ chức cho HS hoạt động theo các giai đọan sau:

+ Giai đoạn 1: Giáo viên 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: Giáo viên hướng dẫn, gợi ý cho HS xây dựng một câu trả lời dự đoán ban đầu, dựa vào sự quan sát tỉ mỉ, kĩ lưỡng, vào kinh nghiệm của bản thân, vào những kiến thức đã có…(Ta gọi là xây dựng giả thuyết). Những dự đóan này có thể còn thô sơ, có vẽ hợp lý nhưng chưa chắc chắn.

+ Giai đoạn 3: Từ giả thuyết dùng suy luận lôgic hay suy luận toán học suy ra hệ quả: Dự đoán một hiện tượng trong thực tiễn, một mối quan hệ giữa các đại lượng vật lí.

+ 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 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 thực tiễn, để nghiên cứu các thiết bị kĩ 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.

3.2.3. Hướng dẫn HS 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 không nhiều. Đó là nhiều 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

không thể vượt qua được thì có thể sử dụng PPTN ở các mức độ khác nhau, thể hiện ở các mức độ HS tham gia vào các giai đoạn của PPTN.

+ Giai đoạn 1:

 Mức độ 1: HS tự lực phát hiện vấn đề, nêu câu hỏi. GV giới thiệu hiện tượng xảy ra đúng như thường 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.

 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 học sinh nêu ra một vấn đề, một câu hỏi cần giải đáp. VD: dao chém gỗ thì gỗ đứt, cũng dao đó chém vào đá thì dao mẻ, vậy giữa lực của dao tác dụng vào gỗ (hay đá) và lực của gỗ (hay đá) tác dụng vào dao lực nào lớn hơn?

 Mức độ 3: GV nhắc lại 1 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. . VD: Sau khi đã học cảm ứng điện từ. Đã biết điều kiện sinh ra dòng điện cảm ứng, GV yêu cầu HS xem muốn biết đầy đủ hơn về dòng cảm ứng còn phải xét thêm vấn đề gì nữa? 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 có thể phụ thuộc những yếu tố nào? Chiều của dòng điện cảm ứng được xác định như thế nào?

+ Giai đoạn 2: Risa Faayman cho rằng: “Các định luật vật lý 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 rất nhiều dự đoán mà ta phải lần lượt tìm ra cách bác bỏ.

 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.

 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 HS. Ở đây GV dùng phương pháp kể chuyện lịch sử để giới thiệu các giả thuyết mà các nhà bác học đã đưa ra. + 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 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.

 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. Như vậy, hệ quả suy ra từ giả thuyết chỉ là gần đúng.

+ 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: TN đơn giản, HS đã biết cách thực hiện các phép đo, sử dụng các dụng cụ đo.

 Mức độ 2: HS 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. GV phải giúp đỡ bằng cách giới thiệu phương án làm để HS thực hiện.

 Mức độ 3: Có nhiều trường hợp thí nghiệm kiểm tra là những thí nghiệm kinh điển rất tinh tế, không thể thực hiện ở trường phổ thông. Trong trường hợp này, GV mô tả cách bố trí thí nghiệm rồi thông báo kết quả các phép đo để HS gia công các số liệu, rút ra kết luận hoặc GV thông báo cả kết luận. VD như: TN kiểm tra định luật vạn vật hấp dẫn trên cân xoắn, TN kiểm tra công thức của lực tương tác giữa hai điện tích.

+ Giai đoạn 5: Những ứng dụng của các định luật thường có 3 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 HS chỉ cần vận dụng định luật VL 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 GV nghĩ ra, chứ không có ý nghĩa trong đời sống hay sản xuất hằng 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 VL.

 Mức độ 3: Xét một ứng dụng kĩ thuật trong đó không chỉ áp dụng các định luật VL mà còn phải có những giải pháp đặc biệt để làm cho các hiện tượng VL có hiệu quả cao, sao cho thiết bị được sử dụng thuận tiện trong đời sống và sản xuất. Trong loại ứng dụng này, HS không những phải vận dụng những định luật VL vừa được thiết lập mà còn phải vận dụng tổng hợp những hiểu biết, những kinh nghiệm về nhiều lĩnh vực khác của VL.

3.2.4.Tổ chức dạy học VL theo PPTN ở trường THPT

a.Các dạng hoạt động học của HS trong khi áp dụng PPTN

Hiện tượng VL rất phức tập và đa dạng. Trong lịch sử, các nhà VL đã sáng tạo ra rất nhiều cách làm để đạt được mục đích mong muốn, rất nhiều loại hành động đã được áp dụng. Có thể mỗi một phát minh mới của VL học là do kết quả của rất nhiều hành động ở những mức độ khó khăn phức tạp khác nhau, nhiều thao tác có mức độ tinh vi, thành thạo ngày càng cao, khó có thể liệt kê đầy đủ và phân loại chính xác. Dưới đây chỉ nêu những dạng hoạt của HS trong khi áp dụng PPTN:

- Thấy được nhu cầu cần phải xem xét.

- Xây dựng một gải thuyết về mối quan hệ đó.

- Tìm một hệ quả suy ra từ gải thuyết (bằng suy luận logic hay toán học). - Lập phương án TN kiểm tra dự đoán.

- Tiến hành TN kiểm tra. - Kết luận.

- Vận dụng vào thực tiễn.

b. Rèn luyện cho HS những kỹ năng cấn thiết khi áp dụng PPTN

Xây dựng tình huống có vấn đề tạo ra hứng thú ban đầu nhưng muốn duy trì được hứng thú, tính tích cực, tự giác trong một quá trình hoạt động thì cần phải giúp đỡ cho HS sao cho họ có thể thành công trong khi thực hiện các hành động. Càng thành công họ càng cố gắng vươn lên thực hiện các nhiệm vụ khó khăn hơn, phức tạp hơn. Có thể rèn luyện những kỹ năng theo hai cách: Một là làm theo mẫu nhiều lần (bắt chước) theo một Angôrit (một trình tự chặt chẽ, máy móc), hai là rèn luyện theo những cơ sở định hướng (đó là những sơ đồ, những kế hoạch tổng quát).

Rèn luyện kỹ năng theo con đường Angôrit hóa thường được ở cấp Trung học cơ sở khi bắt đầu học VL, rèn luyện những hành động và thao tác vật chất. Chẳng hạn như để hình thành kỹ năng sử dụng lực kế để đo lực.

Rèn luyện kỹ năng theo những sơ đồ định hướng sẽ giúp cho HS có thể thực hiện tốt những hành động phức tạp trong đó không phải thực hiện các thao tác theo một Angôrit chặt chẽ là con đường tối ưu, nhiều khi cần có sự chủ động thay đổi hoặc kết hợp chúng để đem lại những hiệu quả nhanh hơn, chính xác hơn. Sơ đồ định hướng đó có thể áp dụng cho nhiều mục đích tương tự.

Thí dụ như để rèn luyện kỹ năng lập phương án TN để kiểm tra một gải thuyết có thể thực hiện theo sơ đồ định hướng sau:

- Chọn một hệ quả suy ra từ lý thuyết, hệ quả đó biểu hiện ra ở hiện tượng, những đại lượng VL có thể quan sát hoặc đo lường được.

- Chọn những dụng cụ thiết bị có khả năng quan sát được những hiện tượng hay đo lường được những đại lượng dự đoán trong điều kiện cụ thể của hệ quả.

- Lập kế hoạch TN bao gồm:

• Lập sơ đồ bố trí các dụng cụ thiết bị mà ta cho là hợp lý nhất để cho hiện