thống và kĩ thuật số trong việc tổ chức quá trình nhận thức vật lí một cách tích cực, sáng tạo
Dựa trên những quan điểm học vật lí nhƣ nghiên cứu và quá trình nghiên cứu vật lí với vai trò quan trọng của TN trong các giai đoạn của quá trình nghiên cứu, vận dụng lí thuyết J. Piaget và L.S. Vygotsky trong dạy học, chúng tôi đề xuất hệ thống các biện pháp sử dụng phối hợp TN truyền thống và kĩ thuật số trong việc tổ chức quá trình nhận thức vật lí một cách tích cực và sáng tạo trên cơ sở sử dụng PTDH số và truyền thống.
Các biện pháp sử dụng phƣơng tiện kĩ thuật số (PTDH số) trong dạy học đƣợc xây dựng trên các quan điểm cơ bản sau:
Quan điểm 1: Chỉ sử dụng PTDH số khi các PTDH truyền thống không giúp HS nhận thức một các khoa học (đầy đủ và chính xác) kiến thức vật lí đƣợc nghiên cứu.
Quan điểm 2: Chỉ sử dụng PTDH số khi các PTDH truyền thống không hỗ trợ tốt việc tổ chức quá trình hoạt động nhận thức của HS một cách tích cực, tự lực và sáng tạo.
Quan điểm 3: Mỗi loại PTDH, phƣơng tiện truyền thống hay PTDH số, đều có ƣu nhƣợc điểm riêng, vì vậy trong tổ chức dạy học cần phải phối hợp sử dụng các lại phƣơng tiện này để đạt mục đích dạy học. Việc sử dụng PTDH nào, vào lúc nào là tùy thuộc và mục đích đặt ra mà PTDH đó phải đạt đƣợc và khả năng đáp ứng đƣợc hay không của PTDH đó [46]
Từ các quan điểm trên, đối chiếu với quá trình tổ chức nhận thức tích cực và sáng tạo của HS và nội dung các bƣớc của dạy học PH&GQVĐ trong dạy học phần sóng cơ, dẫn đến việc cần thực hiện các biện pháp khi sử dụng TN trong dạy học:
Biện pháp 1: Tăng cường các hoạt động của HS trong việc sử dụng những quá trình, hiện tượng trong tự nhiên và trong đời sống hay những TN về những quá trình, hiện tượng tồn tại trong tự nhiên, cuộc sống được hỗ trợ bằng máy vi tính khi xây dựng tình huống có vấn đề để HS đề xuất được vấn đề cần nghiên cứu
Biện pháp thƣờng đƣợc sử dụng trong quá trình tổ chức xây dựng tình huống có vấn đề, nhƣ dựa vào kinh nghiệm sống, các cứ liệu thực nghiệm từ TN, bài tập, kiến
thức cũ, câu chuyện lịch sử... nhằm tạo điều kiện để HS ý thức đƣợc vấn đề học tập đòi hỏi xây dựng một kiến thức mới và hi vọng là có thể xây dựng đƣợc, TN có vai trò quan trọng. Tuy nhiên dạy học phỏng theo con đƣờng NCVL thì cần chọn lọc TN mở đầu là những quá trình, hiện tƣợng tồn tại trong tự nhiên hay trong đời sống mà HS đã trải nghiệm, nghĩa là không nên sử dụng những thí nghiệm tạo nên các quá trình, hiện tƣợng không tồn tại trong tự nhiên. Ví dụ nhƣ, nên dùng hiện tƣợng nghe âm thanh còi ô tô khi ô tô chạy đến gần hay ra xa thay cho việc sử dụng hiện tƣợng nghe âm thanh của chiếc còi đƣợc quay tròn.
Ở giai đoạn định hƣớng mục đích nghiên cứu, có thể sử dụng TN để đề xuất vấn đề cần nghiên cứu. Đặc biệt có hiệu quả là việc sử dụng TN để tạo tình huống có vấn đề. Do hiện tƣợng đƣợc quan sát từ TN mâu thuẫn với kiến thức đã biết, với kinh nghiệm sẵn có hoặc trái ngƣợc với sự chờ đợi của HS nên nó tạo ra nhu cầu, hứng thú tìm tòi kiến thức mới của HS. Các TN đƣợc sử dụng để tạo tình huống có vấn đề thƣờng là các TN đơn giản, tốn ít thời gian chuẩn bị và tiến hành và tốt nhất là sử dụng các tình huống tồn tại trong thực tiễn.
Đối với việc dạy học phần sóng cơ, các TN thƣờng là các TN truyền thống nhƣ nguồn sóng nƣớc, bộ tạo sóng dừng … đƣợc sử dụng với vai trò của của TN biểu diễn. Tuy nhiên kết quả thu đƣợc nhƣ hình ảnh sóng trên mặt nƣớc khi có hiện tƣợng giao thoa, hiện tƣợng sóng dừng, âm nghe đƣợc trong hiệu ứng Đốpple mới chỉ dừng lại ở dạng hình ảnh, âm thanh của các quá trình vật lí diễn ra rất nhanh, có thể cho kết quả suy luận chƣa đúng bản chất, đặc biệt khi HS chỉ giữ vai trò quan sát, việc thực hiện TN là GV theo yêu cầu của nội dung dạy học. Chính vì vậy cần thay đổi cách sử dụng TN này với việc sử dụng các TBTN đƣợc hỗ trợ bằng công nghệ số theo yêu cầu tiếp cận kiến thức của HS, trong đó sử dụng kết hợp TN tƣơng tác trên màn hình, TN ghép nối máy tính (TN kĩ thuật số) để giúp đáp ứng đƣợc các yêu cầu dạy học nhƣ “dừng thời gian”, làm chậm hiện tƣợng khảo sát để giúp tìm ra bản chất hiện tƣợng.
Chính quá trình kết hợp TN truyền thống và TN kĩ thuật số có thể đem lại các tình huống có vấn đề, làm nảy sinh các mâu thuẫn giữa kết quả quan sát, cảm nhận trực tiếp bởi hiện tƣợng theo thời gian thực (kết quả thu đƣợc chính xác của TN
truyền thống) và kết quả quan sát đo đạc đƣợc thông qua khảo sát chi tiết theo từng nhịp đếm thời gian cỡ 10-6s (thu đƣợc qua TN kĩ thuật số khảo sát chính hiện tƣợng đó).
Chính vì lí do trên, để tạo tình huống có vấn đề, TN thƣờng dùng bên cạnh các tình huống tồn tại trong thực tiễn, có thể là TN biểu diễn thực hoặc TN kĩ thuật số.
Các TN cải tiến (TN truyền thống kết hợp TN kĩ thuật số) đƣợc tiến hành trong thời gian ngắn, thành công ngay, thể hiện đƣợc bản chất của vấn đề đƣợc nghiên cứu, loại bỏ các tác động khác ảnh hƣởng tới định hƣớng ban đầu của HS. Thƣờng sử dụng các TN đơn giản, định tính minh họa các hiện tƣợng hoặc TN trình bày các ứng dụng kĩ thuật của các hiện tƣợng. Kết quả TN cần có một mức độ thích hợp giữa kiến thức đã nhận thức đƣợc và hiện tƣợng mới đang đƣợc quan sát, từ đó mới tạo đƣợc sự hứng thú nhận thức đối với HS.
Với các TN mà nguyên tắc đo, cách tiến hành phức tạp, nên tiến hành nhiều bƣớc dần dần và sử dụng trong suốt QTDH bài học hoặc cả chƣơng trình học. Trong quá trình nghiên cứu kiến thức, có thể quay trở lại TN đã trình bày để khai thác sâu hơn dựa trên việc nghiên cứu lí thuyết của hiện tƣợng đang xét, nghĩa là HS có thể giải thích đƣợc các hiện tƣợng quan sát đƣợc ở TN trên cơ sở kiến thức vừa mới nhận thức đƣợc.
Với các phân tích trên, sẽ phát huy đƣợc tính tích cực của HS, tạo điều kiện phát triển năng lực sáng tạo của HS.
Biện pháp 2: Tăng độ chính xác, tính định lượng, số lượng dữ liệu về quá trình, hiện tượng Vật lí trong các TN của HS theo dạy học PH&GQVĐ
Trong dạy học PH&GQVĐ, TN có vai trò rất quan trọng trong việc khẳng định kết luận hay giả thuyết đã đƣợc rút ra bằng con đƣờng lí thuyết hay thực nghiệm có phù hợp với thực nghiệm hay không. Chính vì vậy, để phát huy tính tích cực của HS cần có các TN với độ chính xác cao, đảm bảo thành công ngay, thu thập nhanh và đầy đủ thông tin về quá trình hiện tƣợng đƣợc nghiên cứu.
Để học vật lí phỏng theo NCVL, HS cần đƣợc sử dụng các TBTN có thể đáp ứng đƣợc các yêu cầu đa dạng về phƣơng án TN đƣợc đề xuất bởi HS, qua đó làm cơ sở đánh giá giả thuyết đặt ra của nhiều HS có phù hợp thực nghiệm hay không.
Biện pháp này chỉ đƣợc sử dụng giới hạn cho quá trình dạy học vật lí với yêu cầu ở mức độ nâng cao về quá trình nhận thức của HS, ví dụ nhƣ áp dụng cho việc dạy học các phần kiến thức ở lớp cuối cấp THPT hoặc lớp chuyên sâu về môn vật lí.
Với các hiện tƣợng vật lí diễn ra rất nhanh, bằng các TBTN truyền thống chỉ có thể thu đƣợc các kết quả chung nhất về hiện tƣợng, thí dụ TN quay nguồn âm đơn sắc tần số không đổi, HS nghe đƣợc âm cao thấp khác nhau. Chỉ sau khi sử dụng các thiết bị kĩ thuật số ghi âm tại một vị trí, sử dụng phần mềm phân tích âm thanh hoặc sử dụng phần mềm dao động kí, mới có thể nhận đƣợc trực tiếp số liệu về tần số âm, biên độ thay đổi rõ ràng. Dữ liệu thu đƣợc với bộ số liệu lớn để xử lí có sai số rất nhỏ, tùy theo yêu cầu của TN mà bộ số liệu đã đƣợc hỗ trợ xử lí tính toán qua các công cụ kĩ thuật số giúp cho số lƣợng kết quả thu đƣợc là lớn, đáp ứng đƣợc các yêu cầu khác nhau của QTDH.
Do hoạt động dựa trên công nghệ số nên TN kĩ thuật số có các khả năng ƣu việt hơn các TN truyền thống, cụ thể:
- Độ nhạy cao nhờ các cảm biến, nhờ bộ khuếch đại tín hiệu. Các cảm biến thu thập số liệu nhƣng không ảnh hƣởng tới quá trình tiến hành TN: Đóng ngắt đồng hồ hồ đo thời gian bằng tia hồng ngoại, đo tần số dao động nhờ chiếu sáng hoạt nghiệm…
- Độ chính xác cao, do đƣợc điều khiển bởi chƣơng trình máy vi tính (ví dụ thiết kế đƣợc độ lệch pha giữa 2 nguồn sóng tới 1 độ trong máy phát tần số kép)
- Dữ liệu thu thập về đối tƣợng nghiên cứu trong khoảng thời gian ngắn rất lớn (bình thƣờng cỡ 106 số liệu trong 1s) do tần suất lấy mẫu lớn
- Hoàn toàn tự động thu thập số liệu do đƣợc điều khiển bằng các chƣơng trình máy tính (Sử dụng trong trƣờng hợp thu thập những số liệu ngoài khả năng đo trực tiếp của HS – Ví dụ: Đo tần số âm, đo điện áp tức thời xoay chiều; hoặc đo đại lƣợng cần độ chính xác cao bởi các thiết bị hiện đại hỗ trợ khảo sát định lƣợng)
- Ngoài ra, các TN kĩ thuật số còn hỗ trợ trong việc trình bày số liệu TN qua bảng, đồ thị, tính toán, xử lí số liệu hay kiểm tra giả thuyết trong thời gian hết sức ngắn.
Từ đó TN kĩ thuật số hỗ trợ tối ƣu trong giai đoạn giải quyết vấn đề, khi rất cần các TN định lƣợng có độ nhạy và độ chính xác cao, có bộ số liệu đầy đủ, phong phú mọi khoảng thời gian ngắn hay dài, có thể phân tích xử lí số liệu cũng nhƣ trình bày kết quả theo các phƣơng pháp phức tạp khác nhau, trong thời gian rất ngắn, (nhƣ đƣợc sử dụng trong nghiên cứu vật lí) mà dạy học cho phép.
Với TN truyền thống phần giao thoa sóng nƣớc, do hạn chế của nguyên tắc hoạt động của thiết bị nên khó điều chỉnh độ lệch pha, biên độ của hai nguồn kết hợp một cách chính xác nhƣ ý muốn trong quá trình nghiên cứu. Nếu sử dụng nguồn sóng đã đƣợc hỗ trợ của thiết bị kĩ thuật số, có thể cho phép ngƣời sử dụng điều chỉnh, đặt chính xác thông số biên độ A, tần số dao động f, pha ban đầu 0… của từng nguồn, do đó điều chỉnh tùy ý độ lệch pha giữa hai nguồn, từ đó có thể mở rộng phạm vi sử dụng của bộ thiết bị, giúp việc nghiên cứu quá trình giao thoa một cách khoa học trong giai đoạn tạo tình huống có vấn đề cũng nhƣ giải quyết vấn đề với việc thực hiện các thí nghiệm kiểm chứng nhiều kết luận/ hệ quả rút ra từ suy luận lí thuyết.
Biện pháp 3: Kết hợp TN trực diện của HS và TN biểu diễn của GV
Cũng nhƣ TN biểu diễn, TN trực diện có thể đƣợc sử dụng trong giai đoạn đề xuất vấn đề cần nghiên cứu, giai đoạn giải quyết vấn đề và giai đoạn củng cố kiến thức mà HS đã học. Các loại TN biểu diễn và trực diện đều đƣợc tiến hành trong thời gian ngắn và cần đƣợc GV chuẩn bị chu đáo với mục tiêu để mọi HS trong lớp đều tích cực, tự lực hoạt động trong giờ học qua quan sát hiện tƣợng, phát hiện ra điều lạ, điều mới mẻ, trái với những hiểu biết đã có của mình để tự nêu ra câu hỏi (nêu vấn đề cần giải quyết) và đề xuất giả thuyết, suy luận từ giả thuyết ra hệ quả có thể kiểm tra bằng TN; đề xuất phƣơng án TN để kiểm tra giả thuyết hoặc hệ quả suy ra từ nó và để kiểm nghiệm giả thuyết đã xây dựng bằng con đƣờng lí thuyết cũng nhƣ để minh họa kiến thức đã đƣợc thông báo đến việc thực hiện các thao tác bố trí TN, tiến hành TN, ghi chép các hiện tƣợng quan sát đƣợc, các số liệu đo đƣợc, xử lí kết quả TN và rút ra kết luận [58]
Biện pháp 4: Tăng cường hoạt động của HS trong việc sử dụng các TN mô phỏng về các quá trình vi mô
Tăng cƣờng hoạt động của HS trong việc sử dụng các TN mô phỏng về các quá trình vi mô của sóng trong các điều kiện cụ thể để giúp HS hình dung một cách
đúng đắn, trực quan quá trình, hiện tƣợng nghiên cứu, từ đó có thể đề xuất phƣơng án bố trí thí nghiệm kiểm chứng sự đúng, sai của kết luận. Các TN mô phỏng này có thể đƣợc HS nghiên cứu ở nhà, qua các phần mềm đƣợc GV giới thiệu, định hƣớng sử dụng trên máy vi tính, máy tính bảng hoặc các điện thoại thông minh. Đặc thù trong chƣơng "Sóng cơ" - Vật lí 12 THPT, nhiều kết luận trừu tƣợng đƣợc rút ra bằng con đƣờng suy luận lí thuyết, rất cần trực quan hóa (ví dụ qui luật dao động của các phân tử môi trƣờng khi có giao thoa, sóng dừng..v..v..).
Việc sử dụng các TN trong 4 biện pháp đã đề xuất ở trên, cần lƣu ý:
- sử dụng phối hợp sao cho HS đạt mục đích học kiến thức một cách khoa học, tích cực và sáng tạo
- TN truyền thống thƣờng và nên sử dụng trong giai đoạn phát hiện vấn đề
- TN truyền thống và TN kĩ thuật số thƣờng đƣợc sử dụng trong giai đoạn giải quyết vấn đề và trong giai đoạn củng cố, rèn luyện kĩ năng.