Cũng nhƣ các môn khoa học tự nhiên khác, khoa học vật lí nghiên cứu thế giới tự nhiên nhằm phát hiện ra những đặc tính và qui luật khách quan của các sự vật hiện tƣợng trong tự nhiên cũng nhƣ vận dụng chúng trong giải quyết các vấn đề trong thực tiễn, nâng cao đời sống con ngƣời. Vấn đề then chốt đầu tiên phải đặt ra cho ngƣời nghiên cứu là: làm thế nào để tìm ra chân lí, làm thế nào để biết rằng những điều mà nhà nghiên cứu tìm ra là đúng chân lí khách quan? V.I. Lênin đã khái quát hoá những thành tựu của rất nhiều nhà khoa học trên con đƣờng đi tìm chân lí, nhiều khi phải trải qua những cuộc đấu tranh gian khổ, quyết liệt và đã chỉ ra: “Từ trực quan sinh động đến tƣ duy trừu tƣợng, rồi từ tƣ duy trừu tƣợng trở về thực tiễn, đó là con đƣờng biện chứng của sự nhận thức chân lí, của sự nhận thức hiện thực khách quan”. V.G. Razumopxki trên cơ sở khái quát hoá cách thức xây dựng kiến thức khoa học của những nhà vật lí nổi tiếng nhƣ A.Einstein, M. Plank, M.Born, P.l. Kapitsa… đã trình bày những khía cạnh chính của quá trình sáng tạo khoa học dƣới dạng chu trình sáng tạo khoa học (Hình 2.1).
Theo chu trình sáng tạo, từ sự khái quát hoá những sự kiện đi đến xây dựng mô hình trừu tƣợng. Từ mô hình rút ra các hệ quả lôgic (bằng con đƣờng suy luận lôgíc) và đƣợc kiểm tra bằng thực nghiệm. Khi có sự phù hợp giữa kết quả thực nghiệm và hệ quả lí thuyết thì mô hình đƣợc chấp nhận trở thành chân lý.
Nhƣ vậy, TN đóng vai trò ở hai khâu: khâu trình bày các sự kiện xuất phát và khâu kiểm chứng giả thuyết bằng thực nghiệm để hợp thức hoá mô hình. Các lí thuyết khoa học đƣợc xem nhƣ những mô hình đƣợc con ngƣời xây dựng lên để biểu đạt thực tế. Các mô hình này cần phải đƣợc hợp thức hoá trên cơ sở xem xét sự phù hợp của các hệ quả rút ra (theo con đƣờng suy luận lôgic) với các kết quả thực nghiệm. Trong quá trình phát triển của khoa học, các mô hình có thể bị thay thế, đƣợc hoàn thiện, và ngày càng phong phú, giúp cho con ngƣời nhận thức thế giới ngày càng đúng đắn, đầy đủ, sâu sắc, hệ thống hơn.
TN hỗ trợ kiểm tra giả thuyết: TN nhất thiết phải đƣợc sử dụng trong giai đoạn kiểm tra tính đúng đắn của các hệ quả đƣợc rút ra từ giả thuyết khi dạy học bằng con đƣờng khảo sát thực nghiệm; TN phải đƣợc sử dụng để kiểm nghiệm các kết quả đã tìm đƣợc từ suy luận lí thuyết khi dạy học PH&GQVĐ bằng con đƣờng suy luận lí thuyết [56] .
Cần sử dụng các TBTN để tạo cơ hội cho HS nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật liên quan tới kiến thức đã thu đƣợc.
Theo chúng tôi, để thực hiện đổi mới việc dạy học vật lí ở trƣờng phổ thông, ở góc độ TBTN, cần có những nghiên cứu xây dựng các TBTN nhằm tạo điều kiện cho GV và HS trực tiếp thực hiện các TN để tìm ra kiến thức thông qua việc giải quyết các vấn đề học tập ngay tại lớp học. Điều này là một yếu tố quan trọng giúp phát triển tính tích cực, sáng tạo của HS trong quá trình học tập môn Vật lí.
2.3.1.2. Sự cần thiết sử dụng phối hợp các loại phương tiện dạy học trong việc tổ chức quá trình nhận thức vật lí một cách khoa học
PTDH là các phƣơng tiện sƣ phạm đối tƣợng vật chất do GV hoặc (và) HS sử dụng dƣới sự chỉ đạo của GV trong QTDH, tạo những điều kiện cần thiết nhằm đạt đƣợc mục đích dạy học.
Các PTDH đƣợc sử dụng chủ yếu trong nhà trƣờng là: Các vật thật, các vật tƣợng trƣng (bản đồ, sơ đồ, đồ thị, bản vẽ…), các vật tạo hình (tranh, ảnh, mô hình, hình vẽ, phim…), các TN và TBTN, các phƣơng tiện mô tả đối tƣợng và hiện tƣợng bằng lời nói, kí hiệu (SGK, sách hƣớng dẫn, các tài liệu in, các công thức…), các phƣơng tiện kĩ thuật dạy học (phƣơng tiện nghe- nhìn, camera, computer…) [72]
Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, kĩ thuật và công nghệ, các PTDH rất phong phú, đa dạng, theo chúng tôi có thể phân chia thành hai loại chính: PTDH kĩ thuật số và PTDH truyền thống.
PTDH kĩ thuật số là các PTDH đƣợc sử dụng dựa trên nền tảng kĩ thuật số (digital). Các PTDH kĩ thuật số bao gồm các phƣơng tiện nghe – nhìn nhƣ máy chiếu đa năng projector, các phim video, ảnh kĩ thuật số, TN mô phỏng, TN tƣơng tác trên màn hình và TBTN ghép nối máy tính…
PTDH truyền thống là tất cả các PTDH còn lại, có nghĩa là không sử dụng kĩ thuật số. Trong dạy học vật lí, các PTDH truyền thống bao gồm các loại sau:
- Các vật thật trong đời sống và kĩ thuật.
- Các TBTN dùng để tiến hành các TN của GV và các TN của HS. - Các mô hình vật chất.
- Bảng.
- Tranh ảnh và các bản vẽ sẵn.
- Các tài liệu in: SGK, sách bài tập, sách hƣớng dẫn TN và các tài liệu tham khảo khác.
-..v..v..
Sự liệt kê trên cho thấy các PTDH có thể sử dụng trong dạy học vật lí là đa dạng và phong phú. Trong các loại PTDH đó, các TBTN dùng cho TN của GV và TN của HS đứng ở vị trí hàng đầu, thể hiện đặc thù của vật lí là một môn khoa học thực nghiệm. Vai trò của chúng không hề giảm sút, mặc dù các PTDH nghe - nhìn ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi.
Trong thực tế dạy học vật lí ở trƣờng phổ thông, việc sử dụng phối hợp các PTDH truyền thống và kĩ thuật số đã đƣợc thực hiện vì các phân loại nhƣ trên chỉ là tƣơng đối. Nhiều TBTN thô sơ trong lịch sử nghiên cứu vật lí đƣợc sử dụng trong nhà trƣờng chủ yếu trong các TN khảo sát định tính, tuy nhiên để tăng độ chính xác, hƣớng đến khảo sát hay kiểm chứng định lƣợng nhiều thiết bị đã đƣợc hiện đại hóa (thí dụ: Máng trƣợt đƣợc cải tiến thành đệm không khí để khử bớt ma sát, đồng hồ đo thời gian đƣợc cải tiến từ đồng hồ đếm giây cầm tay chuyển sang đồng hồ kĩ thuật số, việc thu thập số liệu TN thông qua các cảm biến (sensor) có thể kết nối máy tính... hỗ trợ thu thập, xử lí số liệu)…
Trong luận án này, chúng tôi đề xuất việc xây dựng và sử dụng các TN theo các phƣơng án:
+ Cải tiến cấu trúc các TBTN truyền thống theo hƣớng số hóa (Đèn hoạt nghiệm, nguồn xung…)
+ Xây dựng mới các TBTN kĩ thuật số để thu thập, xử lí, hỗ trợ đánh giá đối tƣợng nghiên cứu đòi hỏi tính chính xác, khoa học, trong các điều kiện nghiên cứu đặc biệt nhƣ diễn ra rất nhanh hoặc rất chậm…
+ Sử dụng TN mô phỏng nhằm trực quan hóa các mô hình (phƣơng trình) vật lí toán trong các điều kiện cụ thể, hỗ trợ HS hình dung tiếp nhận những kiến thức mang tính khái quát một cách trực quan, dễ dàng thông qua hình ảnh, âm thanh (multimedia) các quá trình diễn biến theo thời gian một cách chọn lọc
+ Sử dụng các video, các file âm thanh đã đƣợc ghi lại từ các hiện tƣợng tự nhiên (chứ không sắp đặt hay tự nghĩ, tạo ra hiện tƣợng không tồn tại trong thực tế trƣớc khi tìm ra kiến thức) làm dữ liệu thực tế kết hợp với các phần mềm phân tích (Phần mềm phân tích âm thanh, phân tích video, phần mềm dao động kí…) nhằm hỗ trợ khảo sát bản chất các hiện tƣợng vật lí. Sử dụng trong bƣớc giải quyết vấn đề trong dạy học.
Các phƣơng án sử dụng trên nhằm mục đích hỗ trợ dạy học đạt hiệu quả khi tổ chức quá trình nhận thức một cách khoa học phỏng theo quá trình nghiên cứu vật lí cho HS.
Cần chú ý rằng, các kiến thức thực tế và lí thuyết HS đã có chính là cơ sở không những để tiếp thu các quy luật khách quan của thế giới tự nhiên mà còn là những thông tin mà GV cần suy nghĩ sử dụng trong pha tạo tình huống để HS phát hiện vấn đề nghiên cứu. Việc tổ chức cho HS chiếm lĩnh các nội dung kiến thức cần dựa trên các hiểu biết đã có của HS, từ đó đƣa tới các nhận thức đúng đắn về các quy luật vận động của thế giới tự nhiên và việc vận dụng linh hoạt vào quá trình tƣơng tác với tự nhiên, kĩ thuật sau này của các em. Để thực hiện đƣợc điều đó, HS cần đƣợc nhập vai các nhà khoa học với cách nghiên cứu, tiếp cận đúng đắn.
Dƣới đây là một ví dụ về việc tổ chức HS học vật lí phỏng theo NCVL, trong đó tránh đƣợc sự sắp đặt, áp đặt ngay từ đầu quá trình nhận thức đối với HS.
Khi nghiên cứu hiện tƣợng đặc biệt đặc trƣng cho quá trình sóng là hiện tƣợng giao thoa, ngƣời nghiên cứu vật lí ban đầu chƣa có một khái niệm gì về hiện tƣợng đó, với con đƣờng thực nghiệm, cần có rất nhiều quan sát tự nhiên và các TN nhằm tìm ra quy luật phản ánh bản chất hiện tƣợng. Trong dạy học, ngƣời GV phải nắm vững đƣợc kiến thức, vì vậy đối với họ việc đƣa ra khái niệm về hiện tƣợng giao thoa sóng nƣớc là phần bắt HS (chƣa biết gì về hiện tƣợng này) phải thừa nhận một hiện tƣợng mới lạ một cách ép buộc. Có thể thấy vai trò trung tâm của ngƣời thầy
(mà không phải lấy HS làm trung tâm) vẫn đƣợc chú trọng ở pha cho HS thừa nhận ban đầu này. Các nghiên cứu từ trƣớc tới nay chỉ chú trọng thiết kế tiến trình dạy học phục vụ giải quyết vấn đề về bản chất của hiện tƣợng giao thoa sóng nƣớc. Nhƣ vậy tiến trình dạy học PH&GQVĐ đã đƣợc thực hiện nhƣng để HS học vật lí phỏng theo con đƣờng NCVL vẫn chƣa đƣợc thực hiện.
Để tổ chức quá trình học vật lí tiếp cận với con đƣờng NCVL trong dạy học phần này, rõ ràng ngay cả việc hình thành khái niệm giao thoa sóng nƣớc cũng cần đƣợc HS tiếp cận theo cách của các nhà vật lí đã từng thực hiện: nghĩa là cần xem xét tất cả các hiện tƣợng diễn ra theo các tình huống, điều kiện khác nhau, trong vô số các hiện tƣợng khác nhau xảy ra, hiện tƣợng giao thoa đƣợc xuất hiện và đƣợc sự chú ý đặc biệt của nhà vật lí vì tính đơn giản trong nghiên cứu nhằm tìm ra quy luật riêng từ đó mở rộng tìm quy luật chung cho quá trình sóng.
Tuy nhiên, dạy học giao thoa sóng cơ cho HS trải nghiệm phỏng theo con đƣờng NCVL không thể thực hiện đƣợc vì hạn chế về thời gian trên lớp và điều kiện nghiên cứu. Hạn chế về thời gian trên lớp có thể đƣợc khắc phục trên cơ sở có thể chuyển một số nhiệm vụ học tập trên lớp về nhà, song hạn chế về điều kiện nghiên cứu, đặc biệt là các TBTN đang đòi hỏi các nhà lí luận dạy học, các công ty thiết bị dạy học … đầu tƣ nghiên cứu chế tạo. Để vận dụng trong dạy học PH&GQVĐ phỏng theo con đƣờng NCVL, cần cho HS trải nghiệm qua việc tiến hành TN theo các pha: Ban đầu lần lƣợt cho từng nguồn sóng hoạt động, sau đó cho đồng thời hai nguồn sóng hoạt động, trong đó tần số một trong hai nguồn thay đổi có giá trị nhỏ hơn, bằng và lớn hơn giá trị tần số của nguồn sóng còn lại, HS quan sát hiện tƣợng và lƣu ý tới hiện tƣợng đặc biệt khi hai nguồn có cùng tần số (đó chính là hiện tƣợng giao thoa). GV gợi ý đặt tên gọi của hiện tƣợng (giao thoa sóng nƣớc) để hình thành biểu tƣợng ban đầu.
Khi nghiên cứu sâu về đặc điểm của hiện tƣợng giao thoa phỏng theo con đƣờng NCVL, HS cần đƣợc cung cấp các điều kiện về thực nghiệm trong giai đoạn kiểm chứng tính đúng đắn của hệ quả rút ra từ mô hình vật lí toán, cụ thể là cần các TBTN, cũng nhƣ sử dụng các lí thuyết đã biết sao cho HS tự tìm ra đƣợc bản chất của hiện tƣợng trong các trƣờng hợp khác nhau. Ví dụ các thiết bị đó cần đáp ứng
các yêu cầu về tính chính xác và định lƣợng nhƣ: các nguồn cùng pha, lệch pha bất kì, thiết bị cho phép nghiên cứu giao thoa khi khoảng cách các nguồn thay đổi với giá trị xác định trƣớc có ảnh hƣởng gì tới hiện tƣợng?... Tất cả các yêu cầu đó cần đƣợc đáp ứng bởi bộ TBTN mới cần đƣợc nghiên cứu, vì các bộ TBTN hiện có không đáp ứng đƣợc.
Khi nghiên cứu hiện tƣợng sóng dừng, TN truyền thống cho phép HS quan sát trực quan các nút, bụng và nắm đƣợc một số đặc điểm chính của hiện tƣợng nhƣ sự cách đều của nút, bụng. Tuy nhiên các kết luận rút ra từ lí thuyết, ví dụ nhƣ mỗi phần tử dây đang dao động, các phần tử dây khác nhau dao động với biên độ khác nhau, độ lệch pha dao động giữa các phần dây là không đổi…không đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm do hạn chế của thiết bị và sự cảm nhận bằng mắt ngƣời có giới hạn do hiện tƣợng lƣu ảnh trên võng mạc.
Khi tổ chức dạy học hiệu ứng Đốpple âm, bộ TBTN truyền thống đang đƣợc sử dụng không thể kiểm chứng định lƣợng hiện tƣợng. Với TN định tính quay nguồn âm, cho HS nghe âm phát ra, với hiện tƣợng thu nhận đƣợc, HS thƣờng cho rằng hiện tƣợng âm nghe to nhỏ dẫn tới âm nghe cao, thấp là biểu hiện của hiệu ứng Đốpple (ở phần giải thích). Điều đó chƣa chứng tỏ bản chất hiện tƣợng và không phù hợp với phần lí thuyết giải thích định lƣợng ở phần tiếp theo của bài học, đồng thời lí thuyết này cũng không giải thích đƣợc kết quả thực nghiệm mà TN đƣa lại. Chính vì vậy, việc sử dụng TN đang có không phù hợp với tiến trình xây dựng kiến thức một cách khoa học, phỏng theo con đƣờng NCVL. Từ đó, đòi hỏi cần có thiết bị và phƣơng án TN khác phù hợp hơn.
Các phân tích ở trên cho thấy: cần xây dựng các TBTN kĩ thuật số và cần sử dụng phối hợp các TN truyền thống và kĩ thuật số, để đáp ứng yêu cầu tổ chức hoạt động nhận thức vật lí của HS một cách khoa học.
2.3.2. Vai trò của thí nghiệm trong việc tổ chức quá trình nhận thức vật lí một cách tích cực sáng tạo một cách tích cực sáng tạo
- TN có vai trò quan trọng trong chiếm lĩnh kiến thức của HS:
+ TN trong dạy học vật lí là nguồn tri thức, là tiêu chuẩn chân lí của các kiến thức về tự nhiên.
+ TN cũng chính là phƣơng tiện xây dựng giả thuyết. Việc sử dụng TN cho các kết quả tạo kinh nghiệm ban đầu, gợi mở, tạo ra các suy nghĩ và các dự đoán khác nhau, từ đó làm nảy sinh các định hƣớng đi tới việc giải quyết vấn đề đƣợc chọn.
+ TN là phƣơng tiện để kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết. Nếu kết quả TN phù hợp với giả thuyết thì giả thuyết trở thành chân lí khách quan, trở thành tri thức khoa học, nếu không phù hợp thì phải bỏ đi giả thuyết cũ và xây dựng giả thuyết mới. Thông thƣờng, các TN loại này thƣờng kiểm tra gián tiếp thông qua các hệ quả của giả thuyết đã đƣợc suy luận một cách chặt chẽ khoa học trên cơ sở các quy luật và phƣơng pháp luận khoa học. TN là phƣơng tiện kiểm tra tính đúng đắn giữa lí thuyết và thực hành, giữa lí luận và thực tiễn. Có lí thuyết xây dựng giả thuyết, từ đó có thể đƣợc TN kiểm chứng, có TN mới có thể khẳng định đƣợc tính đúng đắn của giả thuyết đƣợc đề xuất.
+ TN giúp củng cố và vận dụng kiến thức một cách vững chắc.
- TN có vai trò quan trọng trong việc phát triển các năng lực hoạt động nhận thức tích cực, tự lực và sáng tạo:
+ TN là nguồn cung cấp thông tin chính xác, trực quan và khách quan về các sự vật hiện tƣợng.
+ TN tác động mạnh tới các giác quan của HS: thực hiện TN, HS cần tới thị giác, thính giác, khứu giác, xúc giác thông qua hình ảnh, màu sắc, âm thanh…