Theo Nguyễn Ngọc Hưng, các thí nghiệm do giáo viên và học sinh tự làm hay còn gọi là thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm có đặc điểm: việc chế tạo dụng cụ thí nghiệm đòi hỏi vật liệu phải đơn giản, dễ kiếm, ít tốn kém; dụng cụ dễ chế tạo, việc gia công các vật liệu chỉ bằng các dụng cụ thông thường; dễ lắp ráp, tháo rời các bộ phận; dễ bảo quản, vận chuyển, an toàn trong chế tạo cũng như bố trí, tiến hành thí nghiệm; việc tiến hành và bố trí loại dụng cụ này đơn giản, không tốn nhiều thời gian; hiện tượng Vật lí diễn ra trong dụng cụ rõ ràng, dễ quan sát.
Theo các tác giả Nguyễn Anh Thuấn, Đặng Minh Chưởng, Dương Xuân Quý thì cho rằng: Thí nghiệm tự tạo là các thí nghiệm được chế tạo từ các thiết bị phổ biến có thể mua sắm trên thị trường ở Việt Nam (như các vi mạch, IC, cảm biến, cổng quang, động cơ…) với giá thành không quá cao, gia công và lắp ráp không quá phức tạp đối với năng lực của giáo viên. Thí nghiệm tự tạo vẫn đảm bảo độ chính xác về định lượng và tính khả thi trong DHVL ở trung học phổ thông.
Tác giả Lê Văn Giáo cho rằng: Thí nghiệm đơn giản, rẻ tiền là những thí nghiệm được tạo ra từ những dụng cụ đơn giản, rẻ tiền, dễ kiếm trong đời sống.
Từ các khái niệm về thí nghiệm tự tạo như trên thì theo chúng tôi thí nghiệm tự tạo sẽ là những thí nghiệm mang định tính hay định lượng do giáo viên và học sinh tự chế tạo ra các thí nghiệm (mô hình) từ đơn giản đến phức tạp, từ những vật liệu, linh kiện, thiết bị thông dụng, dễ kiếm trong đời sống.
1.4.1.2. Các đặc điểm cơ bản của dụng cụ thí nghiệm đơn giản
Dụng cụ thí nghiệm đơn giản có các đặc điểm cơ bản: (Nguyễn Ngọc Hưng,
2013).
- Việc chế tạo dụng cụ thí nghiệm đòi hỏi ít vật liệu, vật liệu đơn giản, rẻ tiền, dễ kiếm kể cả đối với các thí nghiệm định lượng.
- Dụng cụ thí nghiệm phải dễ làm bằng các công cụ thông dụng như kìm, búa, cưa, giũa, ...
- Dễ lắp ráp, tháo rời các bộ phận của dụng cụ thí nghiệm. Vì vậy với cùng một dụng cụ thí nghiệm đơn giản, trong nhiều trường hợp, ta chỉ cần thay thế các chi tiết phụ trợ là có thể làm được thí nghiệm khác.
- Dễ bảo quản, vận chuyển và an toàn trong quá trình chế tạo cũng như tiến hành thí nghiệm.
- Việc bố trí và tiến hành thí nghiệm với những dụng cụ thí nghiệm này cũng đơn giản không tốn nhiều thời gian.
- Hiện tượng diễn ra trong thí nghiệm phải rõ ràng, dễ quan sát.
1.4.1.3. Phân loại thí nghiệm tự tạo được sử dụng trong vật lí ở trường phổ thông (Nguyễn Hoàng Anh, 2015); (Đặng Minh Chưởng, 2011); (Nguyễn Ngọc Hưng, 2013)
Có nhiều cách phân loại thí nghiệm tự tạo theo các dấu hiệu khác nhau. Thông thường, người ta phân loại thí nghiệm tự tạo dựa vào mức độ phức tạp của quá trình gia công, lắp ráp thí nghiệm. Theo cách phân loại này, thí nghiệm tự tạo gồm hai loại sau:
- Thí nghiệm tự tạo đơn giản: là các thí nghiệm được chế tạo ra trên cơ sở thực hiện các thao tác gia công, lắp ráp tương đối đơn giản, nhanh gọn với các dụng cụ hỗ trợ phổ biến trong đời sống như: kìm, búa, tuốt vít, dao, kéo, cưa, đục, mài, dũa… Tuy nhiên vật liệu được sử dụng không chỉ từ các phế liệu như: vỏ lon bia, vỏ chai nước, tấm sắt, mẩu gỗ, linh kiện có thể tận dụng từ các bộ thí nghiệm cũ hoặc đồ chơi trẻ em đã hỏng…; mà có thể là các linh kiện điện tử, vật liệu điện, vật liệu từ sử dụng phổ biến trong cuộc sống hàng ngày nên học sinh dễ mua sắm (với giá thành thấp) như: bóng đèn, công tắc, bảng điện, các đèn LED, dây đồng dẫn điện, nam châm, lò xo xoắn, động cơ điện một chiều nhỏ… Ví dụ trong một số thí nghiệm được khai thác, tự tạo của đề tài, qua các thao tác gia công đơn giản có thể tự tạo mô hình điện kế, mô hình máy phát điện, thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ…
- Thí nghiệm tự tạo phức tạp: đó là những thí nghiệm mà quá trình gia công, lắp ráp tạo nên chúng đòi hỏi nhiều thao tác tương đối phức tạp, công phu, mất nhiều thời gian hoặc có thể cần đến sự hỗ trợ của thợ lành nghề cùng máy móc cơ khí hiện đại. Ví dụ: khi chế tạo các bánh răng truyền động trong chuyển động cơ; sử dụng máy cưa, tiện gỗ để chế tạo ghế xoay trong thí nghiệm kiểm chứng định luật
bảo toàn mô men động lượng; hàn nối các chi tiết, linh kiện điện tử để lắp ráp thí nghiệm khảo sát chu kỳ dao động của con lắc đơn…
Hầu hết loại thí nghiệm tự tạo đơn giản thường là các thí nghiệm định tính, đơn giản trong chế tạo và sử dụng nên phù hợp với mục tiêu dạy học của chương giải thích hiện tượng. Với các loại thí nghiệm tự tạo phức tạp, thường có sự đầu tư nhiều hơn về kỹ thuật gia công các thiết bị, việc chế tạo và sử dụng nó thường phức tạp hơn, thường được sử dụng để dạy ở chương trình trung học phổ thông. Thực tiễn dạy học Vật lí ở trường phổ thông cho thấy: việc sử dụng loại thí nghiệm tự tạo nào trong dạy học để đạt được hiệu quả cao không phụ thuộc vào tính đơn giản hay phức tạp của thí nghiệm tự tạo đó mà thường phụ thuộc vào đặc điểm và vai trò của thí nghiệm trong việc đáp ứng mục tiêu dạy học cụ thể.
Ngoài hai cách phân loại trên, còn có thể phân loại theo thí nghiệm tự tạo định tính và thí nghiệm tự tạo định lượng; dựa vào mục đích sử dụng trong dạy học, thí nghiệm tự tạo được phân thành thí nghiệm mở đầu, thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng mới, thí nghiệm củng cố luyện tập… Thế nên, có nhiều cách phân loại khác nhau mà người dạy có thể chọn cách và chọn thí nghiệm tự tạo nào để sử dụng trong dạy học cho phù hợp vào mục đích, nội dung kiến thức cụ thể cũng như các phương pháp dạy học. Trong đề tài luận văn này, chúng tôi chủ yếu tập trung nghiên cứu chế tạo và sử dụng thí nghiệm tự tạo đơn giản trong phần Cảm ứng điện từ, vì loại thí nghiệm tự tạo này rất phù hợp với nội dung kiến thức và đối tượng học sinh ở Trung tâm giáo dục thường xuyên.
1.4.1.4. Vai trò của việc tự tạo thí nghiệm trong dạy học vật lí
Tự tạo thí nghiệm Vật lí có vị trí, vai trò quan trọng trong dạy học. Có thể kể tới một số vai trò của thí nghiệm trong dạy học Vật lí sau: (Hà Văn Hùng và Lê Cao Phan, 2004), (Nguyễn Ngọc Hưng, 2013).
- Phát huy tính tích cực, tự lực và chủ động trong hoạt động nhận thức của học sinh: Tự tạo thí nghiệm trong dạy học Vật lí thường hướng đến việc sử dụng vào hỗ trợ tổ chức dạy học thông qua các phương pháp dạy học tích cực nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh. Bên cạnh đó, khi tổ chức các hoạt động học tập cho học sinh với việc gia công, lắp ráp và tiến hành thí nghiệm không
những tạo được động cơ, hứng thú say mê tìm tòi, nghiên cứu mà còn tạo cơ hội để học sinh tự giác, chủ động tham gia xây dựng kiến thức mới. Đây chính là các yếu tố tâm lí tạo nên tính tích cực trong học tập cũng như trong hoạt động nhận thức của học sinh. Vì vậy, việc tổ chức cho học sinh tự tạo thí nghiệm có vai trò quan trọng trong phát huy tính tích cực, tự lực và chủ động trong hoạt động nhận thức của học sinh.
- Thí nghiệm tự tạo giúp củng cố, hệ thống kiến thức một cách vững chắc.
Trong một thí nghiệm Vật lí, có thể có nhiều hiện tượng Vật lí xảy ra đồng thời. Do đó, để tiến hành thí nghiệm học sinh cần có kiến thức tổng hợp của nhiều kiến thức. Ngoài ra có thể các kết quả thí nghiệm không giống như dự đoán ban đầu, nhiều yếu tố khác tác động làm cho kết quả thí nghiệm diễn biến theo một chiều hướng khác. Việc giải thích kết quả thí nghiệm trong trường hợp này đòi hỏi học sinh phải có một kiến thức tổng hợp. Vì vậy, thí nghiệm giúp cho học sinh củng cố kiến thức cũ, thấy mối liên hệ giữa các kiến thức.
- Góp phần làm phong phú thí nghiệm được sử dụng trong dạy học: Việc nghiên cứu tự tạo thí nghiệm không chỉ nhằm bổ sung những thí nghiệm còn thiếu, chưa được trang bị mà còn có vai trò tạo tính đa phương án cho một nội dung thí nghiệm hoặc một phương án có thể sử dụng vào dạy học nhiều bài thí nghiệm khác nhau. Do đó, với vai trò tạo ra sự phong phú về phương án thí nghiệm sẽ giúp giáo viên thuận tiện cho việc lựa chọn và sử dụng thí nghiệm vào tổ chức hoạt động nhận thức và rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo cho học sinh trong dạy học ở lớp cũng như tổ chức tự học ở nhà.
- Thí nghiệm tự tạo có tác động mạnh mẽ tới các giác quan của học sinh. Khi tham gia tiến hành thí nghiệm, các giác quan của học sinh bị tác động mạnh. Khi đó, các vùng khác nhau của não sẽ được huy động làm việc nhiều hơn, điều này kích thích sự hứng thú cho học sinh, đồng thời tăng tính hiệu quả của quá trình học, rút ngắn thời gian nhận thức. Vì vậy, khi học sinh trực tiếp làm thí nghiệm, học sinh được làm việc, rèn luyện, sáng tạo, tăng hiệu quả của quá trình học tập. Ngoài ra, khi làm thí nghiệm, các giác quan được tác động mạnh mẽ nên việc ghi nhớ kiến thức trở nên dễ dàng, không gượng ép.
Thí nghiệm tự tạo giúp cho học sinh gắn liền với cuộc sống thực tế, rèn luyện tính thích ứng cho học sinh. Nếu học sinh được hướng dẫn thường xuyên làm thí nghiệm không những trong giờ học, mà còn ngoài giờ học; không những trong phạm vi trường học mà còn ở nhà và các địa điểm khác; thường xuyên có nhu cầu giải quyết vấn đề kĩ thuật đơn giản nảy sinh trong cuộc sống hàng ngày thì học sinh sẽ có thói quen vận dụng các tri thức đã học vào thực tế đời sống.
1.4.1.5. Sự cần thiết của việc sử dụng các dụng cụ thí nghiệm đơn giản trong dạy học Vật lí ở trường phổ thông (Nguyễn Ngọc Hưng, 2013)
Việc giao cho học sinh nhiệm vụ thiết kế, chế tạo dụng cụ thí nghiệm đơn giản có tác dụng trên nhiều mặt, góp phần nâng cao chất lượng nắm vững kiến thức, phát triển năng lực hoạt động trí tuệ - thực tiễn độc lập và sáng tạo của học sinh.
Do được tự tay chế tạo và sử dụng các dụng cụ thí nghiệm để tiến hành các thí nghiệm, giải thích hoặc tiên đoán các kết quả thí nghiệm, đòi hỏi học sinh phải huy động các kiến thức Vật lí đã học, vì vậy các em nắm kiến thức chính xác, sâu sắc và bền vững hơn. Kiến thức không chỉ được củng cố mà còn được mở rộng, đào sâu và hệ thống hóa.
Mặc dù đã có các thiết bị chế tạo sẵn được cung cấp trong phòng thí nghiệm nhà trường, nhưng các thiết bị này đôi khi có một số nhược điểm như: sự hiện đại của nó che lấp bản chất Vật lí của hiện tượng xảy ra, hoặc với sự hiện đại của nó, học sinh chỉ cần thực hiện thao tác rất đơn giản, không đòi hỏi kĩ năng thực nghiệm và sự sáng tạo để cải tiến dụng cụ, hơn nữa các thiết bị được cung cấp sẵn trong phòng thí nghiệm thường rất xa lạ với cuộc sống, trong khi dụng cụ thí nghiệm đơn giản tự thiết kế và chế tạo lại khắc phục được những nhược điểm đó.
Lịch sử phát triển của Vật lí cho thấy: những phát minh cơ bản thường gắn với các dụng cụ thí nghiệm đơn giản. Việc chế tạo các dụng cụ thí nghiệm đơn giản và tiến hành các thí nghiệm với chúng làm tăng hứng thú học tập, kích thích tính tích cực và sáng tạo của học sinh.
Nhiệm vụ thiết kế, chế tạo các dụng cụ thí nghiệm đơn giản và tiến hành thí nghiệm với chúng làm tăng hứng thú học tập, tạo niềm vui của sự thành công trong học tập, phát huy tính tích cực và năng lực sáng tạo của học sinh. Giáo viên có thể
cá thể hóa quá trình học tập của học sinh bằng cách giao cho các đối tượng học sinh khác nhau những nhiệm vụ chế tạo và tiến hành thí nghiệm với mức độ khó, dễ, nông, sâu và mức độ hướng dẫn khác nhau.
Ngoài ra, dụng cụ thí nghiệm đơn giản tự làm còn có ưu điểm là phục vụ rất kịp thời và đắc lực cho việc đổi mới nội dung và phương pháp dạy học, nâng cao hiệu quả dạy học.
1.4.1.6. Khả năng sử dụng các dụng cụ thí nghiệm đơn giản trong dạy học Vật lí ở trường phổ thông (Nguyễn Ngọc Hưng, 2013)
Đối với đặc thù bộ môn Vật lí, học sinh có thể tăng cường các hoạt động thực nghiệm thông qua việc học sinh được làm thí nghiệm với các thiết bị có sẵn trong phòng thí nghiệm hay tự chế tạo các dụng cụ thí nghiệm đơn giản và tiến hành các thí nghiệm với chúng. Việc tiến hành các thí nghiệm không chỉ trong giờ học chính khóa mà còn ở trong các giờ học tự chọn, giờ học ngoại khóa; hoặc ở nhà tùy thuộc vào khả năng cũng như cơ sở vật chất của từng trường phổ thông.
Các dụng cụ thí nghiệm đơn giản có thể được sử dụng ở tất cả các khâu của quá trình dạy học: Đặt vấn đề (tạo tình huống có vấn đề), hình thành kiến thức mới (kiểm tra các giả thuyết đã nêu ra), củng cố và vận dụng các kiến thức đã học (trong đó có việc đề cập các ứng dụng kĩ thuật của kiến thức trong sản xuất và đời sống) và cũng có thể dùng để kiểm tra đánh giá kiến thức, kĩ năng của học sinh.
Các dụng cụ thí nghiệm đơn giản được sử dụng trước hết cho thí nghiệm của học sinh, tiến hành trên lớp hoặc ở nhà. Chúng cũng có thể được giáo viên sử dụng trong giờ học để tiến hành các thí nghiệm biểu diễn.
Việc chế tạo và sử dụng các dụng cụ thí nghiệm đơn giản để tiến hành các thí nghiệm có thể giao cho từng học sinh hoặc các nhóm học sinh làm ở nhà hay trong giờ ngoại khóa, không những để củng cố các kiến thức đã học mà có khi còn để cung cấp các tư liệu thực nghiệm chuẩn bị cho nội dung kiến thức ở các bài học sau.
Cùng một mục đích về mặt nội dung kiến thức, giáo viên có thể tiến hành thí nghiệm trên lớp với dụng cụ thí nghiệm có sẵn trong phòng thí nghiệm, còn học sinh được giao nhiệm vụ tiến hành các thí nghiệm này nhưng với các dụng cụ thí nghiệm đơn giản do mình chế tạo.
Giáo viên cũng có thể làm thí nghiệm trên lớp với dụng cụ thí nghiệm đơn giản, yêu cầu học sinh về nhà chế tạo lại hoặc chế tạo dụng cụ thí nghiệm theo phương án khác (nếu có).
Với dụng cụ thí nghiệm đơn giản do mình chế tạo, học sinh tiến hành lại thí nghiệm mà giáo viên đã biểu diễn trên lớp nhưng nghiên cứu sâu hơn các mối liên hệ giữa các đại lượng được đề cập trong nội dung thí nghiệm.
1.4.1.7. Thí nghiệm Vật lí ở nhà của học sinh (Nguyễn Ngọc Hưng, 2013), (Phạm Thị Trang Nhung, 2016)
Đối với bộ môn Vật lí, việc đổi mới phương pháp dạy học được thể hiện trên nhiều mặt, trong đó có việc tăng cường các hoạt động thực nghiệm của học sinh. Học sinh không những được làm quen và tiến hành các thí nghiệm với các thiết bị có sẵn trong phòng thí nghiệm mà còn được giao nhiệm vụ thiết kế, chế tạo các dụng cụ thí nghiệm đơn giản và tiến hành các thí nghiệm với chúng. Học sinh tiến hành thí nghiệm không chỉ trong giờ học chính khóa mà còn ở các giờ học tự chọn,