1.3.1. Thí nghiệm Vật lí
Thí nghiệm Vật lí là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan. Thông qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của sự tác động, ta có thể thu nhận được tri thức mới (Huỳnh Trọng Dương, 2007).
1.3.2. Các hình thức thí nghiệm Vật lí
Thí nghiệm Vật lí có thể được sử dụng dưới các hình thức sau:
- Thí nghiệm của giáo viên là thí nghiệm do giáo viên trình bày trước học sinh.
- Thí nghiệm của học sinh là do học sinh tự làm với các dạng:
+ Thí nghiệm đồng loạt của học sinh trong khi học bài mới ở trên lớp để nghiên cứu sâu một vài nội dung bài học. Khi không có điều kiện cho tất cả học sinh (hoặc tất cả nhóm học sinh) làm thì một vài học sinh được chỉ định biểu diễn một vài thí nghiệm khi nghiên cứu bài mới.
+ Thí nghiệm thực hành ở trên lớp học nhằm củng cố kiến thức đã học và rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo làm thí nghiệm, thường được tổ chức sau một số bài hoặc vào cuối học kỳ.
+ Thí nghiệm ngoại khóa, ở nhà (ngoài lớp) như thí nghiệm vui trong các buổi hội vui về Vật lí hoặc tự làm ở nhà riêng.
1.3.3. Đặc điểm của thí nghiệm Vật lí
Thí nghiệm Vật lí có các đặc điểm cơ bản: (Nguyễn Trọng Sửu và Nguyễn Hải Châu, 2007).
- Các điều kiện của thí nghiệm phải được lựa chọn và thiết lập có chủ định sao cho thông qua thí nghiệm, có thể trả lời được câu hỏi đặt ra, có thể kiểm tra được giả thuyết hoặc hệ quả suy ra từ giả thuyết.
- Mỗi thí nghiệm có ba yếu tố cấu thành cần được xác định rõ: đối tượng nghiên cứu; phương tiện gây tác động lên đối tượng cần nghiên cứu và phương tiện quan sát, đo đạc để thu nhận các kết quả của sự tác động.
cứu sự phụ thuộc giữa hai đại lượng, trong khi các đại lượng khác giữ không đổi. - Các điều kiện của thí nghiệm phải được khống chế, kiểm soát đúng như dự định nhờ sử dụng các thiết bị thí nghiệm có độ chính xác ở mức độ cần thiết, nhờ sự phân tích thường xuyên các yếu tố của đối tượng cần nghiện cứu, làm giảm tối đa ảnh hướng của các nhiễu
- Đặc điểm đặc biệt quan trong của thí nghiệm là có thể quan sát được các biến đổi của đại lượng nào đó do sự biến đổi của đại lượng khác. Điều này đạt được nhờ các giác quan của con người và sự hỗ trợ của các phương tiện khi quan sát, đo đạc.
- Có thể lắp lại thí nghiệm. Tức là, với các thiết bị thí nghiệm, các điều kiện thí nghiệm như nhau thì khi bố trí lại thí nghiệm, tiến hành lại thí nghiệm, hiện tượng, quá trình Vật lí phải diễn ra trong thí nghiệm giống như ở các lần thì nghiệm trước đó.
1.3.4. Các yêu cầu đối với thí nghiệm Vật lí
Thí nghiệm Vật lí có một số yêu câu sau:
- Những yêu câu chung đối với việc sử dụng thí nghiệm Vật lí
Để thí nghiệm phát huy đầy đủ các chức năng của nó trong dạy hoc Vật lí thì việc sử dụng thí nghiệm phải tuân thủ theo một số yêu cầu chung về mặt kỹ thuật và về mặt phương pháp dạy học như:
+ Xác định rõ logic của tiến trình dạy học, trong đó việc sử dụng thí nghiệm phải là một bộ phận hữu cơ của quá trình dạy học, nhằm giải quyết một nhiệm vụ cụ thể trong nhận thức.
+ Xác định rõ các dụng cụ thí nghiệm cần sử dụng, sơ đồ bố trí thí nghiệm, tiến trình thí nghiệm.
+ Thí nghiệm phải trình bày quá trình, hiện tượng Vật lí cần nghiên cứu xảy ra một cách ổn định và chính xác.
+ Trong thí nghiệm, phải tạo điều kiện cho người nghiên cứu quan sát, thu thập đầy đủ các thông tin cần thiết về quá trình, hiện tượng Vật lí cần nghiên cứu để có thể hỗ trợ việc tổ chức hoạt động nhận thức tích cực, tự lực, sáng tạo của học sinh.
- Những yêu cầu cơ bản đối với thí nghiệm biểu diễn
Thí nghiệm biểu diễn là rất có ích trong các trường hợp: thí nghiệm quá phức tạp, mất nhiều thời gian, khó đảm bảo an toàn trong quá trình học sinh làm thí nghiệm, không đủ dụng cụ thí nghiệm cho đồng loạt học sinh. Việc sử dụng phải tránh tình trạng lạm dụng, chỉ sử dụng thí nghiệm như một sự trình diễn đơn thuần và tuân thủ các yêu cầu về đặt kế hoạch, chuẩn bị, bố trí tiến hành và xử lí kết quả thí nghiệm như sau:
+ Yêu cầu về việc đặt kế hoạch thí nghiệm: Nghiên cứu kỹ lưỡng việc chuẩn bị các dụng cụ thí nghiệm và sử dụng thành thạo; phải kiểm tra sự hoạt động của dụng cụ thí nghiệm sẽ tiến hành trước giờ học.
+ Yêu cầu trong việc bố trí thì nghiệm: Việc này cần phải đảm bảo cho các học sinh ở cuối lớp cũng có thể quan sát rõ được dụng cụ thí nghiệm, cách tiến hành và kết quả thí nghiệm. Vì vậy, cần lắp rắp từng bước các dụng cụ thí nghiệm trước mắt học sinh; mô tả kỹ những bộ phận và dụng cụ được dùng trong thí nghiệm; chỉ đặt trên bàn những dụng cụ cần thiết cho thí nghiệm; bố trí các dụng cụ thí nghiệm ở không gian phù hợp để toàn bộ học sinh có thể quan sát và thấy rõ; dùng vật chỉ thị để làm nổi bật bộ phận chính, các dây nối,…; mỗi thí nghiệm cần thống nhất sơ đồ với bố trí thí nghiệm.
+ Yêu cầu trong quá trình tiến hành thí nghiệm: cần định hướng cho học sinh vào những trọng điểm cần quan sát; đối với thí nghiệm định lượng cần phải lập bảng ghi các giá trị đo hợp lí trước khi tiến hành thí nghiệm; thí nghiệm cần phải được lặp lại vài lần.
+ Yêu cầu trong việc xử lí kết quả thí nghiệm: việc thu thập dữ liệu cần phải trung thực, dù cho việc khái quát hoặc rút ra kết luận; xử lí kết quả thí nghiệm phải có đủ thời gian và thực hiện một cách chu đáo.
1.4. Bồi dưỡng năng lực thực nghiệm Vật lí cho học sinh thông qua hoạt động ngoại khoá về chế tạo thí nghiệm từ các dụng cụ đơn giản
1.4.1. Chế tạo và tiến hành thí nghiệm từ các dụng cụ đơn giản
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