9. Bố cục luận văn
1.1.2. Phương pháp thực nghiệm
1.1.2.1. Phương pháp thực nghiệm trong khoa học Vật lí
a. Sự ra đời của phương pháp thực nghiệm trong khoa học Vật lí
Thời cổ đại, khoa học chưa phân ngành, chưa tách khỏi triết học.Xã hội gồm 2 giai cấp: chủ nô và nô lệ. Các nhà “hiền triết” thuộc giai cấp chủ nô cho rằng: có thể dùng suy lí, tranh luận để tìm ra chân lý. Vì vậy họ đã thay thế những mối quan hệ giữa sự vật , hiện tượng có thật trong tự nhiên (nhưng mình chưa biết) thành những mối quan hệ do mình tưởng tượng ra một cách chủ quan.
Mặc khác, thời trung thế kỷ, giáo hội Gia tô có một địa vị tối cao . Giáo hoàng Pôn II (thế kỉ XV) chủ trương:”giáo hội phải tiêu diệt khoa học vì khoa học là kẻ thù của tôn giáo”. Kết quả Bêcơn bị tù hơn 20 năm, Brunô bị thiêu sống vì dám đưa ra những luận cứ khoa học không thuận lợi cho tôn giáo thời đó.
Đến thế kỉ XVII , Galilê cho rằng những cuộc tranh luận suông như thế là vô bổ, không đi đến một kết luận khoa học , muốn hiểu biết những thuộc tính của sự vật , hiện tượng từ thiên nhiên thì phải quan sát thiên nhiên, phải làm cho thiên nhiên bộc lộ ra những thuộc tính đó một cách quy luật và khách quan chứ không tuân theo ý muốn chủ quan của con người hoặc thần linh nào cả.Galilê xây dựng một pp nghiên cứu mới là PPTN (trước đã có Archimède và Rôgiơ đã đề cao thực nghiệm nhưngchưa đưa ra thành phương pháp),ông cho rằng các kết luận khoa học đều phải được thực nghiệm kiểm chứng mới có giá trị.
Sau Galile nhà bác học Newton đã hình thành được các định luật tổng quát của tự nhiên và giải thích được gần như tất cả các bài toán khoa học vào thời của ông. Newton còn đi xa hơn việc chỉ đưa ra các quy tắc cho lý luận, ông đã miêu tả cách áp dụng chúng trong việc giải quyết một bài toán cụ thể. Ông trình bày bốn quy tắc của lý luận khoa học:
- Các hiện tượng tự nhiên phải được giải thích bằng một hệ tối giản các quy luật đúng, vừa đủ và chặt chẽ.
- Các hiện tượng tự nhiên giống nhau phải có cùng nguyên nhân như nhau. - Các tính chất của vật chất là như nhau trong toàn vũ trụ.
- Một nhận định rút ra từ quan sát tự nhiên chỉ được coi là đúng cho đến khi có một thực nghiệm khác mâu thuẫn với nó.
Newton là người đầu tiên định nghĩa cụ thể và hệ thống cách sử dụng phương pháp thực nghiệm. Phương pháp của ông cân bằng giữa lý thuyết và thực nghiệm, giữa toán học và cơ học. Ông toán học hoá mọi khoa học về tự nhiên, đơn giản hoá chúng thành các bước chặt chẽ, tổng quát và hợp lý, tạo nên sự bắt đầu của kỷ nguyên suy luận.
V.G.Razumovski trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm khoa học Vật lí đã đưa ra sơ đồ mối liên hệ các thành phần trong quá trình sáng tạo khoa học tự nhiên
Hình 1.3: Chu trình sáng tạo khoa học theo V.G.Razumovski
Theo các nhà khoa học đặc trưng hoạt động tư duy của từng giai đoạn là không giống nhau về mức độ khó khăn và tầm quan trọng
VD: Theo AnhXtanh, Bohr, Planck…. Bốn giai đoạn của quá trình đều khó khăn nhưng quan trọng nhất của quá trình sáng tạo là từ Sự kiện khởi đầu đi đến xây dựng mô hình giả định trừu tượng trong giai đoạn này tư duy trực giác giữ vai trò quyết định.
Mô hình giả định
trừu tượng Hệ quả
Tóm lại PPTN không phải được rút ra từ con đường nhận thức của một vài phát minh riêng lẻ, cũng không phải được nêu lên bởi ý kiến của một vài cá nhân mà nó là kết quả của cả quá trình nghiên cứu, hoạt động sáng tạo của rất nhiều các nhà Vật lí học. Vì vậy nó có sơ sở thực tiễn vững chắc, đủ sức thuyết phục cho thấy PPTN mang bản chất chu trình và tuân theo quy luật nhận thức đã được V.Lênin nêu lên trong công thức nổi tiếng “ Từ trực quan sinh động đến tư duy trừu tượng, từ tư duy trừu tượng trở về thực tiễn” đó là là con đường biện chứng của nhận thức chân lý, nhận thức thực tế khách quan đồng thời nó mang đặc trưng riêng của bộ môn Vật lí.
b. Cấu trúc và các quan điểm về PPTN trong khoa học Vật lí * Cấu trúc của PPTN
-Theo chu trình sáng tạo khoa học của V.G.Razumopxki thì cấu trúc của
PPTN trong khoa học gồm bốn giai đoạn: Giai đoạn 1: Sự kiện khởi đầu
Giai đoạn 2: Mô hình giả định trừu tượng
Giai đoạn 3: Hệ quả logic có thể kiểm tra bằng thực nghiệm Giai đoạn 4: Thí nghiệm kiểm tra
Vậy PPTN nằm ở đâu trong bốn giai đoạn này chúng ta hãy đi xét các quan điểm về PPTN
+ Quan điểm thứ 1:Cho rằng PPTN chỉ là khâu tiến hành thí nghiệm kiểm tra đánh giá giả thuyết đã có sẵn hoặc để đo đạc độ chính xác cao một đại lượng Vật lí nào đó. Như vậy PPTN chỉ là khâu thí nghiệm Vật lí. Cách hiểu này làm giảm vai trò của PPTN trong quá trình nhận thức. Đây là quan điểm theo nghĩa hẹp.
+ Quan điểm thứ 2: Quan điểm theo nghĩa rộng cho rằng PPTN bao gồm tất cả các khâu của quá trình nhận thức từ việc đặt vấn đề trên cơ sở các sự kiện thực nghiệm hoặc quan sát được đến khâu đề ra giả thuyết, tiến hành thí nghiệm kiểm tra giả thuyết, xử lý kết quả và rút ra kết luận về vấn đề nghiên cứu.
Theo chúng tôi trong chu trình sáng tạo khoa học của V.G.Razumopxki nếu theo quan điểm thứ nhất thì nó chỉ là khâu tiến hành thí nghiệm kiểm tra đánh giá còn theo quan điểm thứ hai thì phương pháp thực nghiệm phải bao gồm cả một quá trình tìm tòi từ ý tưởng, dự đoán ban đầu đến kết luận kiểm tra cuối cùng. Vậy theo quan điểm thứ hai về PPTN nó choán hết cả chu trình nhận thức khoa học.
Trong luận văn này chúng tôi vận dụng BĐTD trong xây dựng tiến trình dạy theo phương pháp thực nghiệm theo nghĩa rộng nhằm phát huy tính tích cực của học sinh.
1.1.2.2. Phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí
a. Cơ sở nghiên cứu của phương pháp thực nghiệm trong dạy học Vật lí
* Xuất phát từ mục tiêu dạy học Vật lí
Mục tiêu chiến lược của ngành giáo dục nước ta là “hình thành và phát triển các năng lực chủ yếu đáp ứng yêu cầu phát triển con người Việt Nam trong thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá:
Năng lực hành động có hiệu quả mà một trong những thành phần quan trọng là năng lực tự học, tự giải quyết vấn đề, mạnh dạn trong suy nghĩ, hành động trên cơ sở phân biệt được đúng, sai.
Năng lực thích ứng với sự thay đổi trong thực tiễn để có thể chủ động, linh hoạt và sáng tạo trong học tập, lao động…
Năng lực tự khẳng định, biểu hiện ở tinh thần phấn đấu học tập và lao động, không ngừng rèn luyện bản thân, có khả năng đánh giá và phê phán trong môi trường hoạt động”[5, tr. 15].
Chương trình Vật lí phổ thông tiếp tục khẳng định “cần coi trọng đúng mức các kiến thức về phương pháp nhận thức đặc thù của vật lí học như PPTN, phương pháp mô hình, phương pháp tương tự…” và “khối lượng kiến thức của mỗi tiết học cần được lựa chọn và cân đối với việc thực hiện đầy đủ các nhiệm vụ của việc dạy học, đặc biệt với việc tổ chức các hoạt động tích cực và đa dạng của học sinh”
Vật lí học ở trường phổ thông chủ yếu là Vật lí thực nghiệm. Những kiến thức Vật lí được xây dựng hầu hết dựa vào thí nghiệm hoặc được kiểm tra lại bằng thí nghiệm. Tổ chức hoạt động dạy học theo các giai đoạn của PPTN trong nghiên cứu Vật lí để đạt được cả hai mục tiêu: Giúp học sinh chiếm lĩnh kiến thức và góp phần rèn luyện phương pháp nhận thức KHVL [14]
*Xuất phát từ nguyên tắc chu trình của V.G.Razumovski
Trên cơ sở nghiên cứu chu trình nhận thức khoa học vật lí, Razumovski đã nêu lên nguyên tắc chu trình trong dạy học.
Khi phân tích nội dung các lý thuyết vật lí (định luật, thuyết, định lý …) Razumovski nhận thấy trong kết cấu của chúng đều có chung các thành phần như đã biểu diễn ở sơ đồ hình 1.3. Ông đã lấy nòng cốt cấu trúc này làm cơ sở để hình thành con đường nhận thức các lý thuyết vật lí cho học sinh. Ông gọi “Nguyên tắc về phương pháp giảng dạy lấy logic nhận thức khoa học làm cơ sở xây dựng tư liệu học tập trong giờ học là nguyên tắc chu trình”. Ông đã cùng tập thể các nhà sư phạm Liên xô (cũ) tiến hành thực nghiệm và rút ra kết luận: “Phù hợp với CTNTKHVL có thể xây dựng quá trình dạy học bao gồm tất cả những thành phần cần thiết của quá trình sáng tạo: Sự chuyển một cách trực giác từ tổng thông số những sự kiện xuất phát đến mô hình trừu tượng, việc rút ra từ chúng những hệ quả logic, kiểm tra bằng thực nghiệm những hệ quả đó”. Ông coi rằng “trong vật lí, điều này được thực hiện bởi bản chất chu trình của việc trình bày tài liệu khoa học và thông qua lối dạy dựa trên sự trình bày nêu vấn đề và sử dụng các bài tập sáng tạo”. Ông đã dẫn ra nhiều ví dụ để minh hoạ cho tư tưởng của mình: Ví dụ khi nghiên cứu “Dòng điện trong kim loại” theo sơ đồ: Sự kiện thực nghiệm xuất phát mô hình hệ quả Kiểm tra hệ quả bằng thực nghiệm. Ở ví dụ này, kiến thức chủ yếu được trình bày là thuyết điện tử về tính dẫn điện của kim loại [36, tr. 96].
Như vậy, tư tưởng cơ bản của nguyên tắc chu trình trong dạy học chính là việc xây dựng cấu trúc nội dung tài liệu học tập theo chu trình nhận thức khoa học. Nguyên tắc này thường dễ thực hiện đạt kiết quả cao khi giảng dạy các thuyết vật lí hoặc một phần của chương trình vật lí.
* Theo quy luật chuyển hoá từ phương pháp khoa học thành phương pháp dạy học
Theo Nguyễn Ngọc Quang: Các phương pháp dạy học đều có nguồn
gốc là những phương pháp khoa học tương ứng. Hay nói cách khác: “ Bất cứ phương pháp khoa học nào cũng có thể chuyển hoá thành phương pháp dạy học nói chung thông qua các điều kiện” [22, tr. 22]. Điều kiện này được biểu diễn bằng phương trình:
PKH PDH
Nói chung Nói chung
Đồng thời, Nguyễn Ngọc Quang cũng chỉ ra rằng có khả năng chuyển
hoá phương pháp khoa học bộ môn thành phương pháp dạy học bộ môn:
“ Phương pháp khoa học bộ môn dần dần chuyển hoá thành phương pháp dạy học bộ môn đó; trong sự chuyển hoá này, phương pháp khoa học đã bị biến đổi cho phù hợp với những đặc điểm của chủ thể học sinh và những điều kiện của quá trình dạy học” [22, tr. 25].
PKH PDH
Bộ môn Bộ môn
Như vậy hoàn toàn có thể chuyển hoá phương pháp khoa học thành phương pháp dạy học thông qua điều kiện , với là tổ hợp các yếu tố như: Mục tiêu dạy học, nội dung dạy học, các giai đoạn học tập, đặc điểm của cá nhân học sinh, các phương tiện học tập…
Vật lí cũng không nằm ngoài quy luật này, nên các nhà KH về PPDH đã vận dụng chuyển hóa PPTN trong KHVL thành PPTN trong DHVL, trong đó, nguyên tắc chu trình là một trong những ví dụ thể hiện sự chuyển hoá phương pháp khoa học thành phương pháp dạy học.
b. Các giai đoạn của PPTN trong dạy học Vật lí
Theo Nguyễn Đức Thâm, Nguyễn Ngọc Hưng thì PPTN trong dạy học Vật lí gồm các giai đoạn sau [25]:
Giai đoạn 1: Sự kiện khởi đầu
Giáo viên mô tả một hoàn cảnh thực tiễn hay biểu diễn một vài thí nghiệm và yêu cầu học sinh 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 học sinh chưa biết câu trả lời, cần phải tìm tòi suy nghĩ mới trả lời được.
Giai đoạn 2: Xây dựng giả thuyết
Giáo viên hướng dẫn, gợi ý cho học sinh xây dựng một câu trả lời dự đoán ban đầu, dựa vào sự quan sát tỉ mỉ kỹ lưỡng, kinh nghiệm bản thân, những kiến thức đã có…(ta gọi là xây dựng giả thuyết). Những dự đoán này có thể còn thô sơ, có vẻ hợp lý nhưng chưa chắc chắn.
Giai đoạn 3: Từ giả thuyết dùng suy luận logic hay suy luận toán học suy ra hệ quả có thể kiêm tra bằng thực nghiệm
Từ giả thuyết dùng suy luận logic hay suy luận toán suy ra một 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, tiến hành phương án thí nghiệm kiểm tra
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: Hợp thức hóa và ứng dụng kiến thức
Ứng dụng kiến thức. Học sinh vận dụng kiến thức để giải thích hay dự đoán một số hiện tượng trong thực tiễn, để nghiên cứu các thiết bị kỹ 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.
c. Các mức độ sử dụng PPTN trong dạy học Vật lí
Giáo viên cần hướng dẫn cụ thể cho học sinh hoạt động theo 5 giai đoạn của phương pháp thực nghiệm dưới đây. Mỗi giai đoạn gồm nhiều mức độ mà giáo viên có thể ứng dụng cụ thể trong các bài dạy cụ thể.
* Giai đoạn 1. Làm nảy sinh vấn đề (Sự kiện khởi đầu), có 3 mức độ sau:
Mức độ 1: Học sinh tự lực phát hiện vấn đề, những tính chất hay những mối quan hệ đáng chú ý cần nghiên cứu.
Mức độ 2: Giáo viên tạo ra một hoàn cảnh đặc biệt trong đó xuất hiện một hiện tượng mới lạ gây cho học sinh sự ngạc nhiên tò mò. Từ đó học sinh sẽ nêu ra một vấn đề, một câu hỏi cần giải đáp.
Mức độ 3: Giáo viên nhắc lại một vấn đề, một hiện tượng đã biết và yêu cầu học sinh phát hiện xem trong vấn đề hay hiện tượng đã biết có chỗ nào chưa được hoàn chỉnh đầy đủ cần nghiên cứu tiếp.
*Giai đoạn 2. Xây dựng giả thuyết, có 3 mức độ:
Mức độ 1: Dự đoán định tính Mức độ 2: Dự đoán định lượng
Mức độ 3: Những dự đoán đòi hỏi một sự quan sát tỉ mỉ, một sự tổng hợp nhiều sự kiện thực nghiệm có điều kiện thực hiện trên lớp. Ở đây giáo viên dùng phương pháp kể chuyện lịch sử để giới thiệu các giả thiết mà các nhà bác học đã đưa ra.
* Giai đoạn 3: Từ giả thuyết dùng suy luận logic hay suy luận toán học suy ra hệ quả có thể kiêm tra bằng thực nghiệm, có 3 mức độ:
Việc suy ra hệ quả được thực hiện bằng suy luận logic hay suy luận toán học. Thông thường ở trường phổ thông các suy luận này không quá khó vì biểu hiện trong thực tế của các kiến thức trong vật lí rất phức tạp cho nên hệ quả suy ra phải đơn giản có thể quan sát, đo lường trong thực tế.
Mức độ 1: Hệ quả có thể quan sát, đo lường trực tiếp.
Mức độ 2: Hệ quả không quan sát được trực tiếp bằng các dụng cụ đo lường 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 (vậy hệ quả suy ra từ giả thiết chỉ gần đúng).
* Giai đoạn 4. Xây dựng, tiến hành phương án thí nghiệm kiểm tra, có 3 mức độ:
Mức độ 1: Thí nghiệm đơn giản
Mức độ 2: Thực hiện thí nghiệm có sự hỗ trợ sát với các điều kiện