6. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
3.1. Cơ sở lí thuyết của việc tổ chức dạy học thí nghiệm thực hành Vật lý
3.1.1. Phân loại thí nghiệm Vật lý ở trƣờng phổ thông
Căn cứ vào đối tƣợng tiến hành , có hai loại thí nghiệm đƣợc sử dụng trong dạy học Vật lý ở trƣờng phổ thông: Thí nghiệm biểu diễn (do giáo viên tiến hành) và thí nghiệm thực tập (thí nghiệm do học sinh tự tiến hành dƣới sự hƣớng dẫn của giáo viên).
Căn cứ vào mục đích lí luận dạy học của thí nghiệm biểu diễn trong quá trình nhận thức của học sinh, thí nghiệm biểu diễn bao gồm: Thí nghiệm mở đầu, thí nghiệm nghiên cứu hiện tƣợng, thí nghiệm củng cố. Còn thí nghiệm thực tập thì có thể chia làm 3 loại: thí nghiệm trực diện (thí nghiệm do học sinh tiến hành trên lớp chủ yếu khi nghiên cứu kiến thức mới, nhƣng cũng có thể khi ôn tập trong tiết học bài mới hoặc trong tiết củng cố), thí nghiệm thực hành (thí nghiệm do học sinh thực hiện trên lớp hoặc trong phòng thí nghiệm sau mỗi chƣơng, mỗi phần của chƣơng trình Vật lý nhằm củng cố kiến thức đã học và chủ yếu để rèn luyện kĩ năng thí nghiệm), thí nghiệm và quan sát Vật lý ở nhà (thí nghiệm và quan sát do học sinh hoàn toàn tự lực thực hiện ở nhà theo nhiệm vụ mà giáo viên đã giao).
Do tác dụng trên nhiều mặt của thí nghiệm thực tập nên việc tăng cƣờng các thí nghiệm thực tập là một trong những nội dung của việc đổi mới chƣơng trình, nội dung và phƣơng pháp dạy học Vật lý ở trƣờng phổ thông.
3.1.2. Thí nghiệm thực hành Vật lý 3.1.2.1. Khái niệm 3.1.2.1. Khái niệm
Thí nghiệm thực hành là thí nghiệm do học sinh thực hiện trên lớp ( hoặc trong phòng thí nghiệm) mà yêu cầu sự tự lực làm việc cao, học sinh phải dựa vào tài liệu hƣớng dẫn đã in sẵn mà tiến hành thí nghiệm, rồi viết báo cáo thí nghiệm.
Thí nghiệm thực hành Vật lý chủ yếu là kiểm nghiệm lại các định luật, các quy tắc đã học và xác định các đại lƣợng Vật lý mà các nội dung này không có điều kiện để thực hiện ở dạng thí nghiệm trực diện.
Do đƣợc tiến hành sau khi học sinh đã học xong một chƣơng, một phần của chƣơng, mỗi bài thí nghiệm thực hành thƣờng từ 1 đến 2 tiết liền và đòi hỏi thiết bị
82
hoàn chỉnh, phức tạp hơn so với thí nghiệm trực diện. Thí nghiệm loại này yêu cầu học sinh tự lực thực hiện các giai đoạn của quá trình thí nghiệm, thực hiện nhiều thao tác, tiến hành nhiều phép đo, xử lí nhiều số liệu định lƣợng mới có thể rút ra các kết luận cần thiết.
Thí nghiêm thực hành có thể đƣợc tổ chức dƣới một trong hai hình thức: thí nghiệm thực hành đồng loạt hoặc thí nghiệm thực hành cá thể.
3.1.2.2. Các yêu cầu đối với thí nghiệm thực hành
a) Đối với giáo viên
- Tìm hiểu kĩ nội dung bài thí nghiệm thực hành trong sách giáo khoa để xác định rõ ràng các nhiệm vụ giao cho học sinh và cách thức kiểm tra, đánh giá việc thực hiện các nhiệm vụ đó.
- Chuẩn bị đầy đủ và kiểm tra chất lƣợng từng dụng cụ cần thiết cho mỗi nhóm học sinh.
- Làm thử tất cả các thí nghiệm trong bài thực hành để dự kiến những khó khăn, cách thức hƣớng dẫn học sinh vƣợt qua những khó khăn đó.
- Có thể điều chỉnh nội dung, yêu cầu bài thí nghiệm thực hành trong sách giáo khoa sao cho phù hợp với điều kiện thiết bị của trƣờng.
b) Đối với học sinh
Để học sinh thực hiện bài thí nghiệm thực hành có ý thức và hiệu quả, giáo viên phải yêu cầu học sinh chuẩn bị ở nhà những công việc sau: Nghiên cứu nội dung bài thí nghiệm thực hành trong sách giáo khoa và chuẩn bị sẵn sàng báo cáo thí nghiệm trong mẫu sách giáo khoa.
c) Về thiết bị: phải phức tạp hơn, sai số nhỏ hơn so với các loại thí nghiệm khác.
3.1.2.3. Hƣớng dẫn học sinh thí nghiệm thực hành
- Chia nhóm học sinh: Để phát huy khả năng hợp tác, rèn luyện phƣơng pháp làm việc tập thể, giáo viên chia học sinh trong lớp thành các nhóm từ 3 đến 4 em. Nên bố trí các bàn thí nghiệm thành hình vòng cung, hình chữ U hoặc có thể bố trí ghép các bàn song song để học sinh làm việc theo nhóm.
- Vào đầu buổi thí nghiệm thực hành, giáo viên cần tiến hành những công việc sau: kiểm tra sự chuẩn bị ở nhà của học sinh thông qua các câu hỏi, hƣớng dẫn cách sử dụng các dụng cụ mà học sinh chƣa đƣợc làm quen, nhất là các dụng cụ phức tạp, dễ
83
hỏng, có thể gây nguy hiểm nhƣ các dụng cụ đo điện, nguồn điện, nguồn sáng,v.v… và cùng toàn lớp thảo luận, giải đáp những thắc mắc của học sinh.
- Trong lúc các nhóm học sinh thực hiện công việc, giáo viên cần theo dõi, giúp đỡ kịp thời khi học sinh gặp khó khăn, mắc sai sót để học sinh sử dụng đúng qui tắc các dụng cụ, ghi lại đầy đủ, chính xác, trung thực các hiện tƣợng quan sát đƣợc, các kết quả đo đạc, trình bày các kết quả dƣới dạng biểu bảng, đồ thị, câu kết luận một cách ngắn gọn, rõ ràng theo nội dung mẫu báo cáo đã chuẩn bị sẵn.
- Sau khi học sinh làm xong thí nghiệm, yêu cầu học sinh tháo rời các chi tiết lắp ráp, sắp xếp các dụng cụ gọn gàng nhƣ lúc ban đầu. Tùy theo nội dung bài thí nghiệm thực hành và việc hoàn thành các công việc của học sinh, giáo viên có thể yêu cầu học sinh nộp ngay báo cáo thí nghiệm tại lớp hoặc cho về nhà hoàn chỉnh tiếp, nộp sau.
3.1.2.4. Hƣớng dẫn báo cáo thí nghiệm
Có thể hƣớng dẫn học sinh báo cáo kết quả thí nghiệm theo trình tự sau: - Mục đích thí nghiệm.
- Cơ sở lí thuyết (nêu nội dung chính về các kiến thức đã học vận dụng trong thí nghiệm).
- Dụng cụ thí nghiệm (dụng cụ cần sử dụng, giới thiệu nguyên tắc hoạt động và cách sử dụng chúng).
- Bố trí thí nghiệm (cách lắp ráp dụng cụ có sơ đồ kèm theo, trình tự các thao tác thí nghiệm).
- Tiến hành thí nghiệm (thực hiện các phép đo, lấy số liệu). - Xử lí kết quả thí nghiệm (bao gồm cả tính sai số phép đo).
- Rút ra kết luận (nhận xét các kết quả có đáp ứng mục tiêu đặt ra hay không?; trả lời những câu hỏi nhằm đào sâu, mở rộng nội dung bài thí nghiệm thực hành, nêu nguyên nhân của sai số và cách khắc phục).
3.1.2.5. Cấu trúc của bài học thực hành thí nghiệm a) Mục đích chính của bài học
- Rèn luyện kĩ năng sử dụng một số thiết bị cơ bản, thực hiện các phép đo cơ bản. - Rèn luyện kĩ năng sử dụng thí nghiệm để nghiên cứu những tính chất hay những mối quan hệ của các sự vật, hiện tƣợng.
84
- Xác định mục đích thí nghiệm: những tính chất, những mối quan hệ cần nghiên cứu.
- Xác định đối tƣợng cần quan sát, các phép đo cần thực hiện. - Lựa chọn và bố trí dụng cụ thí nghiệm.
- Giáo viên thao tác mẫu trên các dụng cụ, thiết bị học sinh mới gặp lần đầu. - Học sinh tiến hành thí nghiệm để thu thập thông tin (quan sát, đo lƣờng). - Xử lí thông tin thu thập đƣợc.
- Kết luận.
Nhƣ vậy, thực hành thí nghiệm không phải đơn thuần chỉ là rèn luyện kĩ năng sử dụng các dụng cụ thiết bị thí nghiệm, thao tác chân tay trên dụng cụ mà điều quan trọng hơn là phải biết cách lựa chọn, bố trí dụng cụ, thiết bị nhằm thu thập thông tin và xử lí những thông tin đó để rút ra kết luận khái quát, đáng tin cậy. Bài thực hành thí nghiệm thƣờng đƣợc thực hiện dƣới dạng những bài học chuyên biệt để rèn luyện một số kĩ năng sử dụng thiết bị, dụng cụ, tiến hành một số phép đo chính xác đòi hỏi nhiều thời gian.
Do tính chất đặc thù nên trong bài thực hành thí nghiệm giáo viên cần chú ý thêm: - Trong phần tổ chức, ổn định lớp, việc tổ chức lớp trong bài thực hành gồm các việc sau:
+ Chia nhóm học sinh theo số bộ dụng cụ thí nghiệm.
+ Phân chia dụng cụ cho các nhóm. Mỗi nhóm cử một đại diện nhận, cuối giờ học thu dọn để lại chỗ cũ.
- Trong phần kiểm tra bài cũ: Giáo viên kiểm tra phần chuẩn bị ở nhà của học sinh về những kiến thức cần thiết sử dụng đến trong bài thực hành, nhất là những kiến thức lí thuyết về các định luật, qui tắc cần đƣợc kiểm nghiệm trong bài thực hành.
3.2. Xây dựng tiến trình tổ chức dạy học bài thí nghiệm thực hành: Khảo sát chu kì dao động của con lắc đơn và đo gia tốc trọng trƣờng kì dao động của con lắc đơn và đo gia tốc trọng trƣờng
3.2.1. Mục tiêu
Qua bài thí nghiệm này, học sinh sẽ đạt đƣợc: a) Về kiến thức
- Đề xuất đƣợc phƣơng án thí nghiệm để khảo sát sự phụ thuộc của chu kì dao động T của con lắc đơn vào biên độ góc, khối lƣợng vật nặng và chiều dài dây treo và xác định gia tốc trọng trƣờng.
85
- Củng cố kiến thức về dao động của con lắc đơn. b) Về kỹ năng
- Rèn luyện cách bố trí thí nghiệm, thao tác thả con lắc một cách thành thạo, đảm bảo luôn dao động trong một mặt phẳng.
- Rèn luyện cho học sinh kĩ năng sử dụng dụng cụ đo: thƣớc dây, thiết bị thu thập và xử lí dữ liệu aMixer MGA.
- Rèn luyện cho học sinh kĩ năng thu thập và xử lí số liệu: thu thập các thông số từ đồ thị aMixer MGA và tính toán các giá trị, nhận xét kết quả đo.
3.2.2. Chuẩn bị
a) Giáo viên
- Làm trƣớc thí nghiệm, dự kiến những khó khăn, lỗi HS dễ mắc phải. - Chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm cho từng nhóm.
- Tài liệu giới thiệu về cảm biến chuyển động quay và thiết bị thu thập xử lí dữ liệu aMixer MGA (đi kèm với dụng cụ) ( có thể in cho các nhóm về nhà tìm hiểu trƣớc). b) Học sinh
- Ôn lại kiến thức dao động điều hòa và con lắc đơn.
- Đọc trƣớc bài thực hành và tài liệu giới thiệu về các dụng cụ.
3.2.3. Thiết kế hoạt động dạy học
Hoạt động của học sinh Trợ giúp của giáo viên
Hoạt động 1. Kiểm tra, chuẩn bị điều kiện xuất phát. Đề xuất vấn đề
- Trả lời cá nhân. - Nêu cấu tạo của con lắc đơn. Điều kiện
để con lắc đơn dao động điều hòa là gì? - Sử dụng định luật vạn vật hấp dẫn và
định luật II Newton để viết phƣơng trình dao động của con lắc rồi từ đó suy ra nghiệm x Acos( t ) . Ta kết luận đƣợc con lắc đơn dao động điều hòa và tƣơng tự công thức tính chu kì của con lắc lò xo rút ra đƣợc T 2 l
g
. Sau đó sẽ dùng thí nghiệm để kiểm chứng lại.
HS ghi nhận.
- Chu kì dao động là gì? Nêu cách tìm chu kì dao động con lắc đơn trong bài học trƣớc.
GV: Đó là con đƣờng tìm ra chu kì dao động theo lí thuyết. Hôm nay chúng ta sẽ dùng thực nghiệm để tìm ra định luật dao động của con lắc. Nghĩa là ta sẽ làm các thí nghiệm để khảo sát sự phụ thuộc của chu kì dao động vào các yếu tố nhƣ biên độ góc, khối lƣợng, chiều dài con lắc, nơi
86
làm thí nghiệm, nhiệt độ môi trƣờng,v.v … rồi rút ra kết luận từ các số liệu phân tích đƣợc.
Hoạt động 2. Thiết kế phƣơng án thí nghiệm khảo sát chu kì dao động của lắc đơn và đo gia tốc trọng trƣờng
- Cá nhân HS dự đoán.
- Có. Thực hiện đo chu kì T của một con lắc tại nhiều vị trí khác nhau.
- Trong bài thí nghiệm này ta cũng chỉ xét con lắc đơn dao động nhỏ (α0 < 100). Theo các em, chu kì dao động của con lắc phụ thuộc vào biên độ góc, khối lƣợng, chiều dài con lắc nhƣ thế nào?
- Chu kì dao động có phụ thuộc vào gia tốc trọng trƣờng không? Làm sao để kiểm chứng điều này?
GV: Vì ta chỉ thực hiện thí nghiệm đƣợc ở một nơi nên không thể khảo sát T theo g
đƣợc, mà thay vào đó, ta sẽ tìm cách tính gia tốc trọng trƣờng tại phòng thí nghiệm dựa vào các số liệu thí nghiệm thu đƣợc. - HS ( sau khi đã tìm hiểu về cách sử dụng
cảm biến chuyển động và aMixer MGA ở nhà) thảo luận nhóm và đƣa ra phƣơng án tiến hành thí nghiệm.
Dự kiến phƣơng án:
Phương án 1: (Phƣơng án trong SGK) Sử dụng đồng hồ bấm giờ hoặc đồng hồ đo thời gian hiện số có cổng quang điện + Đo thời gian thực hiện n dao động của con lắc có chiều dài l và khối lƣợng m cố định ứng với mỗi biên độ A khác nhau, suy ra biên độ góc α0 và chu kì T. Từ đó nhận xét sự phụ thuộc của T vào α0.
+ Tƣơng tự đo chu kì T ứng với các con
- GV yêu cầu HS thảo luận theo nhóm và đƣa ra phƣơng án thí nghiệm để kiểm tra dự đoán và đo gia tốc trọng trƣờng.
87 lắc có khối lƣợng khác nhau nhƣng có cùng chiều dài và biên độ góc. Từ đó rút ra nhận xét.
+ Đo chu kì T của con lắc có cùng khối lƣợng nhƣng khác nhau về chiều dài. Từ đó khảo sát sự phụ thuộc giữa T là l bằng đồ thị.
+ Kết luận về định luật dao động của con lắc đơn. Tính gia tốc trọng trƣờng từ các số liệu của đồ thị.
Phương án 2: Sử dụng thiết bị cảm biến Các bƣớc tƣơng tự phƣơng án 1, chỉ khác là không đo thời gian trực tiếp khi con lắc dao động, mà thu thập đồ thị dao động của con lắc, từ đó làm việc trên đồ thị để xác định biên độ góc và chu kì T.
- HS thảo luận quyết định phƣơng án theo định hƣớng của GV. Dự doán HS sẽ chọn phƣơng án 2.
- GV cho HS thảo luận để thống nhất phƣơng án.
Định hƣớng của GV:
+ Phƣơng án 1 có thể gây sai số nhiều. + Phƣơng án 2 giúp HS thu đƣợc đồ thị dao động một cách chính xác, từ đó dễ dàng xác định α0 và T.
- Nhắc lại các bƣớc tiến hành thí nghiệm. - Sau khi đã thống nhất đƣợc phƣơng án, GV yêu cầu HS nhắc lại các bƣớc thí nghiệm và ghi ngắn gọn lên bảng để lƣu ý cho các nhóm.
- HS thảo luận nhóm trả lời. - GV hƣớng dẫn để HS thấy đƣợc những điểm chú ý trong các bƣớc thực hành bằng cách đặt câu hỏi và yêu cầu HS trả lời.
88
thế nào?
- Chiều dài con lắc nhƣ thế nào cho thích hợp? Cách đo chiều dài của con lắc? Hoạt động 3. Tiến hành thí nghiệm
- HS quan sát GV hƣớng dẫn cách thao tác thí nghiệm.
- GV làm mẫu cách sử dụng cảm biến và thiết bị aMixer MGA. (Kết nối MGA với máy tính, sử dụng máy chiếu trình chiếu kết quả cho cả lớp quan sát)
HS trả lời cá nhân dựa vào kiến thức đã học về dao động.
Khi đồ thị li độ góc – thời gian đã xuất hiện trên màn hình, GV yêu cầu HS nêu cách xác định biên độ góc và chu kì. - Các thành viên triển khai công việc theo
sự phân công của nhóm trƣởng. Tiến hành đo và ghi số liệu.
Sau khi tiến hành xong, HS thu dọn dụng cụ. Nhóm trƣởng có nhiệm vụ kiểm tra và bàn giao lại dụng cụ cho GV.
- GV cho nhóm trƣởng lên nhận dụng cụ thí nghiệm và mẫu báo cáo thí nghiệm (Phụ lục) về cho nhóm.
Trong quá trình các nhóm thí nghiệm, GV tới từng nhóm để giúp đỡ, đinh hƣớng khi HS gặp khó khăn.
Hoạt động 4. Xử lí số liệu và viết báo cáo thí nghiệm