DẠY HỌC VẬT LÝ Ở THPT
Các sự vật, hiện tượng của thế giới khách quan tuy đa dạng và phong phú nhưng giữa chúng có mối quan hệ khách quan, có những dấu hiệu giống và khác nhau. Vì vậy, trong nghiên cứu và dạy học Vật lý có thể để vận dụng để so sánh, sắp xếp chúng vào cùng một hệ thống. Để mô tả các mối quan hệ trên do con người phát hiện một cách có ý thức trong quá trình nhận thức của mình, người ta đã sử dụng khái niệm “tương tự”, “suy luận tương tự” và “phương pháp tương tự”.
3.1. Khái niệm. 3.1.1. Sự tƣơng tự. 3.1.1. Sự tƣơng tự.
Sự tương tự là: “sự giống nhau với các mức độ khác nhau của đối tượng (đối tượng vật chất và đối tượng lý tưởng) về các dấu hiệu xác định (chẳng hạn về các tính chất, mối quan hệ, cấu trúc, chức năng)” [3, tr 147].
Sự TT không chỉ có ở mặt bên ngoài mà nó nằm ngay trong bản chất của sự vật, hiện tượng. Sự TT có nguyên nhân sâu xa là sự thống nhất về tính tổng quát của các qui luật chi phối. Những sự TT của thế giới vi mô và thế giới vĩ mô, giữa giới vô sinh và giới hữu sinh, giữa tự nhiên và xã hội, giữa toán học và kĩ thuật đều có ý nghĩa sâu xa.
3.1.2. Suy luận tƣơng tự.
Suy luận tương tự là một phương pháp suy luận lôgic từ sự thống nhất về các dấu hiệu xác định, từ đó suy ra sự giống nhau về các dấu hiệu khác nhau giữa chúng.
Suy luận tương tự có thể diễn tả bằng sơ đồ sau: A(M1, M2, M3,…, Mn, Mn+1)
B(M1, M2, M3,…, Mn) SLTT
B(Mn+1)
Nếu như đã biết các đối tượng A có các dấu hiệu M1, M2, M3,…, Mn, Mn+1 và đối tượng B có các dấu hiệu M1, M2, M3,…, Mn thì có thể suy luận rằng: Đối tượng B cũng có thể có dấu hiệu Mn+1.
Tuy nhiên, sơ đồ trên không bao quát hết mọi SLTT. Chẳng hạn sự TT về mặt cấu trúc của định luật vạn vật hấp dẫn và định luật Culông. Trường hấp dẫn và trường tĩnh điện chỉ có sự giống nhau về mặt cấu trúc của phương trình biểu thị hai định luật, còn khác nhau ở tất cả các đặc điểm khác. Mặc dù vậy, người ta vậy có thể từ các hiện tượng nhất định trong trường hấp dẫn, bằng suy luận rút ra trong trường tĩnh điện.
3.1.3. Phƣơng pháp tƣơng tự.
Phương pháp tương tự là phương pháp nhận thức khoa học với việc sử dụng sự TT và phép SLTT nhằm thu nhận tri thức mới.
3.2. Các giai đoạn GQVĐ bằng phƣơng pháp tƣơng tự.
Giai đoạn 1: Tập hợp các dấu hiệu về đối tượng cần nghiên cứu và các dấu hiệu về đối tượng đã có những hiểu biết phong phú định đem đối chiếu.
Giai đoạn 2: Tiến hành phân tích những dấu hiệu giống và khác nhau giữa chúng. Kiểm tra xem các dấu hiệu giống nhau có đồng thời là các dấu hiệu bản chất của đối tượng này hay không.
Giai đoạn 3: Truyền các dấu hiệu của đối tượng đã biết cho đối tượng cần nghiên cứu bằng SLTT.
39
Giai đoạn 4: Kiểm tra tính đúng đắn của các kết luận rút ra (hoặc các hệ quả của chúng) có tính chất giả thuyết đó ở chính đối tượng cần nghiên cứu.
Nếu các kết luận rút ra không đúng đối với các đối tượng cần nghiên cứu thì phải trở lại bước một (lựa chọn đối tượng khác để đem so sánh).
Đặc biệt, thực nghiệm có vai trò quan trọng trong PPTT. Nhờ nó, ta phát hiện được sự tồn tại các dấu hiệu giống nhau (tương tự) của các đối tượng, làm cơ sở cho việc lựa chọn đối tượng đen so sánh và cũng nhờ nó, kiểm tra được tính đúng đắn của những kết luận (hệ quả) rút ra được bằng suy luận tương tự.
3.3. Phƣơng pháp tƣơng tự trong nghiên cứu Vật lý. 3.3.1. Vai trò của phƣơng pháp tƣơng tự.
PPTT có giá trị to lớn trong nhận thức khoa học cũng như trong hoạt động thực tiễn của con người.
- Trong lịch sự phát triển của VL học, sự TT là một sự dẫn đường cho sự nghiên cứu, cho phép xây dựng các mô hình, các thuyết mới, đề xuất những tư tưởng mới.
Quang hình học được xây dựng trên cơ sở sự TT giữa tia sáng và chùm hạt. Với quan niệm ánh sáng là những chùm hạt rất nhỏ bay ra từ nguồn sáng với vận tốc rất lớn, Niutơn đã giải thích tính chất của ánh sáng trong sự phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, phân cực và tán sắc nhờ chuyển động của các hạt rất nhỏ này.
Quang học sóng được xây dựng trên cơ sở sự TT giữa sóng ánh sáng và sóng trên mặt nước, sóng trong một môi trường đàn hồi. Huyghen đã phát hiện sự TT giữa sự lan truyền âm và ánh sáng, vận dụng lí thuyết về sóng cơ học (cụ thể là sóng âm) để nghiên cứu ánh sáng, đã giải thích được nhiều hiện tượng quang học và mở đường cho sự phát triển quang học và điện động lực học.
Mắc-xoen cũng đã sử dụng sự TT với chuyển động của chất lỏng trrong nghiên cứu về điện trường và từ trường, đưa ra các khái niệm TT với các khái niệm về chuyển động của chất lỏng (ống dòng, điện thông, từ thông, nguồn…). Ông cũng rút ra bản chất sóng của các hiện tượng điện từ từ sự lan truyền sóng ánh sáng.
Các mô hình nguyên tử của Rudơpho và của Bo đều được xây dựng dựa trên sự TT của hệ mặt trời và hệ nguyên tử.
Một ví dụ điển hình của việc sử dụng một PPTT là việc xây dựng cơ học lượng tử. Người ta đã xây dựng một cơ học sóng (một hình thức của cơ học lượng tử) xuất phát từ sự tương tự cơ - quang, sự TT giữa quang hình và cơ học cổ điển (ví dụ: Sự TT giữa nguyên lý Fecma trong quang hình với nguyên lý tác dụng tối thiểu trong cơ học).
- Quá trình so sánh TT các đối tượng, ngay cả khi so sánh các đặc điểm bên ngoài không những giúp làm sáng tỏ các hiện tượng ở nhiều lĩnh vực khác nhau, phát hiện được cái cụ thể, cái riêng mà còn giúp làm bộc lộ các đặc điểm bản chất chung của một chuỗi đối tượng, thâu tóm các mối quan hệ giữa chúng, tạo thành các lớp đối tượng để từ đó, khái quát hóa thành các nguyên lý. Các mối quan hệ, định luật càng có tầm khái quát thì càng phải sử dụng đến PPTT
3.3.2. Sự cần thiết của sử dụng PPTT trong dạy học Vật lý.
- Quá trình hướng dẫn HS giải quyết các vấn đề trong học tập phỏng theo những cách mà các nhà khoa học đã sử dụng đòi hỏi phải cho HS làm quen với PPTT, một phương pháp được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu VL.
- Trong quá trình HS sử dụng PPTT để giải quyết các vấn đề học tập, HS được rèn luyện một loạt các thao tác tư duy, được phát triển niềm tin vào mối liên hệ có tính khái quát, có tính quy luật của các sự vật, hiện tượng tự nhiên đa dạng và phong phú.
40
- Việc sử dụng PPTT góp phần nâng cao hiệu quả của giờ học thể hiện trước hết ở tính sâu sắc, tính hệ thống của các kiến thức vì nó tạo điều kiện cho HS liên kết cái chưa biết với cái đã biết, phát hiện những mối liên hệ giữa các hệ thống khác nhau của chúng.
- Việc sử dụng PPTT còn làm cho HS dễ hình dung các hiện tượng, quá trình Vật lý không thể quan sát trực tiếp được (ví dụ: Sử dụng dao động của con lắc lò xo để trực quan hóa quá trình xảy ra và sự biến đổi của các đại lượng vật lý trong mạch dao động điện LC), dễ hiểu hơn các khái niệm trừu tượng (ví dụ: Sử dụng sự TT giữa dòng điện và dòng nước chảy để minh họa các khái niệm dòng điện và hiệu điện thế).
Điều kiện dạy học ở trường phổ thông (thời gian, tình trạng thiết bị) nhiều khi chỉ cho phép đề cập sâu một đối tượng (vật đại diện) rồi sử dụng SLTT rút ra kết luận cho đối tượng khác TT với nó.
Vì những lí do nêu trên, sự TT và PPTT là đối tượng của dạy học Vật lý ở trường phổ thông.
3.4. Ví dụ về áp dụng phƣơng pháp tƣơng tự trong dạy học Vật Lý ở THPT
Ví dụ: Dao động con lắc lò xo và mạch dao động LC tuy khác nhau về bản chất nhưng có sự tương tự về các đại lượng đặc trưng cho sự dao động. Dựa vào PPTT ta có thể so sánh, hiểu rõ và nắm chắc hơn kiến thức nội dung này.
Dao động cơ So sánh Dao động điện LC
Sự chuyển hóa tuần hoàn giữa thế năng của lò xo và động năng của vật.
Sự chuyển hóa năng lượng.
Sự chuyển hóa tuần hoàn giữa năng lượng điện và năng lượng từ.
Các đại lượng
tương đương. Thế năng của lò xo: 2 2 kx Wt Động năng của vật: 2 2 mv Wđ Các dạng
năng lượng. Năng lượng điện trường trong tụ điện:
C q WC 2 2
Năng lượng từ trong cuộn dây: 2 2 Li WL m k Tần số LC 1
Sự chuyển hóa cơ năng thành nội năng do ma sát.
Nguyên nhân
tắt dần. Sự chuyển hóa năng lượng điện từ thành nội năng do điện trở.
41 Cấu trúc lý thuyết giống nhau o x x''2 ) cos( . ) (t A t x ) sin( . ) (t V0 t v x t a( )2 Phương trình dao động: Nghiệm: o q q''2 ) cos( . ) (t q0 t q ) sin( . ) (t I0 t i C t q t u( ) ( )
3.5. Một số yêu cầu khi sử dụng TT và PPTT.
- PPTT sử dụng trong Vật lý nhìn chung cũng có các giai đoạn cơ bản như đã nêu ở trên. Việc thực hiện các giai đoạn của PPTT nhiều khi kéo dài trong một số bài học. Yêu cầu cao nhất đối với việc sử dụng PPTT trong dạy học là: HS phải tự lực cao ở mức độ có thể được trông tất cả các giai đoạn của PPTT, ngay cả ở giai đoạn lựa chọn đối tượng đã biết làm đối tượng so sánh với đối tượng đang nghiên cứu.
- Việc đề cập sự TT không phải lúc nào cũng như sự diễn ra trong lịch sử phát triển Vật lý. Việc lựa chọn đối tượng so sánh, mức độ nông sâu của sự TT được đề cập trong dạy học phụ thuộc không những vào cấu trúc và nội dung của chương trình học tập mà còn phụ thộc vào đặc điểm lứa tuổi HS. Mặc dù vậy, đối tượng đem so sánh phải có ý nghĩ, chứ không phải mọi sự TT.
- Điều kiện cơ bản của việc sử dụng PPTT đạt kết quả là HS phải có vốn hiểu biết về đối tượng đem so sánh từ những bài học trước, từ kinh nghiệm sống hoặc dễ hình dung đối với học sinh mới tiếp xúc lần đầu.
- Khi sử dụng sự TT, phải làm sáng tỏ phạm vi của sự TT, phát hiện không những các dấu hiệu giống nhau mà còn cả những dấu hiệu khác nhau, đặc biệt là dấu hiệu khác nhau cơ bản để phân biệt chúng với nhau. Nhờ vậy, việc sử dụng sự TT sẽ giúp hiểu sâu hơn các đối tượng đem so sánh và tránh được việc rút ra kết luận sai lầm.
- Phải lưu ý cho HS: Những kết luận rút ra bằng suy luận tương tự chỉ có tính chất giả thuyết, phải được kiểm tra ở bản thân đối tượng đang nghiên cứu thông qua thực nghiệm.
42