1.5. Phương pháp mơ hình
1.5.3. Các loại mơ hình sử dụng trong dạy học Vật lí
Ta có thể phân các mơ hình vật lý ra làm hai loại
* Mơ hình vật chất:
Là mơ hình trên đó phản ánh đặc trưng cơ bản về mặt hình học, vật lý, động lực học, chức năng học của đối tượng nghiên cứu.
Thí dụ: Mơ hình máy bay, mơ hình lị cao, mơ hình động cơ đốt trong... Loại mơ hình này chỉ sử dụng ở giai đoạn thấp của quá trình nhận thức khi cần hình thành những biểu tượng hoặc thu thập kiến thức có tính chất kinh nghiệm. Những kiến thức thu được trên mơ hình là những tính chất bên ngồi của hiên tượng, của đối tượng thực.
* Mơ hình lý tưởng ( hay mơ hình lý thuyết)
Là những mơ hình trừu tượng, trên đó về nguyên tắc người ta chỉ áp dụng những thao tác tư duy lý thuyết. Các phần tử của mơ hình và đối tượng nghiên cứu thực tế có thể có bản chất vật lý hồn tồn khác nhau nhưng hoạt động theo những quy luật giống nhau. Các mơ hình lý thuyết có thể có rất nhiều loại tùy theo mức độ trừu tượng khác nhau.
- Mơ hình ký hiệu: Là dạng cụ thể nhất của mơ hình lý tưởng. Đó là hệ thống những ký hiệu dùng với tư cách là mơ hình: hình vẽ, sơ đồ, đồ thị, chữ cái, các cơng thức, phương trình tốn học. Chúng tơi chú ý đặc biệt đến hai loại mơ hình ký hiệu là mơ hình tốn học và mơ hình đồ thị.
- Mơ hình tốn học: Là những mơ hình có bản chất khác với vật gốc,
chúng diễn tả những đặc tính của vật gốc bằng một hệ thức toán học. Chẳng hạn như tất cả những đại lượng q biến thiên thỏa mãn phương trình: q”+ 2q = 0 đều biến thiên theo một quy luật dao động điều hòa. Bởi vậy có thể dùng cơng thức đó là mơ hình của mọi dao động điều hịa khơng phụ thuộc vào bản
chất của dao động. Mục đích của mơ hình hóa là thay thế đối tượng nghiên cứu bằng phương trình sao cho có thể thu được những thơng tin cần thiết một cách dễ dàng nhất. Bởi vậy có thể ở giai đoạn đầu của quá trình nhận thức xuất phát từ những yếu tố quan sát được (lực đàn hồi) để xây dựng mơ hình dao động cơ học, sau đó dùng mơ hình để nghiên cứu dao động điện không quan sát trực tiếp được.
Tuy mơ hình tốn có ưu điểm về sự chặt chẽ của tốn học, có thể xét tới những yếu tố ảnh hưởng nhỏ nhất tham dự vào quá trình thực nghiệm, song sự chặt chẽ này đồng thời lại là nhược điểm của mơ hình tốn, vì nó có khoảng cách khá xa với tính linh hoạt của các quá trình thực, nhất là các quá trình xã hội .
- Mơ hình đồ thị: Chúng tơi đặc biệt quan tâm đến mơ hình đồ thị, là một
loại mơ hình rất thơng dụng trong nghiên cứu vật lý, đặc biệt là trong nghiên cứu thực nghiệm, nhưng chưa được hiểu và sử dụng đúng mức.
Vai trò của đồ thị thể hiện rất rõ: Đồ thị biểu diễn một mối quan hệ giữa hai hoặc ba đại lượng vật lý mô tả hiện tượng tự nhiên.
Nếu chỉ dừng lại ở việc giải thích hiện tượng theo quan điểm vĩ mơ (theo hiện tương luận) thì trong nhiều trường hợp, có thể dựa vào đồ thị để giải thích sự diễn biến của hiện tượng. Chẳng hạn, người ta thường dựa vào đặc tuyến vôn- ampe của tranzito để chọn điểm làm việc của nó. Ngược lại với một điểm làm việc nhất định, thì dựa vào đặc tuyến vơn- ampe ta có thể biết trazito hoạt động ở chế độ tuyến tính hay khơng tuyến tính.
Mỗi đồ thị không những chỉ phản ánh đơn thuần mối liên hệ hàm số giữa hai đại lượng vật lý, mà nó mang nhiều thơng tin q báu ngồi mối liên hệ đó, đó chính là chức năng tiên đốn của đồ thị. Đồ thị của đường đẳng tích và đường đẳng áp đã cho ta tiên đốn sự tồn tại của độ khơng tuyệt đối.
Nếu một đồ thị có một cực đại (hay một cực tiểu) thì nó sẽ cho ta thấy có hai yếu tố trái ngược nhau chi phối hiện tượng mà ta xét.
Như vậy, đồ thị vật lý hồn tồn có đủ tư cách là một mơ hình lý thuyết của hiện tượng vật lý.
Để cho đồ thị có ý nghĩa như một mơ hình độc lập chứ khơng phải chỉ là một dạng để biểu diễn một cơng thức tốn học, cần nói rõ cách xây dựng và sử dụng riêng của đồ thị.
- Mơ hình lơgic- tốn: Mơ hình này dựa trên ngơn ngữ tốn học. Mơ hình
này được sử dụng rộng rãi trên các máy tính điện tử. Có thể coi mơ hình dùng trong máy tính điện tử là mơ hình ký hiệu đã được vật chất hóa. Những hiện tượng hoặc quá trình cần nghiên cứu được mơ hình hóa dưới dạng chương trình của máy tính, nghĩa là hệ thống quy luật đã được mã hóa theo ngơn ngữ của máy, chương trình này có thể coi như algorit của các hành vi của đối tượng nghiên cứu.
- Mơ hình biểu tượng: Mơ hình biểu tượng là dạng trừu tượng nhất của mơ hình lý tưởng. Những mơ hình biểu tượng khơng tồn tại trong khơng gian, trong thực tế mà chỉ có trong tư duy của ta. Ta chỉ nêu algôrit đã tạo ra mơ hình rồi hình dung nó trong óc chứ khơng cần làm ra mơ hình cụ thể. Với sự hình dung đó người ta có thể hiểu được hành vi của mơ hình (và do đó của đối tượng cần nghiên cứu) bằng cách suy luận lơgic. Thí dụ mơ hình phân tử trong thuyết động học phân tử của chất khí. Mơ hình này mang nhiều đặc tính khơng thể diễn tả bằng một vật cụ thể hay một ký hiệu (quả cầu đàn hồi, có lực hút, lực đẩy, chuyển động hỗn loạn v.v...).
Mơ hình lý thuyết nhiều khi được vật chất hóa dưới một dạng nào đó để hỗ trợ cho q trình tư duy. Ví dụ mơ hình cấu tạo chất: vật chất được cấu tạo từ những hạt nhỏ bé, riêng biệt, giữa các hạt có khoảng cách. Hiện tượng quan sát được trên mơ hình “ngơ-vừng” khi chúng được trộn lẫn vào nhau có thể chuyển sang vật gốc “rượu-nước”.
Trong vật lý học những mơ hình lý thuyết có tác dụng to lớn đối với q trình nhận thức nên chúng giữ một vị trí quan trọng. Mơ hình ký hiệu và mơ
hình biểu tượng trong sáng tạo khoa học vật lý liên quan mật thiết với nhau và có ảnh hưởng đến sự phát triển của nhau.
Tóm lại, chúng ta có thể xây dựng sơ đồ các loại mơ hình như sau:
Sơ đồ 1.1 Các loại mơ hình sử dụng trong dạy học Vật lý