2.1. Những mục tiêu học sinh cần đạt được khi học phần “Dòng điện
2.1.3. Mục tiêu phát triển tư duy
Theo chúng tơi, để có thể góp phần nâng cao chất lượng dạy học thì ngồi những mục tiêu chung của dạy học vật lí thì cần có thêm các mục tiêu về phát triển tư duy như sau:
+ Thiết kế được các hộp đen điện với các linh kiện chỉ định sẵn.
+ Đề xuất được phương án tạo ra các mạch điện kín dùng nguồn một chiều chứa 1 linh kiện hoặc 2 linh kiện tùy theo yêu cầu của bài.
+ Đề xuất được kế hoạch thí nghiệm và biện luận để tìm ra được linh kiện chứa trong hộp đen.
2.1.4. Các thí nghiệm cần tiến hành trong q trình dạy học ngoại khóa bài tập hộp đen dịng điện khơng đổi
Để đạt được những mục tiêu dạy học như đã nêu trên thì trong quá trình dạy học ngoại khóa về “Dịng điện khơng đổi” giáo viên, tốt nhất là học sinh cần chế tạo các hộp đen và tiến hành các thí nghiệm sau:
+ Hộp đen chứa 1 phần tử điện trở thuần. + Hộp đen chứa 1 phần tử tụ điện.
+ Hộp đen chứa 1 phần tử diot.
+ Hộp đen chứa 1 phần tử điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ. + Hộp đen chứa 1 phần tử là nguồn điện.
+ Hộp đen chứa 2 phần tử điện trở thuần.
+ Hộp đen chứa 2 phần tử là điện trở thuần và tụ điện. + Hộp đen chứa 2 phần tử là điện trở thuần và diot.
2.2. Kế hoạch của việc tổ chức dạy học ngoại khóa các bài tốn hộp đen dịng điện khơng đổi cho học sinh lớp 11 THPT dịng điện khơng đổi cho học sinh lớp 11 THPT
2.2.1. Mục tiêu của hoạt động ngoại khóa
Ý định sư phạm chung khi xây dựng quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa.
+ Căn cứ vào những kết quả mà chúng tơi đã điều tra được về tình hình dạy và học về “Dịng điện khơng đổi” ở lớp 11 THPT, vào những mục tiêu cần đạt
được khi dạy học phần kiến thức này, chúng tôi đã lựa chọn chủ đề của hoạt động ngoại khóa cho học sinh là: Thiết kế, chế tạo và giải các bài tập hộp đen
phần dịng điện khơng đổi
+ Để hoạt động ngoại khóa tạo được sự hứng thú, phát huy được tính tích cực và phát triển năng lực sáng tạo của học sinh thì nội dung phải thiết thực, phong phú, hấp dẫn. Chính vì vậy, chúng tơi chọn nội dung chủ yếu của hoạt động ngoại khóa là hoạt động thực nghiệm. Trong quá trình hoạt động, học sinh sẽ thiết kế, chế tạo, tiến hành thí nghiệm với các dụng cụ thí nghiệm về dịng điện khơng đổi từ những vật liệu đơn giản, rẻ tiền, dễ kiếm mà nội dung gắn liền với thực tiễn.
Những nhiệm vụ mà chúng tôi dự kiến giao cho học sinh thực hiện dưới dạng những nhiệm vụ nhận thức, không chỉ là những yêu cầu đơn thuần về mặt tay chân. Những nhiệm vụ này cũng địi hỏi học sinh phải hoạt động trí tuệ: thiết kế phương án thí nghiệm, lựa chọn và chế tạo dụng cụ, dự đoán kết quả, …chứ khơng chỉ đơn thuần là bố trí, tiến hành thí nghiệm với phương án đã có sẵn. + Khi đã xác định được nội dung chính của hoạt động ngoại khóa, giáo viên tiến hành thiết kế, chế tạo dụng cụ thí nghiệm và thực hiện các thí nghiệm dự kiến giao cho học sinh để phát hiện ra những khó khăn mà học sinh có thể mắc phải khi thực hiện nhiệm vụ. Từ đó, giáo viên xác định phương pháp hướng dẫn học sinh đạt hiệu quả.
Trên cơ sở những yêu cầu nội dung kiến thức, kỹ năng phần dịng điện khơng đổi và dựa trên điều kiện thực tế về các bộ thí nghiệm dịng điện khơng đổi ở các trường phổ thông, chúng tôi dự kiến xây dựng 8 bài tập hộp đen với ý đồ sư phạm như sau:
+ Chúng tôi dự kiến giao cho học sinh thực hiện nhiệm vụ theo nhóm. Mỗi nhóm lớn có 4 hoặc 5 học sinh, thực hiện một hoặc hai nhiệm vụ. Để thuận lợi cho việc học tập và đi lại của học sinh, chúng tôi giao cho học sinh thực hiện các nhiệm vụ tại nhà theo lịch mà các nhóm tự bố trí.
+ Sau khi đã xây dựng được nội dung, phương pháp dạy học và hình thức tổ chức, giáo viên dự kiến thời gian hoạt động ngoại khóa và giao cho học sinh thực hiện các nhiệm vụ.
+ Trong q trình các nhóm thực hiện nhiệm vụ, giáo viên thường xuyên theo dõi, giúp đỡ các em khi gặp khó khăn. Khi học sinh đã hồn thành nhiệm vụ của mình, giáo viên sẽ tổ chức tổng kết hoạt động cho các em theo dự kiến.
Với ý định chung khi xây dựng quy trình tổ chức hoạt động ngoại khóa như trên, chúng tơi xác định mục đích của hoạt động ngoại khóa như sau: - Củng cố và khắc sâu các kiến thức về: Tác dụng của dòng điện, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của nguồn điện, điện năng và công suất điện, định luật Jun - Len-xơ, định luật Ơm đối với tồn mạch và các loại đoạn mạch, ghép các nguồn thành bộ.
- Vận dụng các kiến thức vào giải thích cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Pin và Acquy, giải thích được các mạch điện kín dùng nguồn một chiều trong thực tế, giải thích được nguyên tắc hoạt động của máy phát điện một chiều... - Rèn luyện các kĩ năng: thiết kế và chế tạo các dụng cụ thí nghiệm; kĩ năng sử dụng các dụng cụ thí nghiệm đã chế tạo ra; kĩ năng sử dụng một số dụng cụ đo như ampe kế, vôn kế, điện kế …; kĩ năng thu thập, xử lí kết quả thí nghiệm đã tiến hành và rút ra nhận xét; kĩ năng vận dụng các kiến thức vào giải thích các hiện tượng thực tế; kĩ năng giao tiếp, trình bày ý kiến, thảo luận và báo cáo kết quả. - Phát huy tính tích cực và sự hứng thú của học sinh trong các hoạt động: học sinh tự thành lập nhóm theo ý nguyện, tự nhận nhiệm vụ mà cảm thấy mình có khả năng, tự giác và cố gắng thực hiện nhiệm vụ đã nhận, tự lên lịch hoạt động của nhóm và bố trí các hoạt động của nhóm một cách hợp lí, hiệu quả... - Phát triển năng lực sáng tạo của học sinh thông qua các hoạt động như: học sinh đưa ra các phương án thiết kế, chế tạo thí nghiệm; đánh giá các phương án chế tạo và chọn phương án phù hợp nhất; chọn vật liệu để chế tạo dụng cụ thí nghiệm; tìm vật liệu và chế tạo dụng cụ thí nghiệm; đưa ra được các giải pháp kĩ
thuật để chế tạo được dụng cụ bền, đẹp và có độ chính xác cao; lựa chọn được dụng cụ đo và cách tiến hành thí nghiệm để thu được kết quả chính xác nhất; dự đốn kết quả thí nghiệm hoặc giải thích kết quả thí nghiệm đã tiến hành.
- Rèn luyện kĩ năng làm việc theo nhóm, sự hợp tác trong cơng việc. Giáo dục tinh thần đoàn kết, lối sống hợp tác và giúp đỡ lẫn nhau để cùng hoàn thành nhiệm vụ.
2.2.2. Nội dung của hoạt động ngoại khóa các bài tốn hộp đen dịng điện khơng đổi cho học sinh lớp 11 THPT khơng đổi cho học sinh lớp 11 THPT
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chúng tôi dự kiến sẽ tổ chức hoạt động ngoại khóa về “Dịng điện khơng đổi” với hai nội dung chính như sau: * Nội dung thứ nhất
Giáo viên định hướng và giúp đỡ để học sinh tham gia thiết kế, chế tạo các dụng cụ thí nghiệm và tiến hành các thí nghiệm với các dụng cụ đã chế tạo được về dịng điện khơng đổi. Với nội dung này, chúng tơi dự kiến sẽ giao cho học sinh những nhiệm vụ học tập, gồm:
05 nhiệm vụ về tạo ra hộp đen chứa một phần tử (mạch chỉ chứa điện trở, mạch chỉ chứa tụ điện, mạch chỉ chứa diot, mạch chỉ chứa điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ, mạch chỉ chứa nguồn điện).
03 nhiệm vụ về chế tạo ra hộp đen chứa 2 phần tử (mạch phân áp gồm 2 điện trở R, mạch gồm 1 phần tử R và 1 tụ điện C, mạch gồm 1 phần tử R và 1 diot) có các sơ đồ như sau:
A C A C A C B D B D B D Hình 2.1 R R R
+ Ở nhiệm vụ 1:
Đây là một nhiệm vụ dễ chuẩn bị dụng cụ, dễ tiến hành, dễ giải thích kết quả. Nhưng nhiệm vụ có tác dụng khá lớn, giúp học sinh lấy được sự tự tin trong học tập, ôn tập kiến thức về mạch kín và ghi nhớ tính chất của điện trở thuần thơng qua đồ thị U –I, rèn luyện óc sáng tạo trong việc lựa chọn dụng cụ và lắp đặt thí nghiệm.
+ Ở nhiệm vụ 2:
Qua việc thực hiện nhiệm vụ này, học sinh được củng cố thêm các kiến thức về mạch điện. Học sinh cũng được rèn luyện các kĩ năng bố trí, lựa chọn dụng cụ, lắp đặt, tiến hành thí nghiệm và nhận xét kết quả thu được. Học sinh biết cách xác định phần tử trong hộp là tụ điện, từ đó khắc sâu kiến thức về tụ điện đó là chứa điện tích, phân phối điện tích một cách hợp lí và khơng cho dịng 1 chiều đi qua.
+ Ở nhiệm vụ 3: Học sinh được kiểm nghiệm tính chất của diot là cho dịng điện đi qua theo một chiều. Nếu đặt ngược que đo điện trở thì trên đồng hồ đo sẽ hiển thị giá trị điện trở rất lớn. Nếu que đo đặt đúng chiều dịng điện đi qua thì trên đồng hồ đo sẽ hiển thị một giá trị điện trở xác định.
+ Ở nhiệm vụ 4: Điện trở phụ thuộc nhiệt độ, học sinh được khảo sát và so sánh tìm ra sự khác nhau giữa điện trở thuần và điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ.
+ Ở nhiệm vụ 5: Học sinh nắm được nguyên lí hoạt động của nguồn là tạo ra và duy trì điện áp cho mạch tiêu thụ. Trong quá trình khảo sát hộp đen chứa nguồn điện học sinh sẽ biết cách đo điện áp của nguồn và điện trở trong của nguồn. Đây là nhiệm vụ khó hơn các nhiệm vụ trên ở chỗ ta không trực tiếp đo suất điện động và điện trở trong mà phải dùng thêm phương pháp ngoại suy.
+ Ở nhiệm vụ 6: Mạch gồm 2 điện trở thuần, học sinh phải đo đạc và xác định cấu trúc của mạch. Nhiệm vụ này giúp học sinh thành thạo hơn trong việc đo, biện luận để đưa ra cấu trúc mạch đúng.
+ Ở nhiệm vụ thứ 7: Cũng tương tự như ở nhiệm vụ trên, nhưng một trong hai phần tử được thay bằng tụ điện. Việc đo thơng số của tụ điện địi hỏi phải sử dụng các kiến thức nâng cao.
+ Ở nhiệm vụ thứ 8: Mạch gồm 1 điện trở thuần và 1 diot
Ba nhiệm vụ 6, 7, 8 giúp học sinh mở rộng tư duy hơn, từ đó trong đầu các em có thể hình thành hoặc sáng tạo ra những cấu trúc mạch khác và tìm hiểu thêm về ứng dụng của các loại mạch.
* Nội dung thứ hai
Nhiệm vụ này yêu cầu học sinh phải thiết kế được phương án thí nghiệm về hộp đen điện không đổi để xác định phần tử chứa trong hộp thuộc loại linh kiện gì?
Trong nhiệm vụ này, học sinh phải tiến hành đo, sử dụng dữ liệu và tính chất vật lí của từng loại linh kiện, từ đó dự đốn, vẽ đồ thị hoặc biện luận để tìm ra phần tử chứa trong hộp.
Nhiệm vụ này cũng tạo cho các em khả năng khám phá ra các mạch điện độc đáo, sáng tạo. Giúp các em lấy được sự tự tin và đam mê trong công việc.
Các nhiệm vụ này giúp học sinh củng cố và mở rộng kiến thức về định luật Ơm cho tồn mạch, mắc các nguồn thành bộ; rèn luyện kĩ năng tính tốn, dự đốn kết quả thí nghiệm, vận dụng kiến thức về mạch điện kín để thiết kế phương án thí nghiệm.
2.2.2.1. Thử nghiệm chế tạo hộp đen
Để tổ chức hoạt động ngoại khóa về “Dịng điện khơng đổi” đạt hiệu quả cao trong việc phát huy tính tích cực và phát triển năng lực sáng tạo của học sinh thì trước tiên, chúng tơi tiến hành chế tạo các thí nghiệm dự kiến sẽ giao cho học sinh để xác định những khó khăn mà học sinh có thể gặp phải khi thực hiện. Từ đó, chúng tơi dự kiến phương pháp hướng dẫn cụ thể để học sinh vượt qua khó khăn, hồn thành được nhiệm vụ.
+ Hộp nhựa hoặc ống nhựa để chứa linh kiện điện; + Nắp hộp có lỗ để dây dẫn đi qua hoặc ổ cắm; + Gía đỡ linh kiện điện trong hộp.
a. Hộp đựng linh kiện điện
Qua việc khảo sát các loại vỏ hộp trong đời sống, đồng thời dựa vào kích thước các linh kiện điện trong bộ thí nghiệm thực hành ở phịng thí nghiệm như là điện trở, tụ điện, diot…. Chúng tôi lựa chọn ống nhựa có đường kính 2 cm, dài khoảng 6 – 10cm và sử dụng ổ điện hộp nhựa hình chữ nhật có kích thước: rộng 5cm, dài 10cm làm hộp đựng linh kiện. Đây là loại hộp dễ kiếm, việc chế tạo hộp rất đơn giản nhờ các dụng cụ: cưa mini, kéo và keo dính.
Thao tác chế tạo hộp:
- Dùng cưa cưa hai đầu ống nhựa để tạo một đoạn ống ngắn chứa được 1 linh kiện điện.
- Lựa chọn loại đầu ống phù hợp để lắp vào đoạn ống trên để tạo thành một hộp kín
- Ở mỗi đầu nắp tạo một lỗ tròn nhỏ bằng cách dùng que kim loại hơ nóng rồi xuyên qua.
Chú ý: Khi cưa phải nhẹ tay và đều lực để hai đầu ống càng nhẵn càng đẹp. Lúc này ta có hộp đựng linh kiện điện như trong hình:
Hình 2.2 Ảnh chụp hộp và nắp hộp
Hoặc chúng ta có thể sử dụng những ổ điện hình chữ nhật để tạo nên một hộp đen chứa nhiều cấu trúc mạch khác nhau, mỗi cấu trúc mạch tương ứng với những đầu ra nhất định bên ngoài vỏ hộp.
b. Những thao tác tháo lắp các bộ phận của hộp đen
+ Bước 1: Sử dụng những đoạn dây dẫn có độ dài khoảng 15cm, tước bỏ một phần vỏ nhựa bên ngoài, để lộ ra lõi đồng bên trong.
+ Bước 2: Dùng mỏ hàn để hàn 2 lõi đồng của hai dây dẫn nêu trên với hai đầu của điện trở hoặc tụ điện, diot, điện trở phụ thuộc nhiệt độ, nguồn điện… + Bước 3: Luồn hai đầu dây còn lại qua lỗ đã được chọc thủng ở hai đầu hộp đen nhỏ, lắp hai đầu trên vào đoạn ống nhựa đã được cắt
Hình 2.3. Ảnh chụp hộp đen chứa một phần tử
Với ba bước trên, ta đã hoàn thành loại hộp đen điện chứa 1 phần tử theo yêu cầu của các nhiệm vụ 1, 2, 3, 4, 5 ở phần dưới. Đối với hộp đen hình chữ nhật chứa một vài cấu trúc mạch ta làm như sau:
+ Bước 1: Vẽ sơ đồ cấu trúc mạch theo yêu cầu của bài
+Bước 2: Hàn dây dẫn và một đầu của linh kiện vào các vị trí chốt cắm theo sơ đồ cầu trúc mạch đã vẽ ở trên.
Lưu ý: Bước này phải thực hiện cẩn thận, tránh trường hợp các dây dẫn chồng chéo lên nhau hoặc hàn nhầm vị trí.
+ Bước 3: Đánh kí hiệu các chốt cắm bên ngồi vỏ hộp, sau đó lắp hồn chỉnh hộp. Với ba bước như trên, ta đã hoàn thành hộp đen chứa ba cấu trúc mạch theo yêu cầu của bài tập 6,7,8 bên dưới.
Hình 2.4: Ảnh chụp cấu trúc và hộp đen chứa hai phần tử
2.2.2.2. Nội dung và các bước giải theo phương pháp hộp đen các bài tập hộp đen phần Dịng điện khơng đổi.
a. Nội dung
Trong dạy học Vật lí ở trường phổ thơng, giáo viên có thể xây dựng các bài toán hộp đen cho học sinh giải quyết. Thơng thường bài tốn hộp đen được giáo viên xây dựng sẽ có một hộp đen chứa một hệ Vật lí nào đó mà học sinh
chưa biết cấu trúc, chức năng hoặc thông số. Với một số thông tin cho trước như: giới hạn phạm vi kiến thức, số lượng phần tử cấu tạo nên hộp đen...Học