1.1 .Vai trị của tốn học trong dạy và học vật lí ở trƣờng phổ thơng
1.2. Phƣơng pháp mơ hình trong dạy học vật lí
1.2.3. Các loại mơ hình trong dạy học vật lí
- Mơ hình vật chất : 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 những kiến thức có tính chất kinh nghiệm. Đó là loại mơ hình bằng vật thể trên đó phản ánh những tác động cơ bản về mặt hình học, Vật lí học, động lực học, chức năng học của đối tượng nghiên cứu.
- Mơ hình lý tưởng (hay mơ hình lý thuyết): Đó là những mơ hình trừu
tượng mà trong 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 toàn khác nhau nhưng hoạt động theo những quy luật giống nhau. Các mơ hình lý thuyết có thể có rất nhiều loại, tuân theo mức độ trừu tượng khác nhau, bao gồm:
+ Mơ hình kí hiệu: Là hệ thống những lý luận được dùng để mô tả, thay thế những sự vật, hiện tượng vật lí thực (như mơ hình cơng thức tốn, mơ hình đồ thị, mơ hình logic tốn,...), từ các mơ hình này học sinh có thể hiểu sâu sắc tất cả các hiện tượng và định luật vật lí..
*) 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 tốn học. Đây là mơ hình mà vật lí học rất cần vì qua mơ hình này học sinh nắm chắc chắn và hiểu sâu sắc hơn về hiện tượng và định luật vật lí. Chẳng hạn như tất cả những đại lượng q biến thiên thỏa mãn phương trình:
q”+2
q = 0.
Bởi vậy có thể dùng cơng thức tốn học trên đây mơ tả cho 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. Do vậy muốn học được và hiểu được các hiện tượng và định luật vật lí trừu tượng thì ngay từ đầu chúng ta phải hiểu và nắm bắt các hiện tượng cơ học mà bằng mắt thường ta có thể nhìn và cảm nhận được. Đó là các hiện tượng của dao động cơ học. Sau đó mới nghiên cứu đến sóng cơ học, từ những hiện tượng quan sát được như vậy người ta mới nghiên cứu đến dao động và sóng điện từ cũng như dịng điện xoay chiều.
Mơ hình tốn học 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 và giảng dạy các hiện tượng và định luật vật lí.
*) Mơ hình đồ thị: 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. Từ các mơ hình đồ thị đó người ta có thể hiểu sâu sắc các hiện tượng và định luật vật lí. Vai trị của đồ thị thể hiện rất rõ: Đồ thị biểu diễn một mối quan hệ giữa hai hoặc ba đại lượng vật lí mơ tả hiện tượng tự nhiên. 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. Như vậy mơ hình đồ thị cịn có chức năng tiên đốn xuất phát từ đồ thị. Ví dụ đồ thị của đường đẳng tích ( P- T ) trên hình (1.1).
Hình 1.1. Đồ thị mơ tả sự phụ thuộc của (p, T)
Nếu một đồ thị có một cực đại (hay một cực tiểu) nó sẽ biểu hiện hai yếu tố trái ngược nhau chi phối hiện tượng mà ta xét. Ví dụ hình (1.2) mơ tả sự phụ thuộc của biên độ dao động cưỡng bức vào tần số của lực cưỡng bức.
Hình 1.2. Đồ thị mơ tả sự phụ thuộc của biên độ dao động cƣỡng bức vào tần số của lực cƣỡng bức.
*) Mơ hình logic- tốn: Mơ hình này dựa trên ngơn ngữ tốn học. Ngày nay nó 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
f
0
f
Chiều tăng thể tích của đồ thị P-T P T(K) V1 O V2 > V1 V2
chương trình 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: Là dạng trừu tượng nhất của mơ hình lý tưởng, những mơ hình trừu tượng không tồn tại trong không gian, trong thực tế mà chỉ có trong tư duy. Ta chỉ nên tưởng tượng nó trong óc rồi tiến hành algorit để tạo ra mơ hình rồi hình dung nó trong óc, chứ khơng làm ra mơ hình cụ thể. Với sự tưởng tượng đó, người ta có thể thể hiện được hành vi của mơ hình.
Trong vật lý học những mơ hình lý thuyết có tác dụng to lớn đối với quá 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 lí 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 ở hình (1.3) sau đây:
Hình 1.3. Các loại mơ hình sử dụng trong vật lý học
MH cấu trúc MƠ HÌNH MH lý thuyết MH vật chất MH ký hiệu MH biểu tượng MH đồ thị MH lơgic tốn MH toán học MH chức năng
Trong luận văn này tơi xin đề cập chủ yếu đến mơ hình ký hiệu để giải thích, nghiên cứu các hiện tượng và định luật vật lí. Khi trang bị cho học sinh đầy đủ mơ hình tốn học này tức là giáo viên đã giúp học sinh có thể hiểu rõ và sâu sắc các vấn đề trong vật lí học. Trên cơ sở đó học sinh nhận thức rõ ràng hơn về các hiện tượng, định luật vật lí ln ln gắn liền với đời sống con người. Từ đó con người thấy rằng mọi điều trong tự nhiên đều thực sự hữu ích.