1.3.1. Ứng dụng kĩ thuật của Vật lí
Vật lí là một môn nghiên cứu về các quy luật tự nhiên, hệ thống kiến thức vật lí hầu hết được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Vì vậy các kiến thức này được ứng
dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày như dùng để giải thích các hiện tượng tự nhiên, chế tạo vật liệu …hay ứng dụng trong kĩ thuật.
ƯDKT của Vật lí là các đối tượng, thiết bị, máy móc (hoặc hệ thống các đối tượng, thiết bị máy móc) được chế tạo và sử dụng với mục đích nào đó trong kĩ thuật, đời sống mà nguyên tắc hoạt động của chúng dựa trên các khái niệm, định luật hiệu ứng, nguyên lý của kiến thức Vật lí đó.
1.3.2. Vai trị của ứng dụng kĩ thuật trong dạy học Vật lí
Để đạt được mục tiêu chung của hệ thống giáo dục nói chung cũng như mục tiêu của bộ mơn Vật lí nói riêng thì việc dạy học Vật lí ở trường phổ thơng có một số nhiệm vụ cơ bản, mà một trong các nhiệm vụ đó là: Góp phần giáo dục kĩ thuật tổng hợp. Cụ thể việc dạy học Vật lí phải làm cho học sinh nắm được những nguyên lý cơ bản về các quá trình sản xuất của những ngành chủ yếu, giúp HS định hướng nghề nghiệp và chủ động tham gia các quá trình sản xuất, hoạt động xã hội. Trong chương trình Vật lí phổ thơng có rất nhiều ƯDKT được nghiên cứu. Chẳng hạn như:
Trong chương trình Vật lí 10 có nghiên cứu về động cơ phản lực, tên lửa, máy nén thủy lực, băng kép, máy lạnh…
Trong chương trình vật lí 11 có nghiên cứu về điot, tranzito, động cơ diện một chiều, điện kế khung quay, máy phát điện, kính lúp, kính hiển vi, kính thiên văn…
Trong chương trình Vật lí 12 có nghiên cứu về động khơng đồng bộ, máy phát điện xoay chiều một pha, ba pha…
Việc nghiên cứu các ƯDKT trong dạy học Vật lí HS bước đầu làm quen với các ngành lao động sản xuất, rèn luyện kĩ năng cần thiết trong lao động. Qua nghiên cứu các ƯDKT học sinh thấy được vị trí, vai trị to lớn của các nguyên lý, định luật…Vật lí trong các ứng dụng ở cuộc sổng hàng ngày. Điều này làm tăng tính tích cực, hứng thú của HS trong học tập.
Đồng thời khi tiến hành nghiên cứu các ƯDKT học sinh được củng cố và khắc sâu được kiến thức đã học. Bởi vì để giải thích các ngun lí hoạt đơng hay
cấu tạo của các thiết bị kĩ thuật thì HS phải thơng qua việc vận dụng các kiến thức đã học để giải thích hay mơ tả lại bằng ngơn ngữ nói hoặc viết.
Trong quá trình nghiên cứu các ƯDKT học sinh có thể được tham gia vận hành hoặc thiết kế, chế tạo các thiết bị kĩ thuật, đó có thể chỉ là các thiết kế thơ sơ dưới dạng hình vẽ hay bản đồ hoặc mơ hình đơn giản nhưng khi thực hiện đòi hỏi HS phải tư duy, sáng tạo. Do đó việc nghiên cứu các ƯDKT có thể phát triển năng lực sáng tạo ở HS. (Nguyễn Đức Thâm, 2002)
1.3.3. Bản chất của ứng dụng kĩ thuật trong dạy học Vật lí
Nghiên cứu ƯDKT trong dạy học Vật lí là tìm hiểu mối quan hệ Vật lí và kĩ thuật, cụ thể là phải làm sáng tỏ được cấu tạo, nguyên lí hoạt động của các máy móc kĩ thuật và xác định được tính quy luật Vật lí tồn tại trong hoạt động của thiết bị. Tính “quy luật Vật lí” ở đây chính là các nguyên lí, định luật Vật lí được vận dụng để mơ tả, giải thích các hoạt động của thiết bị kĩ thuật. (Nguyễn Đức Thâm,2002).
Khi nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật, HS được biết các nguyên tắc cơ bản của một số thiết bị. Từ đó HS có thể nhận biết chúng ở trong các loại máy móc, thiết bị khác và phân tích được ưu nhược điểm trong từng loại khác nhau.
1.3.4. Mơ hình sử dụng trong dạy học ứng dụng kĩ thuật
Phương pháp mơ hình hóa là phương pháp nghiên cứu tự nhiên đã từ lâu được sủ dụng rộng rãi trong nghiên cứu đối tượng Vật lí, bản chất của phương pháp là: Khi nghiên cứu một đối tượng nào đó người ta sử dụng một đối tượng khác thay thế đối tượng được nghiên cứu (nguyên bản). Đối tượng thay thế cho nguyên bản, được gọi là mơ hình. Mơ hình là một phương tiện trực quan giúp cho HS hiểu được cơ cấu bên trong của đối tượng. Vì vậy trong dạy học Vật lí nói chung hay trong dạy học ƯDKT nói riêng thì việc sử sụng phương pháp mơ hình là cần thiết.
Trong dạy học ƯDKT thường hay sử dụng hai loại mơ hình:
Mơ hình vật chất: là mơ hình bằng vật thể, trên đó phản ánh những đặc trưng cơ bản về mặt hình học, vật lí học, động lực học của đối tượng nghiên cứu.
Mơ hình kí hiệu: là hệ thống những kí hiệu dùng để mơ tả, thay thế một sự vật hiện tượng Vật lí, thường được biểu diễn dưới dạng hình
vẽ. Mơ hình kí hiệu là một dạng của mơ hình lý tưởng. (Nguyễn Đức Thâm, 2002)
1.3.5. Con đường nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật của Vật lí trong dạy học
Trong dạy học Vật lí có hai con đường dạy học những ƯDKT (Nguyễn Đức Thâm, 2002):
Con đường thứ nhất: quan sát cấu tạo của đối tượng kĩ thuật đã có sẵn, giải thích ngun tắc hoạt động của nó. Thực chất của con đường này là giải bài toán “hộp trắng”: nghĩa là HS được biết cấu tạo, cách thức tác động và kết quả đầu ra nhưng phải giải thích tại sao với tác động như vậy thì thu được kết quả như thế. Để giải thích được HS phải phát hiện được chính xác những điều kiện vật lý tác động ở đầu vào, hiện tượng vật lí ở đầu ra, từ đó tìm ra các định luật vật lí chi phối quá trình biến đổi diễn ra bên trong đối tượng. Các giai đoạn tiến hành theo con đường thứ nhất như sau:
Giai đoạn 1: Đưa ra được câu hỏi cho điều cần giải thích dưới dạng câu hỏi “Tại sao khi tác động đầu vào như vậy thì cho kết quả đầu ra như thế?”. Để đặt được câu hỏi này thì trong giai đoạn học này HS được quan sát thiết bị kĩ thuật, được vận hành thiết bị.
Giai đoạn 2: Nghiên cứu cấu tạo, chức năng của các bộ phận của thiết bị kĩ thuật, tìm hiều mối liên kết giữa chúng khi vận hành để phát hiện quy luật vật lí chi phối chúng. Trong giai đoạn này HS xác định cấu tạo bên trong của thiết bị nhờ quan sát thiết bị gốc hoặc đơi khi là mơ hình vẽ hoặc vật chất bổ dọc, bổ ngang của thiết bị kĩ thuật. Sau đó xây dựng mơ hình vật chất để thay thế cho thiết bị kĩ thuật, Việc vận hành mơ hình thay thế này sẽ giúp HS phát hiện mối quan hệ giữu các bộ phận và các định luật Vật lí chi phối chúng.
Giai đoạn 3: Giải thích nguyên tắc hoạt động của thiết bị kĩ thuật. Lựa chọn một định luật hay quy tắc Vật lí làm cơ sở rồi thực hiện các phép suy luận dựa trên những điều kiện của thiết bị để đưa ra kết luận phù hợp với tác động ở đầu vào và kết quả thu được của thiết bị kĩ thuật.
Con đường thứ hai: Thiết kế một thiết bị nhằm giải quyết một yêu cầu kĩ thuật nào đó dựa trên các kiến thức Vật lý đã biết. Thực chất của con đường này là HS giải quyết một bài tập sáng tạo, để giải bài tập này địi hỏi HS phải tìm tịi phát minh ra một máy móc, thiết bị có một chức năng nào đó đáp ứng được yêu cầu kĩ thuật, giải quyết được một nhiệm vụ cụ thể trong sản xuất và đời sống. Dạy học ƯDKT theo con đường thứ hai có thể gồm các giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: Xác định những kiến thức vật lí cần sử dụng để chế tạo thiết bị kĩ thuật mới.
Giai đoạn 2: Đưa ra nhiệm vụ thiết kế một thiết bị có chức năng đáp ứng một nhu cầu của sản xuất và đời sống.
Giai đoạn 3: Đưa ra phương án thiết kế thiết bị.
Giai đoạn 4: Xây dựng mơ hình vật chất theo thiết kế đã chọn.
Giai đoạn 5: Bổ sung hồn thiện mơ hình và đưa ra vật thật hoặc mơ hình có thêm các chi tiết kĩ thuật.
Việc dạy học các ƯDKT, giáo viên có thể lựa chon một trong hai con đường trên. Tuy nhiên con đường thứ hai sẽ phát huy năng lực sáng tạo của HS tốt hơn với việc lựa chọn các thiết kế khơng q phức tạp, phù hợp với trình độ của HS. Có thể trong q trình thiết kế HS sẽ gặp những khó khăn nhất định, khi đó GV có thể định hướng, giúp đỡ, GV cần tránh thơng báo, áp đặt mà chỉ hướng dẫn cịn HS phải tự lực thực hiện các cơng việc có thể làm được. Tuy nhiên đối với một số thiết bị kĩ thuật có cấu tạo phức tạp, việc yêu cầu HS thiết kế là yêu cầu cao hoặc đôi khi nhiệm vụ phù hợp nhưng do trang thiết bị cơ sở vật chất của trường khơng đầy đủ thì việc dạy học theo con đường này khó thực hiện, lúc đó có thể tiến hành theo con đường thứ nhất. Do đó việc tiến hành theo con đường nào phải căn cứ vào hiện trạng thực tế.