Chương 1. Cơ sở lý luận và thực tiễn của việc xây dựng và sử dụng các thí nghiệm về Dao động cơ có kết nối với điện thoại thông minh nhằm bồi dưỡng năng lực thực nghiệm của học sinh trong dạy học vật lí ở trường phổ thông
1.2. Cơ sở lý luận về việc thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị thí nghiệm Vật lí nhằm bồi dưỡng năng lực thực nghiệm
1.2.2. Vai trò của thí nghiệm trong dạy học Vật lí ở THPT
Vai trò thí nghiệm theo quan điểm lý luận nhận thức
Tùy thuộc vào vốn hiểu biết của con người, khối kiến thức đã có về đối tượng cần nghiên cứu mà thí nghiệm có những vai trò quan trọng khác nhau. Trong dạy học Vật lí ở trường phổ thông, thí nghiệm có các vai trò sau (Nguyễn Đức Thâm et al., 2002) (Phạm Hữu Tòng, 2001):
- Thí nghiệm là phương tiện để học sinh thu nhận tri thức.
Khi học sinh hoàn toàn chưa có hoặc có ít hiểu biết về đối tượng cần nghiên cứu thì thí nghiệm được sử dụng như là một phương tiện để phân tích hiện thực khách quan thông qua quá trình thiết lập đối tượng nghiên cứu một cách chủ quan như: Thiết kế phương án thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm, xử lí kết quả quan sát và đo đạc được từ thí nghiệm để từ đó thu nhận những kiến thức đầu tiên về đối tượng cần nghiên cứu.
- Thí nghiệm là phương tiện để kiểm tra tính đúng đắn của tri thức mà học sinh đã thu được.
Trong nhiều trường hợp, kết quả thí nghiệm phủ nhận tính đúng đắn của tri thức học sinh đã biết, đòi hỏi phải đưa ra giả thuyết khoa học mới và lại phải kiểm tra nó ở các thí nghiệm khác. Nhờ vậy, học sinh sẽ thu được những tri thức có tính
khái quát hơn, bao hàm các tri thức đã biết trước đó như là những trường hợp riêng, trường hợp giới hạn.
- Thí nghiệm là phương tiện học sinh vận dụng những tri thức đã tiếp thu được vào thực tiễn.
Trong quá trình vận dụng các tri thức lý thuyết vào việc thiết kế, vận dụng, học sinh sẽ gặp phải những khó khăn do tính trừu tượng của tri thức cần sử dụng, tính phức tạp chịu sự chi phối bởi nhiều định luật hoặc các lí do khách quan khác. Khi đó thí nghiệm được sử dụng như một phương tiện tạo cơ sở cho việc vận dụng các tri thức đã thu được vào thực tiễn.
- Thí nghiệm là một bộ phận của các phương pháp nhận thức Vật lí.
Thí nghiệm Vật lí đặc biệt đóng vai trò quan trọng đối với các phương pháp nhận thức phổ biến trong nghiên cứu Vật lí, đó là phương pháp thực nghiệm và phương pháp mô hình, cụ thể như sau:
+ Phương pháp thực nghiệm, là phương pháp thu thập các sự kiện trong những điều kiện được tạo ra một cách đặc biệt (tạo ra kinh nghiệm mới, lý thuyết mới để khẳng định những mối liên hệ dự kiến sẽ có trong những điều kiện mới) đảm bảo cho sự thể hiện tích cực, chủ động của các hiện tượng, sự kiện nghiên cứu.
+ Phương pháp thực nghiệm khoa học là một trong các phương pháp cơ bản trong nghiên cứu khoa học. Song chỉ được sử dụng khi và chỉ khi đặt ra bài toán làm sáng tỏ các mối liên hệ, sự phụ thuộc, giữa các hiện tượng nghiên cứu và sự thể hiện các giả định, kiểm định các giả thuyết. Có 3 điều kiện để sử dụng phương pháp thực nghiệm khoa học:
- Biết được chính xác những yếu tố nào ảnh hưởng đến sự nảy sinh và diễn biến của các hiện tượng nghiên cứu.
- Xác định được những nguyên nhân của các hiện tượng do vạch ra được các điều kiện ảnh hưởng.
- Lặp lại thí nghiệm nhiều lần tuỳ theo ý muốn và như vậy sẽ thu được, tích luỹ được những tài liệu định lượng mà từ đó có thể phán đoán về tính điển hình hay ngẫu nhiên của các hiện tượng nghiên cứu.
+ Phương pháp thực nghiệm được chia ra gồm 4 giai đoạn:
1. Làm nảy sinh vấn đề cần giải đáp, câu hỏi cần trả lời.
2. Đề xuất giả thuyết.
3. Từ giả thuyết, dùng suy luận lôgíc rút ra hệ quả có thể kiểm tra bằng thí nghiệm.
4. Xây dựng và thực hiện phương án thí nghiệm để kiểm tra hệ quả đã rút ra.
Nếu kết quả thí nghiệm phù hợp với hệ quả đã rút ra thì giả thuyết là chân thực, nếu kết quả thu được không phù hợp thì phải đề xuất giả thuyết mới. Như vậy thí nghiệm đóng vai trò quan trọng ở giai đoạn đầu và giai đoạn cuối của phương pháp thực nghiệm.
+ Phương pháp mô hình, là một phương pháp khoa học để nghiên cứu các đối tượng, các quá trình … bằng cách xây dựng các mô hình của chúng (các mô hình này bảo toàn các tính chất cơ bản được trích ra của đối tượng đang nghiên cứu) và dựa trên mô hình đó để nghiên cứu trở lại đối tượng thực. Phương pháp mô hình gồm 4 giai đoạn:
1. Thu thập các thông tin về đối tượng gốc. Ở giai đoạn này các thông tin về đối tượng gốc thường được thu thập nhờ thí nghiệm, qua thí nghiệm có thể loại bỏ những yếu tố không quan tâm, tìm ra các thuộc tính, các mối quan hệ bản chất của đối tượng gốc.
2. Xây dựng mô hình. Căn cứ trên các thông tin thuộc tính và mối quan hệ bản chết của đối tượng gốc, ta xây dựng nên mô hình cho đối tượng. Nếu mô hình là vật chất người ta sẽ phải tiến hành các thí nghiệm thực với nó.
3. Thu thập các thông tin trên mô hình để suy ra các hệ quả lý thuyết.
4. Kiểm tra lại hệ quả trên đối tượng gốc. Trong giai đoạn này, thông qua thí nghiệm trên vật gốc, đối chiếu kết quả thu được trên mô hình với những kết quả thu được trên vật gốc, kiểm tra được tính đúng đắn của mô hình và rút ra giới hạn áp dụng của mô hình.
Vai trò thí nghiệm theo quan điểm lý luận dạy học
Theo quan điểm của lý luận dạy học, thí nghiệm có các vai trò sau:
─ Thí nghiệm có thể được sử dụng ở tất cả các giai đoạn khác nhau của quá trình dạy học như: đề xuất vấn đề cần nghiên cứu; hình thành kiến thức, kỹ năng mới;
củng cố kiến thức, kỹ năng đã thu được và kiểm tra, đánh giá kiến thức, kỹ năng của học sinh.
Việc sử dụng thí nghiệm để tạo tình huống có vấn đề, đặc biệt có hiệu quả trong giai đoạn đề xuất vấn đề cần nghiên cứu. Các thí nghiệm được sử dụng để tạo tình huống có vấn đề thường là các thí nghiệm đơn giản, tốn ít thời gian chuẩn bị cũng như thời gian tiến hành thí nghiệm.
Trong giai đoạn hình thành kiến thức mới, thí nghiệm cung cấp một cách có hệ thống các cứ liệu thực nghiệm, để từ đó quy nạp, khái quát hoá, kiểm tra được tính đúng đắn của giả thuyết hoặc hệ quả lôgic rút ra từ giả thuyết đã đề xuất, hình thành kiến thức mới.
Thí nghiệm có thể được sử dụng một cách đa dạng trong quá trình củng cố (ôn tập, đào sâu, mở rộng, hệ thống hoá và vận dụng) kiến thức, kỹ năng của học sinh.
Những thí nghiệm loại này được tiến hành ngay ở mỗi bài học nghiên cứu tài liệu mới, trong các bài học dành cho việc luyện tập, các tiết ôn tập và các giờ thí nghiệm thực hành sau mỗi chương, trong các giờ ngoại khoá ở lớp, ở nhà.
Thí nghiệm là phương tiện để kiểm tra, đánh giá kiến thức và kỹ năng của học sinh. Thông qua các hoạt động trí tuệ - thực tiễn của học sinh trong quá trình thí nghiệm (Thiết kế phương án thí nghiệm, dự đoán hoặc giải thích hiện tượng vật lí hay quá trình vật lí diễn ra trong thí nghiệm, lựa chọn các dụng cụ thí nghiệm cần thiết, lắp ráp các dụng cụ và bố trí thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm, thu nhận và xử lí kết quả thí nghiệm...), học sinh sẽ chứng tỏ những kiến thức về hiện tượng vật lí đang đề cập, kiến thức về phương pháp và cả kỹ năng của bản thân mình. Để kiểm tra, đánh giá mức độ nắm vững kiến thức và kỹ năng của học sinh, giáo viên cần có nhiều cách thức sử dụng thí nghiệm ở nhiều mức độ yêu cầu khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp. Mức độ tự lực của học sinh trong quá trình thí nghiệm cũng có thể khác nhau, từ việc tiến hành thí nghiệm theo bảng hướng dẫn chi tiết cho sẵn đến việc học sinh hoàn toàn tự lực trong tất cả các giai đoạn của thí nghiệm.
─ Thí nghiệm là phương tiện góp phần phát triển nhân cách toàn diện của học sinh. Hiện nay dạy học không chỉ truyền thụ kiến thức, kỹ năng, kỹ xảo mà còn góp phần phát triển nhân cách cho học sinh một cách toàn diện. Cho nên trong dạy học vật lí nói chung và thí nghiệm vật lí nói riêng cũng không nằm ngoài quy luật đó. Qua thí nghiệm vật lí làm cho học sinh hứng thú học tập và quá trình thu nhận thông tin của học sinh ngày càng mang rõ nét tính tích cực, tự lực sáng tạo khi học tập môn vật lí. Như vậy quá tình tiếp cận các thí nghiệm vật lí dần dần trong học sinh xuất hiện sự ham muốn tìm hiểu, ham muốn nghiên cứu, xóa dần sự ngăn cách ý thức của học sinh giữa vật lí và cuộc sống muôn màu muôn vẻ để tạo cho học sinh hứng thú nhận thức.
Thí nghiệm là phương tiện để nâng cao chất lượng kiến thức và rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo về vật lí của học sinh. Bởi vì thí nghiệm luôn có mặt trong quá trình nghiên cứu các hiện tượng, quá trình vật lí, soạn thảo khái niệm, định luật vật lí, xây dựng các thuyết vật lí, đề cập các ứng dụng trong sản xuất và đời sống của các kiến thức đã học.
─ Thí nghiệm là phương tiện kích thích hứng thú học tập vật lí, tổ chức quá trình học tập tích cực, tự lực và sáng tạo của học sinh.
─ Thí nghiệm là phương tiện tổ chức các hình thức làm việc tập thể khác nhau, bồi dưỡng các phẩm chất đạo đức của học sinh.
─ Thí nghiệm là phương tiện giúp đơn giản hoá và trực quan các kiến thức trong dạy học vật lí.
Do thí nghiệm vật lí là một bộ phận của các phương pháp nhận thức vật lí nên thông qua mối quan hệ với các quá trình thí nghiệm, học sinh sẽ được làm quen và vận dụng có ý thức các phương pháp nhận thức này. Các kiến thức về phương pháp mà học sinh lĩnh hội được có ý nghĩa quan trọng, mở rộng vượt qua khỏi giới hạn môn Vật lí sang các môn học khác, lĩnh vực khác.