Chương 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ DẠY HỌC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ TRONG MÔN VẬT LÍ Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG
1.2. Các phương pháp định hướng hành động nhận thức của học sinh giải quyết vấn đề, xây dựng tri thức mới trong dạy học Vật lí
1.2.1. Các phương pháp nhận thức được sử dụng trong tiến trình nhận thức khoa học [17]
1.2.1.1. Phương pháp thực nghiệm Vật lí
Spaski đã nêu lên thực chất của phương pháp thực nghiệm của Galilê như sau: Xuất phát từ quan sát và thực nghiệm nhà khoa học xây dựng một giả thuyết.
Giả thuyết đó không chỉ đơn giản là tổng quát hoá các thí nghiệm đã làm, nó chứa đựng một cái gì mới mẻ không có sẵn trong từng thí nghiệm cụ thể. Bằng phép suy luận lôgic và bằng toán học nhà khoa học có thể từ giả thuyết đó mà rút ra một hệ quả, tiên đoán một số sự kiện mới trước đó chưa biết đến. Những hệ quả và sự kiện mới đó lại có thể dùng thực nghiệm để kiểm tra lại được. Nếu sự kiểm tra đó thành công, nó khẳng định sự đúng đắn của giả thuyết và khi đó giả thuyết được coi là một định luật Vật lý chính xác.
Niutơn đã đưa ra bốn quy tắc sau:
Quy tắc 1: Đối với mỗi hiện tượng, không thừa nhận những nguyên nhân nào khác ngoài những nguyên nhân đủ để giải thích nó.
Quy tắc 2: Bao giờ cũng quy những hiện tượng như nhau về cùng một nguyên nhân.
Quy tắc 3: Những tính chất của tất cả các vật mà ta có thể đem ra làm thí nghiệm được mà không thể làm cho nó tăng lên hoặc giảm xuống thì coi là tính chất của mọi vật nói chung.
Quy tắc 4: Bất kỳ khẳng định nào rút ra từ thực nghiệm bằng phương pháp quy nạp đều là đúng chừng nào chưa có những hiện tượng khác giới hạn hoặc mâu thuẫn với khẳng định đó.
1.2.1.2. Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết
* Phương pháp tương tự
Phương pháp tương tự là phương pháp nhận thức khoa học với việc sử dụng sự tương tự và phép suy luận tương tự nhằm thu nhận tri thức mới.
Các giai đoạn cơ bản của phương pháp tương tự:
- Tập hợp các dấu hiệu về đối tượng cần nghiên cứu và các dấu hiệu về đối tượng đã có những hiểu biết phong phú định đem đối chiếu.
- Tiến hành phân tích những dấu hiệu giống nhau và khác nhau giữa chúng.
Kiểm tra xem các dấu hiệu giống nhau có đồng thời là các dấu hiệu bản chất của các đối tượng này hay không.
- Truyền các dấu hiệu của đối tượng đã biết cho đối tượng cần nghiên cứu bằng suy luận tương tự.
- Kiểm tra tính đúng đắn của các kết luận rút ra (hoặc các hệ quả của chúng) có tính chất giả thuyết đó ở chính đối tượng cần nghiên cứu.
Nếu các kết luận rút ra không đúng đối với đối tượng cần nghiên cứu thì phải trở lại bước một.
* Phương pháp mô hình
Trong phương pháp mô hình, người ta xây dựng các mô hình mang những tính chất cơ bản của vật thể, hiện tượng, quá trình và mối quan hệ giữa chúng. Việc nghiên cứu trên mô hình sẽ thay thế cho việc nghiên cứu trên chính đối tượng thực, những kết quả nghiên cứu trên mô hình sẽ chuyển sang cho đối tượng gốc, cho phép ta thu được những thông tin mới về đối tượng gốc, dự đoán được những tính chất, hiện tượng mới có thể có của vật gốc.
Các giai đoạn của phương pháp mô hình:
- Giai đoạn 1: Nghiên cứu những tính chất của đối tượng gốc.
- Giai đoạn 2: Xây dựng mô hình.
- Giai đoạn 3: Thao tác trên mô hình, suy ra hệ quả lý thuyết.
- Giai đoạn 4: Thực nghiệm kiểm tra.
* Phương pháp thí nghiệm lý tưởng
Thí nghiệm lý tưởng là một phương pháp suy luận lý thuyết về những hành vi của một đối tượng lý tưởng không có hoặc không thể có trong thực tế. Thí nghiệm lý tưởng là một dạng làm việc với các đối tượng thực trong những điều kiện lý tưởng hoặc với các mô hình lý tưởng của các đối tượng thực.
Các giai đoạn chung của phương pháp thí nghiệm lý tưởng:
- Phân tích những hiện tượng thực, thí nghiệm thực để đặt vấn đề cho sự nghiên cứu tiếp theo bằng thí nghiệm lý tưởng.
- Xây dựng (hoặc tìm) một mô hình lý tưởng để thay thế đối tượng cần nghiên cứu trong thí nghiệm lý tưởng. Mô hình này vận động theo những quy luật xác định trong các điều kiện lý tưởng bao gồm cả "các máy móc, dụng cụ"
được lý tưởng hoá.
- Dùng các thao tác tư duy, các suy luận lôgic hoặc toán học để phân tích những tiến trình khả dĩ của hiện tượng dựa theo những quy luật vận động của mô hình, khi biến đổi một cách có chủ định các điều kiện lý tưởng.
- Phân tích những kết luận thu được, suy luận từ những kết luận đó ra các hệ quả mới, trong đó có việc xác định các thí nghiệm thực có thể tiến hành tiếp theo mà từ trước đến nay chưa biết.
* Phương pháp suy luận lôgic, suy luận toán học. Gồm các phương pháp sau:
- Phương pháp phân tích tổng hợp - Phương pháp suy luận quy nạp - Phương pháp suy luận diễn dịch - Phương pháp quy nạp - diễn dịch
1.2.2. Các phương thức hành động nhận thức giải quyết vấn đề [23]
Có hai phương thức giải quyết vấn đề tùy thuộc vào vấn đề cần giải quyết tương tự như hai cách thức giải quyết vấn đề trong vật lí cổ điển và vật lí hiện đại. Tuy nhiên kiến thức vật lí đích thực phải là sự phù hợp giữa các kiến thức có được từ phương thức giải quyết vấn đề phỏng theo con đường nghiên cứu thực nghiệm với các kiến thức có được từ phương thức giải quyết vấn đề phỏng theo con đường nghiên cứu lí thuyết. Đó là con đường biện chứng của hoạt động nhận thức (HĐNT) vật lí.
1.2.2.1. Phương thức hoạt động nhận thức giải quyết vấn đề phỏng theo con đường thực nghiệm [23]
Phương thức hoạt động nhận thức này có thể chia thành những bước cơ bản sau:
* Kích thích hoạt động nhận thức của học sinh bằng tình huống vấn đề Bước vào giờ học, học sinh thường chưa rõ mục đích, hứng thú học tập nên dễ dàng rơi vào trạng thái thụ động. Để học sinh có thể hứng thú, chủ động
tham gia vào hoạt động nhận thức cần thiết phải kích thích, thu hút nhanh chóng học sinh vào bài học bằng cách đưa họ vào tình huống vấn đề nhằm tạo ra và thúc đẩy mâu thuẫn nhận thức ở họ và làm xuất hiện nhu cầu giải quyết mâu thuẫn. Do đó, giáo viên phải lựa chọn, tổ chức tình huống vấn đề đúng và hiệu quả.
* Hình thành vấn đề nhận thức
Trên cơ sở phân tích tình huống vấn đề, bằng những kiến thức, kinh nghiệm, kĩ năng đã có, so sánh tình huống mới với các tình huống khác đã biết, tách bóc, trừu xuất những dấu hiệu không bản chất hay tạm thời chưa quan tâm để tìm ra những dấu hiệu mới, đó thường là một hay một vài câu hỏi chưa thể giải đáp bằng kiến thức, kinh nghiệm,...đã có, đòi hỏi phải hoạt động nhận thức để tìm kiếm lời giải đáp. Nếu câu hỏi được đặt ra từ phía học sinh thì có thể hi vọng rằng hoạt động nhận thức của học sinh đã bắt đầu. Nếu học sinh không thể đưa ra câu hỏi thì phải tìm cách để họ chấp nhận nó như vấn đề của chính mình và thấy cần phải giải quyết.
* Đề xuất các giả thuyết
Đó là một hay một vài phương án trả lời cho vấn đề nhận thức, có cơ sở nhưng chưa chắc chắn, có dạng các phán đoán. Giả thuyết được cụ thể hóa nhờ việc sử dụng hiểu biết đã có về hiện tượng hay các hiện tượng tương tự trên cơ sở suy luận, tiên đoán, kết hợp với logic toán học. Sau các thao tác đó, giả thuyết có dạng tường minh: dấu hiệu mới được đặc trưng bằng một khái niệm hay đại lượng vật lí mới, các mối quan hệ trở thành quan hệ giữa các đại lượng vật lí mới và các đại lượng đã biết. Ở bước này học sinh phải phát huy trí tưởng tượng, tiến hành các thao tác tư duy, suy luận lí thuyết. Đây là bước nhận thức quan trọng góp phần phát huy trực giác nhạy bén và khả năng sáng tạo của học sinh.
* Xây dựng các phương án kiểm chứng các giả thuyết:
Có nhiều giả thuyết đưa ra mặc dù có lí nhưng chỉ qua một vài lập luận trên cơ sở kiến thức, kinh nghiệm đã có thể loại bỏ. Chỉ có những giả thuyết xác đáng mới cần xây dựng phương án kiểm chứng bằng thí nghiệm.
Ở bước này người học tưởng tượng ra các cách thức kiểm chứng giả thuyết các dụng cụ, thiết bị cần thiết, hình dung sự vận hành và kết quả thí
nghiệm. Điều này đòi hỏi trực giác nhạy bén, trí tưởng tượng phong phú, nền tảng kiến thức, kinh nghiệm dồi dào, vì đây là bước nhận thức quan trọng góp phần phát triển tư duy sáng tạo ở học sinh.
Xây dựng giả thuyết và phương án kiểm tra giả thuyết là hai khâu quan trọng giúp giáo viên kiểm tra được kiến thức, kinh nghiệm, kĩ năng,... đã lĩnh hội trước đó của học sinh và có sự điều chỉnh kịp thời. Học sinh tham gia vào những công việc này sẽ có cơ hội sử dụng kiến thức đã có và sắp xếp kiến thức vào hệ thống để tiện lợi hơn trong việc sử dụng, nghĩa là thực hiện tinh giản kiến thức, nhờ đó mà kiến thức trở nên vững chắc hơn, tiện ích hơn.
* Thực hiện một cách thực tế thí nghiệm kiểm chứng hoặc bác bỏ giả thuyết Lắp đặt thí nghiệm, tiến hành đo đạc, lấy số liệu, tính toán, xử lí kết quả bằng cách thích hợp. Ở bước này học sinh được rèn luyện các kĩ năng thí nghiệm cần thiết.
* Rút ra kết luận
Tổng hợp kết quả thí nghiệm đưa ra kết luận về ý nghĩa của đại lượng vật lí mới, về mối quan hệ giữa nó vơi các đại lượng vật lí đã biết về hiện tượng vật lí mà thí nghiệm mô tả, đối chiếu với các giả thuyết và đưa ra kết luận. Đối chiếu kết luận với giả thuyết, nếu không phù hợp cần phải xem lại giả thuyết hay thí nghiệm.
* Vận dụng
Kết luận có được chỉ mới là kết luận về một hay một vài tình huống ban đầu và từ một hiện tượng lí tưởng mà thí nghiệm mô tả. Cần phải xem xét kết luận đó còn có thể áp dụng cho các sự vật, hiện tượng nào đó bằng cách vận dụng kết luận để phân tích, giải thích các hiện tượng cùng loại khác, từ đó mới xác định được phạm vi áp dụng của kết luận.
* Phát biểu kiến thức
Tùy vào mức độ tổng quát mà kết luận được khái quát hóa thành kiến thức là một khái niệm, một định luật,... hay đơn giản chỉ là một mối quan hệ nhân quả mô tả diễn biến của một hay một số ít hiện tượng.
Kiến thức thực nghiệm (Định luật, quy tắc,... thực nghiệm) Thí nghiệm
kiểm chứng
Vận dụng Kết luận
Các phương án kiểm tra giả thuyết Các giả thuyết
Vấn đề nhận thức
Khái quát hóa Kiến thức, kinh nghiệm, kĩ năng đã có
Cụ thể hóa Tổng hợp Đối chiếu, so sánh, chỉnh lí
Thí nghiệm tưởng tượng
Phương pháp suy luận, phương pháp tương tự+logic toán Phân tích, so sánh trừu tượng hóa
Phạm vi áp dụng
Tình huống học tập vật lí có vấn đề
Hình 1.3. Sơ đồ phương thức HĐNT giải quyết vấn đề phỏng theo con đường thực nghiệm [23]
1.2.2.2. Phương thức hoạt động nhận thức giải quyết vấn đề phỏng theo con đường lí thuyết [23]
Phương thức hoạt động nhận thức này có thể tiến hành theo các bước cơ bản sau:
* Kích thích HĐNT bằng tình huống vấn đề
Hoạt động nhận thức khoa học trong lĩnh vực lí thuyết ít khi bắt đầu bằng một tình huống thực tế mà thường bắt đầu bằng việc giải quyết một vấn đề nào đó về mặt lí thuyết. Tuy nhiên trong dạy học vật lí có thể tổ chức HĐNT cho học sinh bắt đầu từ một tình huống vấn đề mà không ảnh hưởng đến tính khoa học của HĐNT. Tình huống vấn đề có mục đích thu hút sự chú ý của học sinh vào bài học.
Học sinh tiến hành phân tích tình huống bắng các kiến thức, kinh nghiệm đã có.
* Hình thành vấn đề nhận thức
Khác với phương thức HĐNT phỏng theo con đường nghiên cứu thực nghiệm, ở phương thức HĐNT phỏng theo con đường nghiên cứu lí thuyết, vấn đề nhận thức thường là những câu hỏi về nguyên nhân, bản chất, cơ chế nội tại của hiện tượng nghiên cứu mà học sinh chưa thể trả lời nó bằng các kiến thức, kinh ngiệm đã có. Đặc biệt không thể trả lời nó bằng cách quan sát, phân tích trực tiếp hiện tượng. Đây là sự khác biệt cơ bản giữa hai phương thức HĐNT phỏng theo con đường nghiên cứu thực nghiệm và ngiên cứu lí thuyết.
* Hình thành giả thuyết
Để tìm câu trả lời sơ bộ cho vấn đề đặt ra, học sinh cũng giống như nhà vật lí lí thuyết, phải hình dung trong óc về cái gì hiện hữu, cái gì xảy ra ở bên trong, đằng sau hiện tượng quan sát được, nghĩa là phải đi xây dựng một mô hình giả thuyết về đối tượng, hiện tượng nghiên cứu. Mô hình này cho phép sơ bộ giải thích hiện tượng cần nghiên cứu. Mô hình được xây dựng bằng phương pháp mô hình mà cơ sở của nó là phương pháp tương tự.
Hình dung sự vận hành của mô hình, tưởng tượng các hành vi của mô hình khi các điều kiện tác động lên nó thay đổi, cụ thể hóa suy luận bằng ngôn ngữ toán học: tìm các đại lượng vật lí đặc trưng cho mô hình, xây dựng mối quan hệ giữ các đại lượng mới và các đại lượng đã biết nhằm mô tả các hành vi của mô hình. Tất cả các công việc này đều được tiến hành nhờ các thao tác tư duy lí thuyết.
Từ đó tiên đoán các hệ quả sẽ xảy ra trên đối tượng thực mà mô hình đại diện. Hệ quả này mới cho phép kiểm chứng trực tiếp bằng thí nghiệm.
* Xây dựng phương án kiểm chứng hệ quả
* Tiến hành thí nghiệm kiểm chứng: đo đạt, xử lí số liệu
* Rút ra kết luận
Nếu kết luận rút ra phù hợp với hệ quả thì có thể kết luận thêm rằng mô hình giả thuyết là có thể đại diện cho đối tượng nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu mô hình là sự biểu diễn các dấu hiệu bản chất, các quy luật biến đổi nội tại của đối tượng, hiện tượng cần nghiên cứu, đó cũng là nội dung của các thuyết vật lí. Nếu kết luận có được từ thí nghiệm không phù hợp với hệ quả thì khi đó cần phải tiến hành xây dựng mô hình giả thuyết mới và làm lại các khâu đó.
Vận dụng kết luận giải thích các hiện tượng khác để xác định phạm vi hữu hiệu của kết luận.
Khái quát hóa, phát triển kiến thức ở mức độ lí thuyết:
Gồm mô hình đã được xác nhận, các hiện tượng, đại lượng, phương trình lí thuyết, quy tắc, định luật,... có được khi kiểm chứng hệ quả.
Trong nghiên cứu khoa học vật lí, khó có thể tách bạch hai phương thức giải quyết vấn đề một cách riêng rẽmà các phương thức này nằm trong một tiến trình nhận thức khoa học, nó dựa vào nhau, bổ sung cho nhau.
Dạy học vật lí có thể sử dụng cả hai phương thức giải quyết vấn đề trong khoa học vật lí nếu chú ý đến sự phù hợp của chúng với kiến thức cần dạy và với đối tượng học sinh.
Khi tham gia vào hoạt động học tập được tổ chức phỏng theo hai phương thức HĐNT cơ bản trong vật lí, học sinh sẽ được bồi dưỡng các phương pháp nhận thức phổ biến, sẽ lĩnh hội được phương thức nhận thức tư duy khoa học cùng với quá trình xây dựng kiến thức, được rèn luyện tất cả các thao tác tư duy, vì thế tư duy có cơ hội phát triển. Có nghĩa là có cơ hội đạt tới hầu hết các mục tiêu giáo dục môn học với việc tổ chức hoạt động học tập cho học sinh đáp ứng các yêu cầu của nhận thức luận khoa học và phù hợp với đối tượng học sinh.
Khái quát hóa Tổng hợp
Cụ thể hóa
Kiến thức lí thuyết Thí nghiệm kiểm chứng hệ quả
Vận dụng Kết luận Đối chiếu
Giải thích, tiên đoán Giải thích
Tiên đoán Phân tích,
so sánh, trừu tượng hóa
Phương pháp mô hình, phương pháp tương tự
Hệ quả Mô hình giả thuyết
Vấn đề nhận thức Kiến thức, kinh nghiệm, kĩ năng
đã có
Suy luận, logic toán, phương pháp thí nghiệm tưởng tượng
Nghiên cứu mô hình Phạm vi áp dụng
Tình huống học tập vật lí có vấn đề
Hình 1.4. Sơ đồ phương thức hoạt động nhận thức giải quyết vấn đề phỏng theo con đường lí thuyết [23]