Chương 3. ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ Ở THPT
3.4. PPTN trong dạy học vật lý
Ở đây ta muốn đề cập một PPDH, trong đó PPTN của quá trình sáng tạo khoa học được vận dụng vào quá trình dạy học vật lí. Thực chất của PPTN này là ở chỗ: GV tổ chức, chỉ đạo hoạt động học tập của HS theo các bước tương tự như các giai đoạn
Làm nảy sinh vấn đề cần nghiên cứu
Hệ quả
Thí nghiệm kiểm tra Thiết kế phương án thí nghiệm
-Lập kế hoạch TN -Bố trí TN
-THTN thu thập dữ liệu . Kinh nghiệm sống . Quan sát tự nhiên . Thí nghiệm, bài tập
. Câu chuyện lịch sử…
Giả thuyết
Kết luận
tạo của HS trong quá trình lĩnh hội kiến thức, làm cho HS lĩnh hội được kiến thức một cách sâu sắc, vững chắc, đồng thời qua đó góp phần phát huy năng lực nhận thức sáng tạo của HS.
Tất nhiên khi áp dụng PPTN trong dạy học Vật lí, GV phải sử dụng TN (dưới dạng TNBD của GV và TN của HS làm). Không sử dụng TN thì không thể nói đến PPTN. Nhưng cũng cần lưu ý rằng, điều này không có nghĩa là hễ có sử dụng TN trong DH thì là đã áp dụng PPTN như vừa nói ở trên. Bởi vì trong DH vật lí, TN được sử dụng có khi chỉ như một phương tiện trực quan đơn thuần, chứ không phải là nó được thiết lập và thực hiện trong quá trình nghiên cứu theo đòi hỏi của việc xác lập hoặc kiểm tra một giả thuyết nào đó. Việc sử dụng TN trong trường hợp như thế thì không phải theo tinh thần áp dụng PPTN của vật lí học.
3.4.2. Các giai đoạn của PPTN trong dạy học vật lý
Để giúp HS có thể bằng những hoạt động của bản thân mình mà tái tạo, chiếm lĩnh được các kiến thức vật lí thì tốt nhất là GV phỏng theo PPTN của các nhà khoa học mà tổ chức cho HS hoạt động theo các giai đoạn sau:
- Giai đoạn 1: GV mô tả một hoàn cảnh thực tiễn hay biểu diễn một vài TN và yêu cầu các em dự đoán diễn biến của hiện tượng, tìm nguyên nhân hoặc xác lập một mối quan hệ nào đó, tóm lại là nêu lên một câu hỏi mà HS chưa biết câu trả lời, cần phải suy nghĩ tìm tòi mới trả lời được.
- Giai đoạn 2: GV hướng dẫn, gợi ý cho HS xây dựng một câu trả lời dự đoán ban đầu, dựa vào sự quan sát tỉ mỉ, kĩ lưỡng, vào kinh nghiệm của bản thân, vào những kiến thức đã có…(Ta gọi là xây dựng giả thuyết). Những dự đoán này có thể còn thô sơ, có vẽ hợp lý nhưng chưa chắc chắn.
- Giai đoạn 3: Từ giả thuyết dùng suy luận logic hay suy luận toán học suy ra hệ quả: Dự đoán một hiện tượng trong thực tiễn, một mối quan hệ giữa các đại lượng vật lí.
- Giai đoạn 4: Xây dựng và thực hiện một phương án thí nghiệm để kiểm tra xem hệ quả dự đoán ở trên có phù hợp với kết quả thực nghiệm không. Nếu phù hợp thì giả thuyết trên trở thành chân lý, nếu không phù hợp thì phải xây dựng giả thuyết mới.
- Giai đoạn 5: Ứng dụng kiến thức, HS vận dụng kiến thức để giải thích hay dự đoán một số hiện tượng trong thực tiễn, để nghiên cứu các thiết bị kĩ thuật. Thông qua đó trong một số trường hợp, sẽ đi tới giới hạn áp dụng của kiến thức và xuất hiện mâu thuẫn nhận thức mới cần giải quyết.
3.4.3. Hướng dẫn HS hoạt động trong mỗi giai đoạn của PPTN
Những bài học mà HS có thể tham gia đầy đủ vào cả 5 giai đoạn không nhiều.
Đó là nhiều bài học mà việc xây dựng giả thuyết không đòi hỏi một sự phân tích quá phức tạp và có thể kiểm tra giả thuyết bằng những thí nghiệm đơn giản sử dụng những dụng cụ đo lường mà HS đã quen thuộc.
Trong nhiều trường hợp, HS gặp khó khăn không thể vượt qua được thì có thể sử dụng PPTN ở các mức độ khác nhau, thể hiện ở các mức độ HS tham gia vào các giai đoạn của PPTN.
Giai đoạn 1:
Mức độ 1: HS tự lực phát hiện vấn đề, nêu câu hỏi. GV giới thiệu hiện tượng xảy ra đúng như thường thấy trong tự nhiên để cho HS tự lực phát hiện những tính chất hay những mối quan hệ đáng chú ý cần nghiên cứu. VD: HS quan sát sự rơi của nhiều vật khác nhau: hòn gạch, tờ giấy, cái lá, miếng bấc, hòn bi, cái lông chim.
Sự rơi xảy ra rất khác nhau. Những câu hỏi mà HS đã quen nêu ra là: Nguyên nhân nào khiến cho các vật rơi khác nhau? Sự rơi của các vật có gì giống nhau không?
Mức độ 2: GV tạo ra một hoàn cảnh đặc biệt trong đó xuất hiện một hiện tượng mới lạ, lôi cuốn sự chú ý của HS, gây cho họ sự ngạc nhiên, sự tò mò, từ đó HS nêu ra một vấn đề, một câu hỏi cần giải đáp. VD: dao chém gỗ thì gỗ đứt, cũng dao đó chém vào đá thì dao mẻ, vậy giữa lực của dao tác dụng vào gỗ (hay đá) và lực của gỗ (hay đá) tác dụng vào dao lực nào lớn hơn?
Mức độ 3: GV nhắc lại 1 vấn đề, một hiện tượng đã biết và yêu cầu HS phát hiện xem trong vấn đề hay hiện tượng đã biết, có chỗ nào chưa được hoàn chỉnh, đầy đủ cần nghiên cứu. VD: Sau khi đã học cảm ứng điện từ. Đã biết điều kiện sinh ra dòng điện cảm ứng, GV yêu cầu HS xem muốn biết đầy đủ hơn về dòng cảm ứng còn phải xét thêm vấn đề gì nữa? HS dựa vào hiểu biết đã có về dòng điện, sẽ có thể đề xuất hai câu hỏi mới: độ lớn của dòng điện cảm ứng có thể phụ thuộc những
Giai đoạn 2: Risa Faayman cho rằng: “Các định luật vật lý có nội dung rất đơn giản, nhưng biểu hiện của chúng trong thực tế lại rất phức tạp”. Bởi vậy, từ sự phân tích các hiện tượng thực tế đến việc dự đoán những mối quan hệ đơn giản nêu trong các định luật là cả một nghệ thuật. Cần phải làm cho HS quen dần.
Mức độ 1: Dự đoán định tính: Trong những hiện tượng thực tế phức tạp, dự đoán về nguyên nhân chính, mối quan hệ chính chi phối hiện tượng. Có rất nhiều dự đoán mà ta phải lần lượt tìm ra cách bác bỏ.
Mức độ 2: Dự đoán định lượng: Những quan sát đơn giản khó có thể dẫn tới một dự đoán về mối quan hệ hàm số, định lượng giữa các đại lượng vật lí biểu diễn các đặc tính của sự vật, các mặt của hiện tượng. Nhưng các nhà vật lí nhận thấy rằng:
Những mối quan hệ định lượng đó thường được biểu diễn bằng một số ít hàm số đơn giản như: tỉ lệ thuận, tỉ lệ nghịch, hàm số bậc nhất…
Mức độ 3: Những dự đoán đòi hỏi một sự quan sát chính xác, tỉ mỉ, một sự tổng hợp nhiều sự kiện thực nghiệm, không có điều kiện thực hiện ở trên lớp, tóm lại là vượt quá khả năng của HS. Ở đây GV dùng phương pháp kể chuyện lịch sử để giới thiệu các giả thuyết mà các nhà bác học đã đưa ra.
Giai đoạn 3: Việc suy ra hệ quả được thực hiện bằng suy luận logic hay suy luận toán học. Thông thường, ở trường phổ thông các phép suy luận này không quá khó vì biểu hiện trong thực tế của các kiến thức vật lí rất phức tạp, cho nên điều kiện khó khăn là hệ quả suy ra phải đơn giản, có thể quan sát, đo lường được trong thực tế.
Mức độ 1: Hệ quả có thể quan sát, đo lường trực tiếp.
Mức độ 2: Hệ quả không quan sát được trực tiếp bằng các dụng cụ đo mà phải tính toán gián tiếp qua việc đo các đại lượng khác.
Mức độ 3: Hệ quả suy ra trong điều kiện lý tưởng. Có nhiều trường hợp, hiện tượng thực tế bị chi phối bởi rất nhiều yếu tố tác động không thể loại trừ được, nhưng ta chỉ xét quan hệ giữa một số rất ít yếu tố. Như vậy, hệ quả suy ra từ giả thuyết chỉ là gần đúng.
Giai đoạn 4: Việc bố trí thí nghiệm kiểm tra thực chất là tạo ra những điều kiện đúng như những điều kiện đã nêu trong việc suy ra hệ quả.
Mức độ 1: TN đơn giản, HS đã biết cách thực hiện các phép đo, sử dụng các dụng cụ đo.
Mức độ 2: HS đã biết nguyên tắc đo các đại lượng nhưng việc bố trí thí nghiệm cho sát với các điều kiện lý tưởng có khó khăn. GV phải giúp đỡ bằng cách giới thiệu phương án làm để HS thực hiện.
Mức độ 3: Có nhiều trường hợp thí nghiệm kiểm tra là những thí nghiệm kinh điển rất tinh tế, không thể thực hiện ở trường phổ thông. Trong trường hợp này, GV mô tả cách bố trí thí nghiệm rồi thông báo kết quả các phép đo để HS gia công các số liệu, rút ra kết luận hoặc GV thông báo cả kết luận. VD như: TN kiểm tra định luật vạn vật hấp dẫn trên cân xoắn, TN kiểm tra công thức của lực tương tác giữa hai điện tích.
Giai đoạn 5: Những ứng dụng của các định luật thường có 3 dạng. Giải thích hiện tượng, dự đoán hiện tượng và chế tạo thiết bị đáp ứng một yêu cầu của đời sống, sản xuất.
Mức độ 1: Ứng dụng trong đó HS chỉ cần vận dụng định luật vật lí để làm sáng tỏ nguyên nhân của hiện tượng hoặc tính toán trong điều kiện lý tưởng. Vật chỉ bị chi phối bởi vài định luật đang nghiên cứu. Đó có thể là những bài tập do GV nghĩ ra (VD: Tính cường độ dòng điện qua các điện trở của một mạch điện mắc theo một sơ đồ nào đó), chứ không có ý nghĩa trong đời sống hay sản xuất hàng ngày.
Mức độ 2: Xét một ứng dụng kỹ thuật đã được đơn giản hóa để có thể chỉ cần áp dụng một vài định luật vật lí. VD: tính lực phát động của đầu máy ô tô để xe có khối lượng m có thể chuyển động nhanh dần đều với gia tốc a trên đường nằm ngang có hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường là k.
Mức độ 3: Xét một ứng dụng kỹ thuật trong đó không chỉ áp dụng các định luật vật lí mà còn phải có những giải pháp đặc biệt để làm cho các hiện tượng vật lí có hiệu quả cao, sao cho thiết bị được sử dụng thuận tiện trong đời sống và sản xuất.
Trong loại ứng dụng này, HS không phải vận dụng những định luật vật lí vừa được thiết lập mà còn phải vận dụng tổng hợp những hiểu biết, những kinh nghiệm về nhiều lĩnh vực khác của vật lí. VD: Ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để có thể chế tạo ra một máy phát điện sản xuất ra dòng điện có cường độ đủ mạnh dùng
cảm ứng, còn cần biết cách bố trí sao cho khung dây quay trong từ trường, dùng các cổ góp để lấy dòng điện ra ngoài mà không làm cho dây bị xoắn đứt, dùng lõi sắt để tăng thêm độ từ thẩm dùng các lá sắt ghép cách điện làm lõi sắt để tránh dòng điện fu-co… trong các bài học vật lí, không nên đi sâu vào các chi tiết kỹ thuật mà chỉ yêu cầu HS suy nghĩ về những vấn đề có tính nguyên tắc còn GV thông báo cho HS một số chi tiết kỹ thuật để họ có thể nhận dạng được những thiết bị kỹ thuật trong đời sống thực.
3.4.4. Phối hợp PPTN và các phương pháp nhận thức khác trong dạy học vật lý Dạy học các kiến thức vật lí bằng PPTN là một hướng ưu tiên ở trường phổ thông. Để thực hiện mỗi giai đoạn của PPTN, đòi hỏi phải có suy nghĩ sáng tạo và có kỹ năng, kỹ xảo về nhiều mặt. Bởi vậy, người GV phải tùy theo nội dung của mỗi kiến thức, tùy theo trình độ của HS, tùy theo điều kiện trang bị ở trường phổ thông mà vận dụng linh hoạt các mức độ sử dụng phương pháp này. Cũng cần cân nhắc cả vấn đề thời gian dành cho mỗi bài học. Trong mỗi bài học cụ thể, GV phải tính toán đến khả năng HS có thể thực hiện giai đoạn đó, ở mức độ nào là có thể thành công nhất và tập trung khai thác rèn luyện khả năng cho họ ở mặt đó.
Trong khi áp dụng PPTN, thường phối hợp với các phương pháp nhận thức khác như phương pháp phân tích- tổng hợp, phương pháp quy nạp- diễn dịch. Chẳng hạn ngay trong khi xây dựng giả thuyết đã dùng phương pháp phân tích –tổng hợp, khi xử lý các kết quả thí nghiệm phải dùng phương pháp quy nạp- diễn dịch…