9. Cấu trúc của luận văn
1.3. Các ứng dụng kĩ thuật của Vật lí
Ứng dụng kĩ thuật của vật lí được hiểu là các đối tượng, thiết bị máy mĩc (hoặc hệ thống các đối tượng, thiết bị máy mĩc) được chế tạo và sử dụng với mục đích nào đĩ trong kĩ thuật, đời sống mà nguyên tắc hoạt động của chúng dựa trên các khái niệm, định luật, hiệu ứng, nguyên lí của Vật lí đĩ [19], [26]
Với quan niệm về ứng dụng kĩ thuật như vậy thì trong chương trình Vật lí phổng thơng cĩ nhiều ứng dụng kĩ thuật được nghiên cứu.
Ví dụ như:
- Các máy phát điện (Máy phát điện xoay chiều một pha, ba pha) mà nguyên tắc hoạt động của chúng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.
- Các động cơ điện (động cơ khơng đồng bộ ba pha, một pha) mà nguyên tắc hoạt động của chúng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.
- Chuyển động của máy bay, của tên lửa là sự ứng dụng của định luật bảo tồn động lượng.
- Máy ảnh, kính hiển vi, kính lúp, kính thiên văn là sự ứng dụng quy luật đường đi của các tia sáng qua thấu kính, lăng kính…
1.3.2. Vai trị của việc nghiên cứu các UDKT trong dạy học Vật lí.
Nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật của vật lí được thực hiện trên cơ sở các kiến thức khoa học cơ bản, cho HS làm quen với những nguyên lí chủ yếu của những nghành sản xuất chính, đồng thời tạo cho HS những kĩ năng kĩ xảo cần thiết trong lao động sản xuất, trong việc sử dụng những cơng cụ đơn giản của nền sản xuất hiện đại. Điều cần chú ý ở đây là việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật phải được tiến hành trên cả hai mặt lý thuyết và thực nghiệm. Do vậy, việc nghiên cứu các ứng dụng kỹ thuật của vật lí là cầu nối giữa lý thuyết và thực tiễn, giữa bài học vật lí và đời sống.
Xét về phương diện lí luận dạy học thì việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật là giai đoạn củng cố kiến thức (khái niệm, định luật, hiệu ứng, nguyên lý…) vật lí thơng qua việc vận dụng nĩ trong trường hợp cụ thể. Qua đĩ sự hiểu biết về nội dung kiến thức (khái niệm, định luật, hiệu ứng, nguyên lý…) vật lí sẽ sâu sắc và mềm dẻo hơn. Đồng thời việc nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật sẽ tạo điều kiện xác định tính thống nhất giữa cái trìu tượng (khái niệm, định luật, hiệu ứng, nguyên lý…vật lí) với cái cụ thể ( các thiết bị, máy mĩc…)
Trong quá trình nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật, HS làm quen dần việc vận dụng các kiến thức vật lí (định luật, nguyên lí…) vào giải thích các hoạt động của một ứng dụng kĩ thuật hay tham gia vào quá trình thiết kế chế tạo một thiết bị kĩ thuật. Ban đầu HS cĩ thể được lơi cuốn vào hoạt động tự lực chuẩn bị (ban đầu chỉ là sự lắp ráp) các dụng cụ mang tính chất thiết kế đơn giản dưới dạng hình vẽ, sơ đồ, bản vẽ kèm theo những lời chú thích tương ứng. Ở mức độ cao hơn, HS cĩ thể thảo luận về mặt lí thuyết một số vấn đề cụ thể của ứng dụng kĩ thuật vật lí. Quá trình này sẽ tạo điều kiện phát huy ĩc sáng tạo kĩ thuật, phát triển tư duy sáng tạo của HS.
Các ứng dụng kĩ thuật của vật lí là sự minh chứng cho vai trị ngày càng tăng của việc ứng dụng vật lí vào nền cơng nghiệp sản xuất hiện đại, phát triển cao. Nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật giúp HS thấy được ý nghĩa to lớn của việc phát minh ra các định luật, nguyên lí, hiệu ứng… vật lí cũng như việc ứng dụng chúng vào
trong kĩ thuật và đời sống. Qua đĩ, kích thích được hứng thú học tập của HS đối với mơn vật lí.[19]
1.3.3. Bản chất của việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật của Vật lí trong dạy học.
Việc nghiên cứu những ứng dụng kĩ thuật của vật lí địi hỏi phải quan tâm đặc biệt tới việc làm sáng tỏ các nguyên tắc vật lí trong hoạt động của các thiết bị khác nhau. Biết các nguyên tắc cơ bản về sự hoạt động của một số thiết bị, HS cĩ thể tìm thấy ứng dụng của chúng trong các máy khác, phân tích ưu nhược điểm của các dụng cụ khác nhau. Ở đây, GV nên sử dụng rộng rãi các sơ đồ, đồ án, hình vẽ kĩ thuật, nghĩa là nĩi với HS bằng ngơn ngữ kĩ thuật. Kết quả của việc HS nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật của vật lí phải là sự lĩnh hội vững chắc những khái quát hĩa kĩ thuật.
Cùng với việc nghiên cứu những thiết bị cụ thể, HS cần được vận dụng các kiến thức vật lí vào việc nghiên cứu các lĩnh vực kĩ thuật quan trọng nhất, cĩ vai trị quyết định tới sự phát triển của sản xuất cơng nghiệp, nơng nghiệp. Quá trình này gĩp phần chỉ ra cho HS thấy mối quan hệ gắn bĩ của sự phát triển vật lí và kĩ thuật trong đời sống con người và sự phát triển xã hội.
Tuy nhiên, khơng chỉ vật lí là nền tảng của kĩ thuật mà kĩ thuật cũng thúc đẩy những nghiên cứu khoa học, thực hiện cơng nghiệp hĩa khoa học vật lí tạo ra những phương tiện kĩ thuật mới để nghiên cứu vật lí cĩ hiệu quả hơn.
Việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật của vật lí trong dạy học thực chất là sự “sắp xếp” các kiến thức vật lí trong các mối quan hệ khác nhau, mối quan hệ cĩ tính chất vật lí – kĩ thuật. Thơng qua việc nghiên cứu cấu tạo, hoạt động của các thiết bị kĩ thuật, HS xác định được mối quan hệ cĩ tính quy luật vật lí tồn tại trong hoạt động của thiết bị, giải thích được hoạt động của nĩ trên cơ sở những định luật, nguyên lí vật lí đã biết. [25]
Khi đề cập đến các ứng dụng kĩ thuật của vật lí, các kiến thức vật lí đã được cụ thể hĩa trong điều kiện xác định
1.3.4. Các con đường nghiên cứu UDKT của Vật lí trong dạy học.
Sự phân tích về bản chất của việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật của Vật lí trong dạy học cho phép xác định: Việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật trong dạy học vật lí ở các trường phổ thơng cĩ thể diễn ra theo hai con đường sau đây [30]:
- Con đường thứ nhất: Trên cơ sở đã cĩ sẵn những máy mĩc, thiết bị kĩ thuật, nhiệm vụ của HS là nghiên cứu cấu tạo và giải thích các nguyên tắc hoạt động của các ứng dụng kĩ thuật này bằng cách ứng dụng các định luật, nguyên lý vật lí đã biết.
- Con đường thứ hai: Dựa trên các định luật, nguyên lý vật lí đã biết, nhiệm vụ của HS là đưa ra phương án thiết kế một thiết bị kĩ thuật nhằm giải quyết một yêu cầu kĩ thuật nào đĩ.
1.3.4.1. Dạy học các ứng dụng kĩ thuật theo con đường thứ nhất
Dạy học các ứng dụng kĩ thuật theo con đường thứ nhất thực chất là giải tốn “hộp trắng”: biết đầu vào, biết đầu ra và cấu tạo bên trong của hộp, hãy giải thích tại sao đầu vào thế này, nhờ thiết bị (ứng dụng kĩ thuật) lại cho đầu ra như vậy? Để đưa ra lời giải thích đúng, điều quan trọng trước tiên là HS phải xác định được “điều cần phải giải thích”.
Ví dụ 1: Khi nghiên cứu về máy biến áp, một trong các điều cần giải thích là: Tại sao khi nối 2 đầu dây cuộn sơ cấp với một hiệu điện thế xoay chiều thì ta thu được ở 2 đầu dây cuộn thứ cấp một hiệu điện thế xoay chiều khi mạch hở hoặc dịng điện xoay chiều nếu mạch kín?
Ví dụ 2: Khi nghiên cứu Kính lúp (chương trình vật lí 11), một trong các điều cần giải thích là: Tại sao khi nhìn dịng chữ trên trang sách qua kính lúp thì thấy ảnh của các chữ trên trang sách dưới gĩc trơng lớn hơn?
Được định hướng từ điều cần giải thích này, HS tìm con đường giải thích theo phương pháp tư duy diễn dịch trên cơ sở đối chiếu các định, nguyên lý vật lí đã biết trong những điều kiện cụ thể được quy định bởi cấu tạo của thiết bị kĩ thuật.
Khĩ khăn nhất đối với HS ở đây là: Từ cấu tạo, thực chất rất phức tạp của ứng dụng kĩ thuật và từ nghiên cứu vận hành của nĩ, HS phải phát hiện ra được các mối quan hệ cĩ bản chất vật lí, những mối quan hệ cĩ tính quy luật đã biết, tồn tại trong đối tượng cụ thể đang nghiên cứu. Quá trình này địi hỏi HS phải tiến hành các thao tác tư duy phân tích, tổng hợp đặc biệt là tư duy diễn dịch. Để tạo điều kiện cho HS thực hiện quá trình này thành cơng thì việc đưa ra mơ hình vật chất chức năng thay thế cho đối tượng nghiên cứu cĩ ý nghĩa hết sức quan trọng. Trong dạy học các ứng dụng kĩ thuật, người ta thường sử dụng mơ hình hình vẽ hay mơ hình vật chất – chức
năng hoặc sử dụng cả hai loại mơ hình. Việc sử dụng mơ hình vật chất – chức năng mang tính trực quan hơn. Việc cho mơ hình vận hành khơng những tạo điều kiện cho HS dễ dàng phát hiện ra quy luật VL tiềm ẩn trong nĩ mà cịn minh họa được quá trình hoạt động thực của thiết bị.
Con đường giải thích nguyên tắc hoạt động của UDKT thường bao gồm chuỗi các quan hệ VL theo logic nhân quả cũng như chuỗi các quan hệ VL theo tính quy luật (được phát biểu dưới dạng các định luật, nguyên lý…)
Ví dụ:
- Khi nghiên cứu cấu tạo của máy biến áp, ta thấy: máy biến áp thật rất phức tạp, nhìn bề ngồi khơng thể thấy rõ đâu là bộ phận chủ yếu.
Phân tích tính năng, tác dụng của máy biến áp, ta thấy: đầu vào là hiệu điện thế xoay chiều, đầu ra cũng là hiệu điện thế xoay chiều, vậy ta phải chú ý đến sự cĩ mặt của các cuộn dây và lõi sắt.
Khi giải thích nguyên tắc hoạt động của máy biến áp thì quan hệ cĩ tính nhân quả là: Dịng đện trong cuộn sơ cấp làm cho lõi sắt bị nhiễm từ; vì dịng điện từ hĩa lõi sắt là dịng điện xoay chiều nên từ trường trong lõi sắt là từ trường biến đổi. Cịn quan hệ cĩ tính quy luật là: Từ trường biến đổi xuyên qua cuộn thứ cấp sẽ tạo ra trong cuộn này một dịng điện cảm ứng xoay chiều (nếu mạch kín) hoặc một hiệu điện thế xoay chiều (nếu mạch hở).
- Khi nghiên cứu cấu tạo của kính thiên văn ta thấy kính thiên văn thật rất phức tạp.
Phân tích tác dụng của kính thiên văn, ta thấy: Khi quan sát các thiên thể ở xa Trái Đất, qua kính sẽ tăng gĩc trơng lên rất nhiều lần, vậy ta phải nghĩ đến các linh kiện quang học đã học.
Những phân tích trên cho thấy việc dạy học các UDKT theo con đường thứ nhất cĩ thể tiến hành theo các bước cơ bản sau [26]:
* Bước 1: Cho HS quan sát các thiết bị gốc. Trình bày mục đích sử dụng của nĩ.
* Bước 2: Nghiên cứu cấu tạo của thiết bị gốc đưa ra mơ hình của nĩ (mơ hình vật chất – chức năng, mơ hình hình vẽ hoặc cả hai loại mơ hình đĩ).
* Bước 3: Sử dụng mơ hình để giải thích nguyên tắc hoạt động của thiết bị trên cơ sở vận dụng các mối quan hệ cĩ tính nhân quả hay cĩ tính quy luật vật lí đã
biết. Nếu ở bước 2 đã đưa ra mơ hình vật chất – chức năng thì ở bước 3 này cần vận dụng mơ hình để minh họa nguyên lý hoạt động của UDKT.
1.3.4.2. Dạy học các ứng dụng kĩ thuật theo con đường thứ hai
Nghiên cứu UDKT theo con đường thứ hai thực chất là làm nhiệm vụ thiết kế một thiết bị kĩ thuật cĩ chức năng nào đĩ dựa trên các mối quan hệ cĩ tính quy luật về VL đã biết (khái niệm, định luật, nguyên lý….vật lí) cần phải được ơn tập kĩ lưỡng. Đĩ là cơ sở để đề xuất phương phương án thiết kế máy mĩc, thiết bị kĩ thuật. Sau đĩ, GV cần đặt ra nhiệm vụ nhận thức cho HS: thiết kế chế tạo một thiết bị kĩ thuật cĩ chức năng nào đĩ, đưa thiết bị vào sử dụng trong đời sống và sản xuất được, phải bổ sung thêm những chi tiết kĩ thuật mới khi cần thiết.
Việc đề xuất phương án thiết kế một thiết bị kĩ thuật xuất phát từ những định luật, nguyên lý VL khái quát địi hỏi HS cĩ trình độ tư duy diễn dịch, tư duy vật lí kĩ thuật. Ở đây, GV cần chú ý rằng: những trường hợp riêng của quy luật, nguyên lý VL đã biết cĩ ý nghĩa định hướng tốt nhất đối với HS trong việc đề ra phương án thiết kế các thiết bị kĩ thuật.
Ví dụ:
- Khi dây dẫn (hoặc khung dây) chuyển động cắt qua các đường cảm ứng từ (trường hợp riêng của định luật cảm ứng điện từ) sẽ tạo nên trong dây dẫn (hoặc khung dây dẫn) một suất điện động cảm ứng. Trường hợp riêng này là cơ sở định hướng tốt nhất cho HS thiết kế máy phát điện. Cịn việc đưa dịng điện cảm ứng ra ngồi để sử dụng thì phải sáng tạo ra các bộ phận mới, gọi là các chi tiết kĩ thuật.
- Khi dạy về kính thiên văn, từ nguyên tắc cấu tạo: “Muốn tăng gĩc trơng thì trước hết, phải tạo được một ảnh thật của vật ở vị trí gần nhờ dụng cụ quang thứ nhất. Sau đĩ, nhìn ảnh này qua dụng cụ quang thứ hai để thấy ảnh cuối cùng dưới một gĩc trơng lớn hơn.” Từ nguyên tắc cấu tạo trên, HS cĩ thể xác định được dụng cụ quang nào đĩng vai trị là dụng cụ quang thứ nhất, dụng cụ quang nào đĩng vai trị là dụng cụ quang thứ hai.
Trong quá trình HS đề xuất các phương án thiết kế UDKT, sự thảo luật giữa HS với nhau, dưới sự giúp đỡ, hướng dẫn của GV sẽ chọn được các ý tưởng cơ bản để chế tạo các thiết bị mong muốn.
Để kiểm tra tính đúng đắn của các ý tưởng đĩ thì việc đưa ra mơ hình vật chất – chức năng tương ứng và cho nĩ vận hành (xem nĩ cĩ đạt được đúng chức năng như dự kiến hay khơng) là giai đoạn hết sức quan trọng trong quá trình nhận thức.
Để HS cĩ được sự hiểu biết đầy đủ về thiết bị UDKT, việc làm tiếp theo của GV là trình bày bổ sung vào mơ hình các chi tiết về mặt kĩ thuật của thiết bị được sử dụng trong thực tiễn và cho HS quan sát vật thật với tất cả các chi tiết phức tạp của nĩ hoặc quan sát mơ hình cĩ thêm chi tiết kĩ thuật.
Các phân tích ở trên cho thấy: dạy học các UDKT theo con đường thứ hai cĩ thể tiến hành theo các bước sau [26]:
* Bước 1: Ơn tập các khái niệm, định luật …vật lí (trong trường hợp cần thiết thì ơn tập cả các trường hợp riêng của chúng) cĩ liên quan đến nguyên tắc hoạt động của các thiết bị UDKT dựa trên khái niệm, định luật vật lí đĩ.
* Bước 2: Đưa ra nhiệm vụ thiết kế một thiết bị UDKT cĩ chức năng nào đĩ.
* Bước 3: Hướng dẫn HS vận dụng các mối quan hệ cĩ tính quy luật, cĩ tính hệ quả về vật lí đã biết để đề xuất các phương án thiết kế thiết bị đĩ. Tổ chức cho HS thảo luận các phương án thiết kế thiết bị đã đề xuất để chọn phương án khả dĩ nhất.
* Bước 4: Đưa ra mơ hình vật chất – chức năng tương ứng với phương án thiết kế đã lựa chọn và cho mơ hình vận hành để kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế này.
* Bước 5: Bổ sung, hồn thiện mơ hình về phương diện kĩ thuật, phù hợp với thực tiễn và đưa ra vật thật hoặc mơ hình cĩ thêm chi tiết kĩ thuật để HS hiểu biết đầy đủ về UDKT là tĩm tắt lại cấu tạo, chức năng, nguyên tắc hoạt động của UDKT vừa nghiên cứu.
Xét theo quan điểm lí luận dạy học hiện đại trình bày ở trên, việc dạy học theo con đường thứ hai tốt hơn đối với việc phát huy tính sáng tạo của HS. Việc dạy học các UDKT mà nhiệm vụ thiết kế chúng khơng quá phức tạp, phù hợp với năng lực HS thì cĩ thể theo con đường này. Tất nhiên, trong quá trình giải quyết nhiệm vụ nhận thức HS cĩ thể gặp khĩ khăn, khi đĩ GV sẽ hướng dẫn, giúp đỡ. Việc dạy học theo con đường này cịn tùy thuộc vào nội dung kiến thức về UDKT ở các bậc học,