Chương 1. CƠ SỞ LÍ LUẬN VỀ VIỆC TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG NGOẠI KHểA CÁC ỨNG DỤNG KĨ THUẬT CỦA VẬT LÍ
1.3. Các ứng dụng kĩ thuật của Vật lí
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 thông có thể diễn ra theo hai con đường sau đây [30]:
- Con đường thứ nhất: Trên cơ sở đã có sẵn những máy móc, 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 đó.
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 toán
“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 dòng 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 dòng chữ trên trang sách qua kính lúp thì thấy ảnh của các chữ trên trang sách dưới góc trông 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.
Khó 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 nó, HS phải phát hiện ra được các mối quan hệ có bản chất vật lí, những mối quan hệ có tính quy luật đã biết, tồn tại trong đối tượng cụ thể đang nghiên cứu. Quá trình này đòi 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 công thì việc đưa ra mô hình vật chất chức năng thay thế cho đối tượng nghiên cứu có ý nghĩa hết sức quan trọng. Trong dạy học các ứng dụng kĩ thuật, người ta thường sử dụng mô hình hình vẽ hay mô hình vật chất – chức
năng hoặc sử dụng cả hai loại mô hình. Việc sử dụng mô hình vật chất – chức năng mang tính trực quan hơn. Việc cho mô hình vận hành không những tạo điều kiện cho HS dễ dàng phát hiện ra quy luật VL tiềm ẩn trong nó mà còn 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, nhỡn bề ngoài khụng thể thấy rừ đõu 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 có mặt của cỏc cuộn dõy và lừi sắt.
Khi giải thích nguyên tắc hoạt động của máy biến áp thì quan hệ có tính nhân quả là: Dũng đện trong cuộn sơ cấp làm cho lừi sắt bị nhiễm từ; vỡ dũng điện từ húa lừi sắt là dũng điện xoay chiều nờn từ trường trong lừi sắt là từ trường biến đổi. Cũn quan hệ có tính quy luật là: Từ trường biến đổi xuyên qua cuộn thứ cấp sẽ tạo ra trong cuộn này một dòng 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 góc trông 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 có 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 nó.
* Bước 2: Nghiên cứu cấu tạo của thiết bị gốc đưa ra mô hình của nó (mô hình vật chất – chức năng, mô hình hình vẽ hoặc cả hai loại mô hình đó).
* Bước 3: Sử dụng mô hình để giải thích nguyên tắc hoạt động của thiết bị trên cơ sở vận dụng các mối quan hệ có tính nhân quả hay có tính quy luật vật lí đã
biết. Nếu ở bước 2 đã đưa ra mô hình vật chất – chức năng thì ở bước 3 này cần vận dụng mô 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 có chức năng nào đó dựa trên các mối quan hệ có tính quy luật về VL đã biết (khái niệm, định luật, nguyên lý….vật lí) cần phải được ôn tập kĩ lưỡng.
Đó là cơ sở để đề xuất phương phương án thiết kế máy móc, thiết bị kĩ thuật. Sau đó, GV cần đặt ra nhiệm vụ nhận thức cho HS: thiết kế chế tạo một thiết bị kĩ thuật có chức năng nào đó, 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 đòi hỏi HS có 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 có 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. Còn việc đưa dòng điện cảm ứng ra ngoài 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 góc trông thì trước hết, phải tạo được một ảnh thật của vật ở vị trí gần nhờ dụng cụ quang thứ nhất.
Sau đó, nhìn ảnh này qua dụng cụ quang thứ hai để thấy ảnh cuối cùng dưới một góc trông lớn hơn.” Từ nguyên tắc cấu tạo trên, HS có thể xác định được dụng cụ quang nào đóng vai trò là dụng cụ quang thứ nhất, dụng cụ quang nào đóng vai trò 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 đó thì việc đưa ra mô hình vật chất – chức năng tương ứng và cho nó vận hành (xem nó có đạt được đúng chức năng như dự kiến hay không) là giai đoạn hết sức quan trọng trong quá trình nhận thức.
Để HS có được sự hiểu biết đầy đủ về thiết bị UDKT, việc làm tiếp theo của GV là trình bày bổ sung vào mô 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 nó hoặc quan sát mô hình có thêm chi tiết kĩ thuật.
Các phân tích ở trên cho thấy: dạy học các UDKT theo con đường thứ hai có thể tiến hành theo các bước sau [26]:
* Bước 1: Ôn tập các khái niệm, định luật …vật lí (trong trường hợp cần thiết thì ôn tập cả các trường hợp riêng của chúng) có liên quan đến nguyên tắc hoạt động của các thiết bị UDKT dựa trên khái niệm, định luật vật lí đó.
* Bước 2: Đưa ra nhiệm vụ thiết kế một thiết bị UDKT có chức năng nào đó.
* Bước 3: Hướng dẫn HS vận dụng các mối quan hệ có tính quy luật, có tính hệ quả về vật lí đã biết để đề xuất các phương án thiết kế thiết bị đó. 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 mô hình vật chất – chức năng tương ứng với phương án thiết kế đã lựa chọn và cho mô hình vận hành để kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế này.
* Bước 5: Bổ sung, hoàn thiện mô hình về phương diện kĩ thuật, phù hợp với thực tiễn và đưa ra vật thật hoặc mô hình có thêm chi tiết kĩ thuật để HS hiểu biết đầy đủ về UDKT là tóm 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 không quá phức tạp, phù hợp với năng lực HS thì có thể theo con đường này. Tất nhiên, trong quá trình giải quyết nhiệm vụ nhận thức HS có thể gặp khó khăn, khi đó GV sẽ hướng dẫn, giúp đỡ. Việc dạy học theo con đường này còn tùy thuộc vào nội dung kiến thức về UDKT ở các bậc học, tình hình trang thiết bị ở các trường phổ thông và trình độ nhận thức của HS.
Trong nhiều trường hợp, nhiệm vụ thiết kế quá phức tạp, vượt quá trình độ của HS hoặc vượt quá yêu cầu nội dung kiến thức ở bậc học thì nên theo con đường thứ
nhất. Nhưng khi dạy các UDKT theo con đường này, GV cũng cần tránh sự thông báo, áp đặt mà cần hướng dẫn HS tự lực thực hiện các công việc mà HS có thể làm được.
1.4. Thiết kế, chế tạo và sử dụng các dụng cụ thí nghiệm đơn giản (DCTNĐG) về