IX. Cấu trúc luận văn
1.2.3.1. Mô phỏng nhằm trực quan hóa đối tƣợng nghiên cứu
1.2.3.1.1. Đặc điểm các hiện tƣợng, quá trình vật lý cần mô phỏng.
Không phải quá trình vật lý nào xảy ra trong tự nhiên cũng dễ dàng quan sát. Đối với một số hiện tƣợng nhƣ: chuyển động của chiếc thuyền, đoàn tàu thì việc quan sát để xác định vị trí của chúng ứng với từng thời điểm hay quãng đƣờng đi ứng với từng khoảng thời gian trôi qua là không khó khăn. Nhƣng cũng có những quá trình trong tự nhiên không thể quan sát bằng mắt thƣờng để xác định các đại lƣợng cần thiết đƣợc vì quá trình đó diễn ra quá nhanh hay quá chậm hoặc quá nguy hiểm cho ngƣời quan sát. Điều đó gây khó khăn trong việc nghiên cứu tìm ra quy luật của chúng. Các quá trình có thể kể đến nhƣ: chuyển động rơi tự do, chuyển động ném ngang của một vật, quá trình phân rã hạt nhân, sự phóng xạ…Một trong các giải pháp có thể hỗ trợ cho việc nghiên cứu các quá trình đó hiệu quả hơn là sử dụng máy vi tính có cài đặt các phần mềm mô phỏng.
1.2.3.1.2. Khả năng minh họa, mô phỏng các hiện tƣợng, quá trình vật lý bằng máy vi tính có phần mềm mô phỏng. bằng máy vi tính có phần mềm mô phỏng.
Với các chức năng ƣu việt của nó, máy vi tính có cài đặt sẵn phần mềm mô phỏng có khả năng mô phỏng trực quan và chính xác bằng các mô hình ký hiệu các hiện tƣợng hay quá trình vật lý trong tự nhiên. Tuy nhiên khả năng mô phỏng phụ thuộc vào hai yếu tố:
- Trƣớc hết là phụ thuộc mức độ nhận thức của ngƣời nghiên cứu về quy luật phản ánh hiện tƣợng, quá trình vật lý. Các quy luật này đƣợc mô tả bằng các phƣơng trình, hệ phƣơng trình toán lý.
- Sau đó là phụ thuộc vào khả năng của ngƣời lập trình, sử dụng ngôn
ngữ máy tính để phản ánh lại các quy luật đó chính xác đến chừng nào.
Điều quan trọng trong việc sử dụng phần mềm mô phỏng cài đặt trên máy tính để mô phỏng các hiện tƣợng, các quá trình vật lý là các nhà lý luận dạy học, các giáo viên phải có đƣợc ý tƣởng rõ rệt của việc sử dụng phần mềm mô phỏng để giải quyết vấn đề gì, mà nếu thiếu nó thì sẽ không thể có hiệu quả cao hay gặp nhiều khó khăn trong dạy học vật lý.
1.2.3.1.3. So sánh việc mô phỏng, minh họa các hiện tƣợng, quá trình vật lý bằng phần mềm mô phỏng và bằng máy chiếu phim dƣơng bản, phim hoạt bằng phần mềm mô phỏng và bằng máy chiếu phim dƣơng bản, phim hoạt hình.
Để minh họa các hiện tƣợng, quá trình vật lý khó quan sát, ngƣời ta có thể sử dụng phƣơng pháp chiếu phim dƣơng bản, phim hoạt hình. Phim dƣơng bản hay phim hoạt hình cũng nhƣ phần mềm mô phỏng, chúng đều có thể “co” hay “giãn” các quá trình, các hiện tƣợng vật lý nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu các quá trình đó. Tuy nhiên, trong phim hoạt hình, mức độ co hay giãn nhƣ thế nào đã đƣợc hãng sản xuất phim chế tạo định trƣớc. Giáo viên hay học sinh khi dùng phim đó trong tình huống dạy học cụ thể của mình thì không thể thay đổi đƣợc. Song ở phần mềm mô phỏng thì điều đó lại hoàn toàn có thể làm đƣợc. Các phần mềm mô phỏng đƣợc cài đặt sẵn trong máy, do đó ta có thể dễ dàng thay đổi mức độ co giãn của các quá trình, thay đổi các thông số sao cho việc nghiên cứu trở lên dễ dàng nhất.
Mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm mô phỏng còn có những ƣu điểm khác nữa. Khi mô phỏng các hiện tƣợng, quá trình bằng phần mềm mô
phỏng, giáo viên và học sinh có thể dừng lại tại một thời điểm bất kỳ để nghiên cứu, xác định các đại lƣợng tức thời…Về mặt trang thiết bị, việc mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng chỉ cần có một máy vi tính – thiết bị đang rất phổ biến ở các trƣờng phổ thông. Ngoài ra ta cần có đĩa mềm (disk) hoặc đĩa CD, DVD hay thẻ nhớ, ổ cứng, USB… để lƣu trữ các phần mềm cũng nhƣ các file dữ liệu. Ngày nay, dung lƣợng các thiết bị lƣu trữ có thể lên tới hàng nghìn GB lên việc lƣu trữ hết sức đơn giản, tiện lợi. Mặt khác với sự phát triển của công nghệ hình ảnh nhƣ 3D, HD, full HD…làm cho hình ảnh mô phỏng trở lên rõ nét và dễ quan sát hơn. Con đối với việc chiếu phim hoạt hình thì công cụ phức tạp hơn, tốn kém, việc lƣu trữ và sử dụng mất nhiều thời gian
1.2.3.2. Mô phỏng nhằm đƣa ra các giả thuyết khoa học theo con đƣờng lý thuyết. lý thuyết.
1.2.3.2.1. Khả năng có thể đi sâu vào các mối quan hệ có tính bản chất của các hiện tƣợng, quá trình vật lý nhờ mô phỏng bằng máy vi tính. của các hiện tƣợng, quá trình vật lý nhờ mô phỏng bằng máy vi tính.
Ngoài khả năng mô phỏng một cách trực quan và chính xác các hiện tƣợng, các quá trình vật lý, thông qua phần mềm mô phỏng, máy vi tính còn có thể tạo điều kiện cho ngƣời nghiên cứu đi sâu vào và tìm ra các mối quan hệ có tính bản chất của các hiện tƣợng, quá trình vật lý. Nhờ các phần mềm (ví dụ nhƣ các chƣơng trình cơ bản: Pascal, C++, Java…và các chƣơng trình ứng dụng do ngƣời nghiên cứu viết ra) đƣợc cài đặt sẵn trong máy tính có thể giúp giáo viên và học sinh thực hiện nhanh chóng, tƣơng đối tốt các tính toán lý thuyết. Thêm vào đó, máy vi tính có khả năng hiển thị các kết quả tính toán, xử lý số liệu dƣới nhiều dạng khác nhau tạo điều kiện cho ngƣời nghiên cứu dễ phát hiện ra mối liên hệ chứa bên trong.
Ta có thể hình dung khả năng này nhƣ sau: để giải quyết một vấn đề nào đó đặt ra trong bài học vật lý, giáo viên và học sinh sử dụng một số tiên
đề hay mô hình vật lý, tiến hành các suy luận, tính toán trên lý thuyết đó. Nhƣng do công cụ toán học còn thiếu nên không thể đạt đƣợc kết quả nghiên cứu cuối cùng – kết quả cần đạt đƣợc. Do vậy, dƣới sự hỗ trợ của máy tính có cài đặt sẵn phần mềm ngƣơi học sẽ tìm ra kết quả. Kết quả này máy tính biểu thị dƣới dạng số, biểu bảng, đồ thị hay các hình ảnh động, mô hình động. Từ đó cho phép ta dự đoán sự tồn tại của các mối quan hệ mới có tính quy luật trong hiện tƣợng, quá trình vật lý đang nghiên cứu.
Nhƣ vậy, việc tìm ra các mối quan hệ mới có tính chất giả thuyết này là trên cơ sở mô hình hóa các đối tƣợng nghiên cứu, sau đó mô phỏng và tính toán các hệ đó về phƣơng diện tính toán lý thuyết. Kết quả này có thể đƣợc chấp nhận hay không phải kiểm tra bằng thực nghiệm. Điều đó cũng giống việc kiểm tra bằng thực nghiệm đối với các kết luận đã suy ra theo con đƣờng lý thuyết. Các kết luận đã đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm sẽ đƣợc dùng để giải thích và tiên đoán các hiện tƣợng liên quan.
1.2.3.2.2. Các bƣớc trong quá trình đƣa ra các dự đoán, giả thuyết về hiện tƣợng, quá trình vật lý mới, tìm ra kiến thức mới (trạng thái, mối hiện tƣợng, quá trình vật lý mới, tìm ra kiến thức mới (trạng thái, mối quan hệ, quy luật mới…) bằng con đƣờng lý thuyết nhờ phần mềm mô phỏng.
Trong quá trình đƣa ra các giả thuyết, dự đoán về hiện tƣợng, quá trình vật lý mới, tìm ra kiến thức vật lý mới bằng con đƣờng lý thuyết nhờ phần mềm mô phỏng, các bƣớc tiến hành tuần tự nhƣ sau:
- Giống nhƣ mọi con đƣờng nhận thức, quá trình nhận thức tìm ra kiến
thức mới bằng con đƣờng lý thuyết ở đây bắt đầu từ “vấn đề”. Để giải quyết vấn đề, cần phải xây dựng những tiên đề, mô hình vật lý (hoặc sử dụng các tiên đề, mô hình vật lý đã có), chúng đƣợc mô tả dƣới dạng biểu thức toán học.
- Sau khi đã có mô hình, nhờ lập trình trên máy tính ta tiến hành các
dƣới dạng trực quan nhất để tạo điều kiện rút ra các kết luận có tính giả thuyết về mối quan hệ mới có tính quy luật của hiện tƣợng hay quá trình nghiên cứu.
- Kiểm tra các kết luận bằng thực nghiệm để xác nhận tính đúng đắn
của chúng.
- Sử dụng các kết luận đã đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm để giải
thích và tiên đoán các hiện tƣợng liên quan.
Mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng còn đƣợc gọi là thí nghiệm trên máy tính vì nó có nhiều điểm chung giống thí nghiệm thật. Điều này đƣợc thể hiện ở bảng sau:
Bảng 1.1: So sánh mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng và thí nghiệm thật.
Thí nghiệm thật Mô phỏng bằng phần mềm mô
phỏng
Đối tƣợng Ngiên cứu vật gốc
(quá trình, hiện tƣợng).
Nghiên cứu trên mô hình (quá trình, hiện tƣợng). Công cụ nghiên cứu Thiết bị thí nghiệm, dụng cụ đo. Máy vi tính, phần mềm mô phỏng cài đặt trên máy vi tính. Các thao tác
nghiên cứu
Thay đổi giá trị các đại lƣợng để đo giá trị các đại lƣợng khác trong thí nghiệm, từ đó thu thập số liệu.
Thay đổi giá trị các biến số để đo giá trị các biến số khác (thuộc mô hình) nhờ phần mềm mô phỏng, từ đó thu thập số liệu. Phân tích xử
lý số liệu
Đƣa ra dự đoán khoa học hay kiểm chứng một giả thuyết
Đƣa ra dự đoán khoa học hay minh họa, mô phỏng một mối quan hệ, quy luật
Nhƣ vậy mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng xuất phát từ các tiên đề hay các mô hình đƣợc viết dƣới dạng toán học hoặc xuất phát từ các mối quan hệ định tính giữa các đại lƣợng, thông qua vận dụng các phần mềm cài đặt ở
máy vi tính để minh họa các hiện tƣợng, quá trình một cách trực quan, dễ quan sát, nghiên cứu hoặc để dự đoán về sự tồn tại một trạng thái, mối quan hệ có tính quy luật mới trong hiện tƣợng, quá trình nghiên cứu bằng cách cho các biến số, các đại lƣợng trong các phƣơng trình mô tả hay mô hình thay đổi. Các kết quả rút ra khi nghiên cứu trên các mô hình thông qua các phần mềm mô phỏng là các kết quả rút ra trong điều kiện lý tƣởng. Trong dạy học vật lý, để xây dựng lên các phần mềm mô phỏng, ngƣời ta hay dùng các phần mềm nhƣ Pascal, Visual Basic, C++… Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của internet khiến cho nhiều phần mềm mô phỏng đƣợc viết bằng các ngôn ngữ lập trình hƣớng đối tƣợng nhƣ Plash, Java, dung lƣợng của các phần mềm này khá nhỏ lên ta có thể đƣa lên mạng (upload) chia sẻ cho mọi ngƣời hay tải về máy tính cá nhân.
1.3. Lý luận dạy học [10], [12], [13], [15], [26], [32], [34].
1.3.1. Các phƣơng pháp dạy học vật lý ở trƣờng phổ thông [13]. 1.3.1.1. Các phƣơng pháp dạy học hiểu theo nghĩa rộng. 1.3.1.1. Các phƣơng pháp dạy học hiểu theo nghĩa rộng.
Theo lý luận dạy học, quá trình dạy học đƣợc xem nhƣ là một quá trình kết hợp biện chứng giữa hoạt động dạy của giáo viên với hoạt động học của
học sinh. Do đó, bất cứ một phƣơng pháp dạy học nào cũng là “một hệ thống
các hoạt động có định hướng của giáo viên nhằm tổ chức hoạt động nhận thức và hoạt động thực hành của học sinh, đảm bảo cho học sinh nắm vững nội dung trí dục và đạt được các mục tiêu dạy học đã đề ra”. Nói cách khác, các phƣơng pháp dạy học là cách thức tổ chức hoạt động có tổ chức và tác động lẫn nhau giữa giáo viên và học sinh nhằm đạt đƣợc các mục tiêu dạy học đề ra.
Lịch sử phát triển của lí luận dạy học chứng tỏ rằng đã có nhiều ý kiến phân loại phƣơng pháp dạy học theo cách này hay cách khác tùy theo cách chọn dấu hiệu đặc trƣng làm cơ sở để phân loại. Trong những năm gần đây, cùng với việc đề cao nhiệm vụ phát triển khả năng sáng tạo của học sinh khi
dạy các môn học ở trƣờng phổ thông, ngƣời ta đã chú ý đến phân loại phƣơng pháp dạy học dựa vào đặc trƣng hoạt động của giáo viên và học sinh. Ví dụ nhƣ M.N Scatkin và I.Ilecnen (Nga) đã phân ra 5 phƣơng pháp dạy học đó là:
1. Phƣơng pháp thông báo, thu nhận. 2. Phƣơng pháp tái hiện.
3. Phƣơng pháp trình bày nêu vấn đề.
4. Phƣơng pháp tìm kiếm từng phần hay phƣơng pháp Ơrixtic. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu.
1.3.1.2. Trong thực tiễn dạy học vật lý ở trƣờng phổ thông hiện nay.
Trong thực tiễn dạy học vật lý ở trƣờng phổ thông hiện nay đã hình thành nhiều phƣơng pháp dạy học vật lý khác nhau. Trong đa số các trƣờng hợp, các phƣơng pháp này có thể đƣợc tóm lại theo 3 dấu hiệu chung nhất:
1. Nguồn kiến thức
2. Đặc trƣng hoạt động của giáo viên 3. Đặc trƣng hoạt động của học sinh
Ba dấu hiệu này xuất phát từ việc xem dạy học nhƣ là hai mặt của một quá trình thống nhất. Trong đó nguồn kiến thức đƣợc xem nhƣ gắn liền với hoạt động của học sinh và giáo viên. Phân loại theo nguồn kiến thức và sự thống nhất hoạt động của giáo viên và học sinh là đơn giản và thuận tiện trong thực tế vì nó cho phép lựa chọn các phƣơng pháp tùy theo đặc điểm nội dung của tài liệu học tập và các nhiệm vụ dạy học vật lý.
Theo cách phân loại trên, các phƣơng pháp dạy học vật lý có thể đƣợc chia thành ba nhóm: nhóm phƣơng pháp dùng lời, nhóm phƣơng pháp trực quan, nhóm phƣơng pháp thực hành.
Trong nhóm phƣơng pháp dùng lời, ngƣời giáo viên hình thành kiến thức cho học sinh dùng phƣơng tiện chính là lời nói, đôi lúc có thể dùng thí nghiệm hoặc các phƣơng tiện trực quan để minh họa, đàm thoại…và cũng có
thể diễn giảng thông qua các phƣơng tiện thông tin đại chúng nhƣ các nhóm phƣơng tiện truyền thanh, truyền hình, video… Hoạt động của học sinh trong nhóm này chủ yếu biểu hiện ở việc lắng nghe, tƣ duy và tham gia vào các hoạt động dƣới sự tổ chức của giáo viên.
Trong nhóm phƣơng pháp trực quan, việc biểu diễn các hiện tƣợng, đối tƣợng cần nghiên cứu đóng vai trò cơ bản, giáo viên dùng lời nói trong trƣờng hợp này để tổ chức hoạt động quan sát và tƣ duy logic của học sinh, làm chính xác hóa các tri giác của học sinh. Việc sử dụng các thí nghiệm biểu diễn, các phần mềm mô phỏng, các file video…thực chất là ngƣời giáo viên đã sử dụng phƣơng pháp trực quan.
Trong nhóm phƣơng pháp thực hành, học sinh thực hiện các thí nghiệm thực hành, các thí nghiệm quan sát và quan sát ngoài lớp học, giải bài toán vật lý. Hoạt động của giáo viên tập trung vào tổ chức hoạt động của học sinh, giúp học sinh thảo luận, rút ra kết luận.
1.3.2. Các phƣơng pháp dạy học tích cực [12], [13], [32].
Thực hiện dạy học tích cực không có nghĩa là gạt bỏ các PPDH truyền thống. Trong hệ thống các PPDH quen thuộc từ trƣớc tới nay đã có nhiều phƣơng pháp dạy học tích cực. Lý luận dạy học đã chỉ rõ, về mặt hoạt động nhận thức thì phƣơng pháp thực hành “tích cực” hơn phƣơng pháp trực quan, phƣơng pháp trực quan “sinh động” hơn phƣơng pháp thuyết trình. Nhƣ vậy muốn dạy và học tích cực thì cần phát triển phƣơng pháp thực hành, phƣơng pháp trực quan theo kiểu tìm tòi từng phần hoặc nghiên cứu phát hiện, nhất là đối với bộ môn Vật lí.
Đổi mới PPDH cần kế thừa, phát huy những mặt tích cực của hệ thống các PPDH đã quen thuộc, đồng thời học hỏi, vận dụng một số PPDH mới, phù hợp với hoàn cảnh, điều kiện dạy học ở từng khu vực, từng trƣờng.
Môi trƣờng học tập mới khuyến khích hình thành thói quen tự học và tự đánh giá của HS, thói quen học cả đời. Hƣớng thay đổi từ “Thày giáo chỉ đạo