Tài liệu Thiết kế bộ thí nghiệm cơ học dùng cảm biến sonar và sử dụng trong dạy học chương “các định luật bảo toàn” lớp 10 trung học phổ thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Lê Hoàng Anh Linh THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG CẢM BIẾN SONAR VÀ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” LỚP 10 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. PHAN GIA ANH VŨ Thành phố Hồ Chí Minh – 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH Lê Hoàng Anh Linh THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG CẢM BIẾN SONAR VÀ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” LỚP 10 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp dạy học môn Vật lí Mã số: 60.14.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. PHAN GIA ANH VŨ Thành phố Hồ Chí Minh – 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ luận văn nào khác. Người viết cam đoan Lê Hoàng Anh Linh LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này, tác giả đã nhận được sự quan tâm và giúp đỡ rất lớn từ quý Thầy cô, đồng nghiệp và gia đình. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến: Thầy TS. Phan Gia Anh Vũ – người trực tiếp hướng dẫn về mặt chuyên môn, đã rất tận tâm chỉ dạy, truyền đạt kinh nghiệm và giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Thạc sĩ Phan Minh Tiến – người đóng góp ý kiến, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất để tôi hoàn thành luận văn này. Quý Thầy cô phản biện và hội đồng chấm luận văn đã đọc và có những nhận xét cũng như những góp ý quý giá về luận văn. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với gia đình, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013 LÊ HOÀNG ANH LINH MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các chữ viết tắt trong luận văn Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị trong luận văn MỞ ĐẦU ............................................................................................................1 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN .......................................................................5 1.1. Tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học Vật lí ..........................5 1.1.1. Cơ sở tâm lí học của hoạt động nhận thức ..............................................5 1.1.2. Cơ sở khoa học của việc tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh trong dạy học Vật lí ...........................................................................................8 1.2. Những vấn đề lí luận về thí nghiệm Vật lí ..................................................12 1.2.1. Thí nghiệm Vật lí ..................................................................................12 1.2.2. Vai trò của thí nghiệm Vật lí trong dạy học Vật lí ................................13 1.2.3. Quy trình xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lí .........................................................................................................................14 1.2.3.1. Quy trình xây dựng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lí............14 1.2.3.2. Qui trình sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lý ...............17 1.2.4. Sử dụng máy vi tính hỗ trợ TN Vật lí [2] ..............................................21 1.2.5. Thí nghiệm vật lí trong tiến trình dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề .........................................................................................................................24 1.3. Kết luận chương 1 .......................................................................................29 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG CẢM BIẾN SONAR VÀ THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” LỚP 10 THPT ..................31 2.1. Nội dung kiến thức phần cơ học trong chương trình Vật lí THPT .............31 2.2. Thực trạng của việc sử dụng thí nghiệm và thực trạng dạy học phần Cơ học ở trường THPT ...................................................................................................32 2.2.1. Thuận lợi................................................................................................32 2.2.2. Khó khăn ...............................................................................................33 2.2.3. Ưu điểm của bộ thí nghiệm Cơ học dùng cảm biến SONAR ...............35 2.3. Xây dựng bộ thí nghiệm Cơ học dùng cảm biến SONAR ..........................36 2.3.1. Giới thiệu về cảm biến Go! Motion của Vernier...................................37 2.3.2. Xây dựng các thí nghiệm cơ học dùng cảm biến SONAR với xe động lực ....................................................................................................................41 2.3.3. Xây dựng các thí nghiệm cơ học dùng cảm biến SONAR với bộ thí nghiệm đệm không khí ....................................................................................54 2.3.4. Xây dựng thí nghiệm sự rơi tự do dùng cảm biến SONAR ..................64 2.3.5. Xây dựng các thí nghiệm về dao động của con lắc lò xo và con lắc đơn dùng cảm biến SONAR ...................................................................................65 2.4. Thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức thuộc chương “Các định luật bảo toàn” – Vật lí 10 THPT ...............................................................................77 2.4.1. Phân tích cấu trúc và nội dung kiến thức của chương “Các định luật bảo toàn”. ...............................................................................................................77 2.4.2.Tiến trình dạy học bài “Động lượng. Định luật bảo toàn động lượng”..81 2.4.3. Tiến trình dạy học bài “Cơ năng”..........................................................86 2.5. Kết luận chương 2 .......................................................................................92 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM .................................................94 3.1. Mục đích, đối tượng, phương pháp và nội dung thực nghiệm ....................94 3.1.1. Mục đích thực nghiệm ...........................................................................94 3.1.2. Đối tượng thực nghiệm sư phạm ...........................................................94 3.1.3. Phương pháp thực nghiệm .....................................................................95 3.1.4. Nội dung thực nghiệm ...........................................................................95 3.2. Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm ..................................95 3.2.1. Đánh giá tính khả thi của tiến trình dạy học đã thiết kế được ...............96 3.2.2. Phân tích định lượng kết quả kiểm tra.................................................104 3.2.2.1.Tính toán các số liệu cần thiết [12] ...................................................104 3.2.2.2.Kết quả tính toán ...............................................................................105 3.2.3. Kiểm định giả thuyết thống kê ............................................................108 3.2.4. Bước đầu đánh giá hiệu quả của tiến trình dạy học đã thiết kế được trong việc nâng cao tính hứng thú, tích cực, sáng tạo của HS trong học tập 109 3.2.5. Ưu điểm, nhược điểm của bộ TN cơ học dùng cảm biến SONAR trong dạy học chương “ Các định luật bảo toàn”. ...................................................110 3.3. Kết luận chương 3 .....................................................................................110 KẾT LUẬN....................................................................................................112 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................114 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN VIẾT ĐẦY ĐỦ VIẾT TẮT Giáo viên GV Học sinh HS Thí nghiệm TN Trung học phổ thông THPT Thực nghiệm TN Đối chứng ĐC DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1. Bảng thống kê điểm kiểm tra của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng .............................................................................................................................. 107 Bảng 3.2. Bảng phân phối tần suất của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng ........ .............................................................................................................................. 107 Bảng 3.3. Bảng phân phối tần suất tích lũy của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng .............................................................................................................................. 108 Bảng 3.4. Bảng xác định các tham số cần tìm của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng .............................................................................................................................. 108 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ Trang Hình 1.1. Chu trình sáng tạo khoa học ................................................................. 9 Hình 1.2. Sơ đồ tiến trình xây dựng, bảo vệ tri thức mới trong nghiên cứu khoa học ..................................................................................................................... 10 Hình 1.3. Dạng khái quát của sơ đồ biểu đạt lôgic của tiến trình khoa học giải quyết vấn đề khi xây dựng, kiêm nghiệm, ứng dụng một giá trị cụ thể .......................... 11 Hình 1.4. Sơ đồ TN vật lí với sự hỗ trợ của máy vi tính ...................................... 22 Hình 1.5. Sơ đồ khái quát của tiến trình xây dựng kiến thức theo kiểu DH PH & GQ VĐ ................................................................................................................... 24 Hình 1.6. Sơ đồ khái quát tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường lí thuyết của kiểu DH PH & GQ VĐ ............................................................................................... 25 Hình 1.7 . Sơ đồ khái quát tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường thực nghiệm của kiểu DH PH & GQ VĐ ......................................................................................... 26 Hình 2.1. Nguyên lí TOF ....................................................................................... 38 Hình 2.2. Cảm biến Go! Motion của Vernier ........................................................ 38 Hình 2.3. Giao diện phần mềm Logger Pro .......................................................... 39 Hình 2.4. Góc quét của cảm biến ......................................................................... 29 Hình 2.5. Các ưu điểm của Go! Motion ................................................................ 40 Hình 2.6. Xe động lực và vật nặng ........................................................................ 41 Hình 2.7. Bộ TN xe động lực ................................................................................ 41 Hình 2.8. Sơ đồ bố trí TN chuyển động thẳng đều của xe động lực ..................... 42 Hình 2.9. Đồ thị tọa độ và vận tốc của vật chuyển động thẳng đều theo thời....... 43 Hình 2.10. Cửa sổ Cruve Fit .................................................................................. 44 Hình 2.11. Kết quả phân tích đồ thị của vật chuyển động thẳng đều .................... 44 Hình 2.12. Bố trí TN của vật chuyển động thẳng biến đổi đều ............................. 45 Hình 2.13. Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều theo thời gian .......................................................................................................... 46 Hình 2.14. Bố trí TN của vật chuyển động thẳng biến đổi đều ............................. 47 Hình 2.15. Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều theo thời gian .......................................................................................................... 48 Hình 2.16. Sơ đồ bố trí TN va chạm mềm của hai xe cùng khối lượng ................ 49 Hình 2.17. Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe va chạm mềm trước và sau tương tác ....... 50 Hình 2.18. Sơ đồ bố trí TN 2 xe động lực cùng khối lượng va chạm đàm hồi ..... 51 Hình 2.19. Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe trước và sau tương tác đàn hồi ................. 52 Hình 2.20. Sơ đồ bố trí TN 2 xe động lực đứng yên, sau đó tương tác với nhau . 52 Hình 2.21. Đồ thị vận tốc hai xe trước và sau tương tác ....................................... 53 Hình 2.22. Ray đệm không khí ............................................................................. 54 Hình 2.23. Bộ cấp khí ........................................................................................... 54 Hình 2.24. Xe trượt ............................................................................................... 54 Hình 2.25. Các phụ kiện của bộ đệm khí .............................................................. 54 Hình 2.26. Bố trí TN chuyển động thẳng đều trên đệm không khí của xe trượt ... 55 Hình 2.27 Đồ thị tọa độ và vận tốc của vật chuyển động thẳng đều theo thời gian ................................................................................................................................ 56 Hình 2.28 Bố trí TN xe trượt chuyển động trên mặt phẳng nghiêng của đệm khí 57 Hình 2.29 Đồ thị tọa độ và vận tốc theo thời gian của xe trượt trên mặt phẳng nghiêng ................................................................................................................... 58 Hình 2.30. Bố trí TN xe trượt chuyển động thẳng biến đổi đều trên đệm khí ..... 59 Hình 2.31. Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều theo thời gian .......................................................................................................... 60 Hình 2.32. Bố trí TN hai xe trượt cùng khối lượng va chạm mềm trên đệm không khí ........................................................................................................................... 61 Hình 2. 33. Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe trượt trước và sau tương tác..................... 62 Hình 2.34. Bố trí TN hai xe trượt cùng khối lượng va chạm đàn hồi trên đệm không khí ........................................................................................................................... 62 Hình 2. 35. Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe trước và sau tương tác ............................. 63 Hình 2.36. Sơ đồ bố trí TN rơi tự do ..................................................................... 64 Hình 2.37. Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật rơi tự do theo thời gian ........... 65 Hình 2.38. Sơ đồ bố trí TN con lắc lò xo dao động thẳng đứng ........................... 66 Hình 2.39. Đồ thị tọa đô, vận tốc của con lắc lò xo dao động thẳng đứng theo thời gian ......................................................................................................................... .67 Hình 2.40. Cửa sổ phần mềm Calculated Column Options .................................. 68 Hình 2.41. Mục Option ở cửa sổ phần mềm Calculated Column Options........... 69 Hình 2.42. Mục Column Option ở cửa sổ phần mềm Calculated Column Options khi thiết lập hàm động năng ................................................................................... 69 Hình 2.43. Mục Column Option ở cửa sổ phần mềm Calculated Column Options khi thiết lập hàm cơ năng ....................................................................................... 70 Hình 2.44. Đồ thị động năng, thế năng và cơ năng theo thời gian của con lắc lò xo dao động theo phương thẳng đứng ......................................................................... 70 Hình 2.45. Bố trí TN con lắc lò xo dao động theo phương ngang ........................ 71 Hình 2.46. Bố trí TN con lắc lò xo dao động trên mặt phẳng nghiêng ................. 72 Hình 2.47. Đồ thị li độ, vận tốc của con lắc lò xo dao động theo phương nằm ngang theo thời gian .......................................................................................................... 73 Hình 2.48. Đồ thị li độ, vận tốc của con lắc lò xo dao động theo phương nghiêng theo thời gian .......................................................................................................... 73 Hình 2.49. Sơ đồ bố trí TN dao động của con lắc đơn .......................................... 74 Hình 2.50. Đồ thị li độ và vận tốc của con lắc đơn dao động theo thời gian ....... 75 Hình 2.51. Đồ thị động năng, thế năng và cơ năng của con lắc đơn dao động theo thời gian .................................................................................................................. 76 Hình 2.52. Sơ đồ cấu trúc kiến thức chương “Các định luật bảo toàn” ................ 77 Hình 3.1. Đồ thị vận tốc theo thời gian của hệ hai vật cùng khối lượng va chạm mềm ........................................................................................................................ 97 Hình 3.2. Đồ thị vị trí và vận tốc theo thời gian của vật rơi tự do ........................ 101 Hình 3.3. Đồ thị vị trí và vận tốc theo thời gian của con lắc lò xo dao động thẳng đứng ........................................................................................................................ 101 Hình 3.4. Đồ thị cơ năng theo thời gian của con lắc lò xo dao động thẳng đứng . ................................................................................................................................ 102 Hình 3.5. Đồ thị phân bố tần suất của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng ............ 106 Hình 3.6. Đồ thị phân bố tần suất tích lũy của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng ................................................................................................................................ 106 1 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Hiện nay, chúng ta đang thực hiện việc đổi mới toàn diện nội dung và phương pháp dạy học ở trường trung học phổ thông. Đối với các môn khoa học thực nghiệm nói chung và môn Vật lí nói riêng thì việc đổi mới đó phải gắn liền với việc phải tăng cường sử dụng thí nghiệm trong quá trình dạy học. Cơ học, nội dung đầu tiên được đưa vào giảng dạy ở cấp Trung học phổ thông, khảo sát những quá trình đơn giản nhất của Vật lí học: chuyển động cơ. Chuyển động cơ có mặt ở khắp mọi nơi trong thực tiễn cuộc sống. Do đó, các hiện tượng của phần cơ học gắn liền với thực tế một cách sâu sắc và có tính trực quan rất cao nhưng các đại lượng vật lý trong cơ học lại rất trừu tượng và khó tiếp thu đối với học sinh. Do đó, việc dùng thí nghiệm trong tiến trình dạy các kiến thức của phần cơ học là rất cần thiết, nhằm phát triển tư duy và năng lực sáng tạo cho học sinh. Khi tìm hiểu cấu trúc, nội dung kiến thức và thực trạng dạy học phần kiến thức cơ học trong chương trình Vật lí phổ thông hiện nay, tôi nhận thấy việc sử dụng các thí nghiệm trong các tiết học còn hạn chế. Kết quả thu được từ các thí nghiệm này có sai số khá lớn và cần phải có khá nhiều thời gian để thực hiện nên làm ảnh hưởng đến tiến trình dạy học. Vì vậy, một thực tế đặt ra là cần cải tiến hoặc xây dựng mới các thí nghiệm cơ học có độ chính xác cao hơn và tốn ít thời gian hơn để giúp giáo viên có điều kiện để tiến hành thí nghiệm khi giảng dạy các kiến thức cơ học. Ngày nay, trong nghiên cứu và giảng dạy Vật lí, ta có thể sử dụng các cảm biến để thu thập các số liệu thực nghiệm một cách nhanh chóng và chính xác. Các số liệu thực nghiệm và kết quả xử lí được hiển thị trên bộ chỉ thị hiện số hoặc được kết nối với máy vi tính để hiển thị, phân tích trên màn hình. Các cảm biến và bộ ghép nối hiện số được coi như các dụng cụ đo hiện số có độ nhạy tốt, độ chia nhỏ và thang đo rộng. Một trong các loại cảm biến thường dùng trong các thí nghiệm cơ học nhưng ít được sử dụng trong chương trình vật lý phổ thông là cảm biến SONAR. 2 Xuất phát từ những phân tích trên, tôi nhận thấy: Nếu xây dựng bộ thí nghiệm cơ học trong chương trình Vật lí phổ thông dùng cảm biến SONAR sẽ khắc phục được các hạn chế về độ chính xác và thời gian thí nghiệm của các bộ thí nghiệm đã có. Nếu xây dựng thành công bộ thí nghiệm cơ học này thì có thể sử dụng nó một cách hiệu quả trong quá trình dạy học chương trình Vật lí trung học phổ thông. Với các lí do trên, tôi lựa chọn và nghiên cứu đề tài: Thiết kế bộ thí nghiệm cơ học dùng cảm biến SONAR và sử dụng trong dạy học chương “Các định luật bảo toàn” lớp 10 trung học phổ thông. 2. Mục đích nghiên cứu - Thiết kế một số bài thí nghiệm cơ học trong chương trình Vật lí phổ thông có sử dụng cảm biến SONAR. - Thiết kế tiến trình dạy học có sử dụng bộ thí nghiệm đã xây dựng trong dạy học chương “Các định luật bảo toàn” lớp 10 trung học phổ thông. 3. Giả thuyết nghiên cứu Nếu thiết kế được bộ thí nghiệm cơ học dùng cảm biến SONAR đáp ứng các yêu cầu về mặt sư phạm và sử dụng các thí nghiệm một cách hợp lí vào quá trình dạy học nội dung “Các định luật bảo toàn”, lớp 10, chương trình vật lí phổ thông thì có thể nâng cao hiệu quả của việc dạy học. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu lí luận dạy học hiện đại về các phương pháp, hình thức dạy học nhằm tăng cường tính tích cực, sáng tạo của học sinh trong học tập. - Phân tích nội dung phần “Các định luật bảo toàn” trong Vật lý 10 Trung học phổ thông nhằm tìm hiểu nội dung và đặc điểm các kiến thức cần xây dựng. - Tìm hiểu thực tế dạy học phần “Các định luật bảo toàn” ở lớp 10, trường trung học phổ thông nhằm làm rõ những khó khăn và nguyên nhân của những khó khăn ấy trong việc tổ chức hoạt động nhận thức của học sinh theo hướng tích cực, sáng tạo. 3 - Nghiên cứu các thí nghiệm cơ học đã có trong phòng thí nghiệm Vật lí phổ thông để tìm ra những ưu điểm và nhược điểm của chúng. - Tìm hiểu cảm biến sonar để đo khoảng cách, bộ ghép nối và các phần mềm tương ứng. - Thiết kế các thí nghiệm cơ học trong chương trình Vật lí phổ thông dùng cảm biến sonar. - Thiết kế tiến trình dạy học các kiến thức của chương “Các định luật bảo toàn” Vật lí 10 trung học phổ thông có dùng các thí nghiệm mới xây dựng. - Thực nghiệm sư phạm để đánh giá tính khả thi, hiệu quả của tiến trình dạy học đã thiết kế và phân tích các ưu nhược điểm của các thí nghiệm mới xây dựng. 5. Đối tượng nghiên cứu - Nội dung và phương pháp dạy học phần cơ học trong chương trình Vật lí phổ thông. - Các cảm biến sonar dùng trong các thí nghiệm cơ học của chương trình Vật lí phổ thông. 6. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý luận: nghiên cứu lí luận dạy học, tâm lí học, cơ sở lý luận về đổi mới phương pháp dạy học, các tài liệu, sách, báo, các văn kiện, các nghị quyết của Trung ương Đảng về lĩnh vực giáo dục. - Nghiên cứu thực tiễn: sử dụng phương pháp phỏng vấn, điều tra ngắn nhằm thu thập thông tin về tính hiệu quả của việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học môn Vật lí ở trường trung học phổ thông, nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về thiết kế chế tạo và hoàn thiện một số thí nghiệm. - Thực nghiệm sư phạm: tổ chức hoạt động dạy và học, ghi chép, chụp ảnh, quay phim, khảo sát kết quả học tập, rút kinh nghiệm giờ dạy, phân tích diễn biến quá trình thực nghiệm. - Thống kê toán học: tổng hợp, phân tích và xử lí số liệu thống kê kết quả thực nghiệm. 4 7. Đóng góp của đề tài Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là nguồn tư liệu dạy học bổ sung cho chương “ Các định luật bảo toàn”. Đồng thời, đây sẽ là cơ sở cho các đề tài nghiên cứu xây dựng và sử dụng hiệu quả các thí nghiệm trong dạy và học Vật lí trong tương lai. 5 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN 1.1. Tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học Vật lí Trong quá trình dạy học, mục tiêu, nội dung, phương pháp và phương tiện dạy học có mối quan hệ biện chứng với nhau. Các chuyên gia sư phạm xác định mục tiêu dạy học và đề ra nội dung dạy học tương ứng. Trên cơ sở nội dung và mục tiêu đã đề ra, GV phải lựa chọn, vận dụng các phương pháp và sử dụng phương tiện thích hợp sao cho có thể phát huy tích cực và phát triển được năng lực sáng tạo của HS.[1] Mục tiêu giáo dục không chỉ dừng lại ở việc truyền thụ những kiến thức, rèn luyện những kỹ năng có sẵn cho HS mà quan trọng là phải bồi dưỡng cho họ năng lực sáng tạo, năng lực giải quyết vấn đề, để từ đó có thể sáng tạo ra những trí thức mới, phương pháp mới, cách giải quyết vấn đế mới, góp phần làm giàu thêm nền kiến thức của bản thân HS. Vì vậy, dạy học nói chung và dạy học vật lí nói riêng cần phải tiến hành đổi mới nội dung và phương pháp, nhất là đổi mới phương pháp dạy và học sao cho vai trò tự chủ của HS trong hoạt động xây dựng kiến thức ngày một nâng cao, để từ đó năng cao năng lực sáng tạo của HS.[2] Để quá trình đổi mới phương pháp dạy và học đạt hiệu quả, các nhà giáo dục phải trên cơ sở nghiên cứu tâm lí học để từ đó xây dựng tiến trình dạy học phù hợp. Hoạt động học tập của HS thực chất là hoạt động nhận thức. Thông qua hoạt động của bản thân mà HS tự chiếm lĩnh kiến thức, hình thành và phát triển năng lực trí tuệ, cũng như quan điểm, đạo đức, thái độ. Vì vậy, trong quá trình dạy học, GV cần tổ chức, kiểm tra, định hướng hoạt động học tập của HS theo một chiến lược hợp lí sao cho HS tự chủ chiếm lĩnh, xây dựng tri thức. HS là chủ thể của hoạt động nhận thức.[3] 1.1.1. Cơ sở tâm lí học của hoạt động nhận thức Chúng ta biết rằng quá trình nhận thức bao giờ cũng diễn ra theo hai giai đoạn: nhận thức cảm tính và nhận thức lí tính. 6 Giai đoạn nhận thức cảm tính bao gồm các hoạt động cảm giác, tri giác và hình thành biểu tượng về đối tượng cần nhận thức. Chỉ thông qua các hoạt động cảm giác, tri giác đối tượng cần nhận thức có thể hình thành biểu tượng về đối tượng đó một cách chân thực và đúng đắn. Nhờ đó mới có được những thao tác tư duy (nhận thức lý tính) như: phân tích, tổng hợp, so sánh, khái quát hóa đạt độ chính xác khoa học cần thiết, qua đó HS lĩnh hội được kiến thức một cách sâu sắc, có được những thao tác tư duy đúng đắn, có khả năng vận dụng những tri thức đã học, có điều kiện để xây dựng kiến thức mới. Những thành tựu của tâm lí học nhận thức và tâm lí học sư phạm đã khẳng định vai trò và tác dụng của các phương tiện trực quan trong việc kích thích hứng thú nhận thức, tạo cơ sở cho nhu cầu nhận thức xuất hiện và động lực của quá trình nhận thức được duy trì và phát triển. Do đó làm cho người học đạt kết quả cao trong việc chiếm lĩnh tri thức lẫn hình thành năng lực tư duy sáng tạo và kĩ năng thực hành.[4] Theo quan điểm của tâm lí học liên tưởng, khi sự vật, hiện tượng tác động vào giác quan thì cảm giác sẽ được hình thành. Những cảm giác này sẽ làm xuất hiện những ý tưởng có liên quan. Những ý tưởng được hình thành này sau đó lại kích thích sự ra đời của những ý tưởng khác. Vì vậy, hoạt động học thực chất là quá trình hình thành các liên tưởng, phát triển trí nhớ của người học. Hoạt động học sẽ có hiệu quả nếu người học có thể hình thành cho mình những mối liên hệ giữa các khái niệm, quy luật, cách thức…để từ đó ghi nhớ và tái hiện tài liệu học tập tốt hơn. Tương tự như vậy, hoạt động dạy cần phải hình thành ở người học càng nhiều càng tốt những mối liên hệ giữa những tri thức riêng lẻ, giữa những kiến thức của một phần hay một phạm vi khoa học nhất định nào đó cũng như giữa các ngành khoa học khác nhau. Khi sử dụng TN với sự hỗ trợ của máy vi tính vào dạy học, HS có điều kiện quan sát trực tiếp hiện tượng và quá trình vật lí xảy ra trong thí nghiệm, đồng thời có thể quan sát được số liệu thu được từ thí nghiệm thông qua màn hình máy vi tính. Các số liệu đó được thu thập, được sắp xếp, xử lí và hiển thị theo ý đồ sư phạm 7 của giáo viên. Nhờ đó, có thể giúp HS dễ dàng xác định được những mối liên hệ giữa những thuộc tính khác nhau của sự vật hiện tượng, giữa cái chung và cái riêng, giữa hình thức và nội dung của các đối tượng nghiên cứu.[4] Khi đó, nếu có được sự hướng dẫn, gợi ý cần thiết của giáo viên thì HS có thể chuyển hóa vấn đề nhận thức từ cụ thể sang trừu tượng, rồi từ đó chuyển lên cái cụ thể ở mức cao hơn. Lúc này tính trực quan được dùng để vạch ra mối quan phổ biến của các đối tượng, hiện tượng, hiện tượng và quá trình. Lí thuyết kiến tạo của Bruner cho rằng học tập là một quá trình tích cực, trong đó người học kiến tạo các ý tưởng mới dựa trên các kiến thức hiện có. Người dạy có thể làm cho việc học hiệu quả hơn bằng cách cung cấp tư liệu để giúp cho người học xây dựng kiến thức từ những gì họ đã biết để biết nhiều hơn và tự họ khám phá ra chân lí. Hoạt động học sẽ hiệu quả hơn nếu người học có thể tham gia tích cực vào việc điều khiển quá trình học. Chính vì vậy, HS cần phải có những lựa chọn, tự kiểm soát kế hoạch học tập và tự đưa ra mục đích cho mỗi hành động học của mình, tăng cường sự hợp tác và ý thức cộng đồng, hình thành những phương pháp học tập phù hợp với hoàn cảnh, tăng cường tự đánh giá, tự nhận xét.[4] Theo Vưgôtxky, sử dụng phương tiện chẳng qua là sử dụng các đối tượng nào đó làm phương thức, phương tiện thực hiện hành vi của bản thân mình. Theo đó, sự phát triển, hiện đại hóa các phương tiện dạy học sẽ góp phần phát triển, hoàn thiện các hành vi của học sinh, góp phần phát triển các thao tác tư duy, năng lực sáng tạo của người học. Trong giai đoạn đầu của việc giải quyết vấn đề, HS khuyến khích, hỗ trợ, hướng dẫn lẫn nhau, trong giai đoạn sau HS đưa ra kết luận dựa trên các bằng chứng thực nghiệm và giải quyết các bất đồng ý kiến bằng cách dung hòa các lập luận khác nhau. Từ đó có thể kết luận rằng HS có thể đạt được mục tiêu học tập thông qua hợp tác với nhau bằng các bài thuyết trình, phát biểu, tranh luận.[2] Vưgôtxky còn cho rằng dạy học sẽ có hiệu quả hơn khi HS tham gia các hoạt động với môi trường hỗ trợ học tập và khi họ nhận được những hướng dẫn gián tiếp của các công cụ học tập. Những công cụ này được định nghĩa như là các chiến lược nhận thức, người cố vấn, bạn cùng học, máy tính, tư liệu hoặc bất kí dụng cụ nào 8 cung cấp thông tin cho người học. Vai trò của các công cụ này là chủ động hỗ trợ người học hoàn thành nhiệm vụ học tập gần với giới hạn trên của vùng phát triển gần và thoát khỏi sự trợ giúp khi người học đạt được mức tự tin cao hơn.[2] Như vậy, trong quá trình dạy học vật lí ở trường phổ thông, giáo viên cần phải biết sử dụng thí nghiệm vật lí hỗ trợ cho quá trình dạy học. Đồng thời, giáo viên cần phải tổ chức các hoạt động dạy học và hướng dẫn HS tham gia vào quá trình thảo luận đưa ra các phán đoán (giả thuyết) sau đó xây dựng và tiến hành các thí nghiệm kiểm chứng nhằm khẳng định hay bác bỏ giả thuyết đã đưa ra. Từ đó, HS tự chiếm lĩnh và hình thành nên tri thức cho bản thân. Quá trình dạy học các tri thức thuộc một môn khoa học cụ thể được hiểu là những hoạt động của giáo viên và của HS trong sự tương tác thống nhất biện chứng của ba thành phần: GV, HS và tư liệu học tập. Hệ thống hoạt động dạy học bao gồm các hành động có mục đích của GV, tổ chức hoạt động trí óc và tay chân của HS, đảm bảo cho HS chiếm lĩnh được nội dung dạy học, đạt được mục tiêu xác định. GV tổ chức định hướng hành động chiếm lĩnh tri thức vật lí của HS phỏng theo tiến trình của chu trình sáng tạo khoa học. Như vậy chúng ta có thể hình dung diễn biến của hoạt động dạy học như sau: - GV tổ chức tình huống, HS chấp nhận tình huống, nhận nhiệm vụ, nảy sinh vấn đề cần tìm tòi giải quyết. Dưới sự chỉ đạo của GV, vấn đề được diễn đạt chính xác hóa, phù hợp với mục tiêu dạy học và các nội dung cụ thể đã xác định. - HS tự chủ tìm tòi, giải quyết vấn đề đặt ra với sự theo dõi, định hướng, giúp đỡ của GV. - GV chỉ đạo sự trao đổi, tranh luận của HS, bổ sung, tổng kết, khái quát hóa, thể chế hóa tri thức, kiểm tra kết quả học tập phù hợp với mục tiêu dạy học các nội dung cụ thể đã xác định. 1.1.2. Cơ sở khoa học của việc tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh trong dạy học Vật lí Quá trình sáng tạo khoa học gồm các giai đoạn chính: Từ những sự kiện khởi đầu đi đến xây dựng mô hình trừu tượng của hiện tượng, tức là đề xuất giả thuyết,