Đề tài Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình trong dạy học chương Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng vật lý lớp 10 trung học phổ thông

Đề tài " Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình trong dạy học chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” vật lý lớp 10 trung học phổ thông " 1 Mở đầu 1. Lý do chọn đề tài Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước là mục tiêu hàng đầu trong đường lối xây dựng phát triển của nước ta, "Đến năm 2020 đất nước ta về cơ bản phải trở thành nước công nghiệp"[27]. Muốn thực hiện thành công sự nghiệp này, chúng ta phải thấy rõ nhân tố quyết định thắng lợi chính là nguồn nhân lực con người Việt Nam. Nền giáo dục của ta không chỉ lo đào tạo cho đủ về số lượng mà cần quan tâm đặc biệt đến chất lượng đào tạo. Trước tình hình đó, nhiệm vụ quan trọng đề ra cho các môn học trong trường phổ thông là phải làm sao cho khi vào đời, bắt tay tham gia vào lao động sản xuất hoặc lao động trong một ngành khoa học kỹ thuật nào đó, học sinh có thể nhanh chóng tiếp thu được cái mới, mau chóng thích ứng với trình độ hiện đại của khoa học và kỹ thuật. Để làm được điều đó, ngoài việc trang bị cho học sinh vốn kiến thức, kỹ năng tối thiểu cần thiết, các môn học cần phải tạo ra cho họ một tiềm lực để họ có thể đi xa hơn những hiểu biết mà họ đã thu lượm được trong nhà trường. Tiềm lực đó chính là khả năng giải quyết những vấn đề mà sản xuất và đời sống đặt ra cho họ, là khả năng tự vạch ra đường đi để đạt tới những nhận thức mới. Tiềm lực đó nằm trong phương pháp tư duy và hành động một cách khoa học. Do đó vấn đề bồi dưỡng cho học sinh các phương pháp nhận thức khoa học đã trở thành nhiệm vụ quan trọng của các môn học trong nhà trường phổ thông. Chỉ trên cơ sở dạy cho các em các phương pháp nhận thức khoa học chúng ta mới có thể làm cho các em biết học tập một cách chủ động, mới rèn luyện được trí thông minh, sáng tạo ở các em. Nhưng việc rèn luyện trí thông minh sáng tạo trong dạy học ở trường phổ thông nước ta hiện nay còn mới mẻ, đang còn nhiều khó khăn cả về lý luận lẫn thực tiễn. 2 Để đạt được mục đích đó, chúng ta cần phải nghiên cứu, áp dụng và liên tục cải tiến các phương pháp giảng dạy. Nền giáo dục của nước ta hiện nay đã sử dụng một số phương pháp dạy học mang lại những hiệu quả nhất định như phương pháp thực nghiệm, phương pháp đàm thoại nêu vấn đề, phương pháp diễn giảng... Phương pháp mô hình (PPMH) là một trong những phương pháp nhận thức khoa học và đã được vận dụng vào trong dạy học. Khi nghiên cứu những hiện tượng Vật lý xảy ra trong thế giới vi mô, nhất là trong dạy học vật lý, chúng tôi đặc biệt quan tâm tới PPMH. PPMH ngày càng trở nên quan trọng không những trong Vật lý mà cả trong những ngành khoa học tự nhiên và xã hội khác. Chính vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình trong dạy học chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” vật lý lớp 10 trung học phổ thông . 2. Mục đích nghiên cứu Sử dụng PPMH trong dạy học chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” nhằm góp phần nâng cao chất lượng dạy học vật lý trong trường THPT. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - PPMH: Trong nghiên cứu vật lý và trong dạy học vật lý. - Hoạt động dạy và học vật lý của giáo viên và học sinh ở trường THPT. - Quá trình dạy học vật lý chương “ Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” lớp 10 THPT Tĩnh gia II. 4. Giả thuyết khoa học 3 - Có thể sử dụng PPMH ở các mức độ khác nhau để dạy học chương “ Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng”. - Việc dùng PPMH dạy học chương “ Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” sẽ mang lại kết quả học sinh không những nắm vững sâu sắc kiến thức của mình mà còn được bồi dưỡng PPMH của nhận thức vật lý. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu lý thuyết về MH và PPMH trong nghiên cứu vật lý và trong dạy học vật lý. - Nghiên cứu chương trình và sách giáo khoa vật lý phần nhiệt học. - Tìm hiểu thực trạng nhận thức về PPMH và sử dụng PPMH trong dạy học vật lý ở trường phổ thông. - Thiết kế các phương án dạy học chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” theo PPMH. - Thực nghiệm sư phạm các phương án đã xây dựng. 6. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý luận: + Các văn kiện của Đảng và Nhà nước, của Bộ giáo dục và đào tạo có liên quan đến vấn đề nghiên cứu. + Các tài liệu, công trình liên quan đến hướng nghiên cứu. - Nghiên cứu tình hình thực trạng trên đối tượng cụ thể: Dự giờ, quan sát việc dạy của giáo viên và việc học của học sinh trong quá trình thực nghiệm sư phạm. - Thực nghiêm sư phạm: Thực hiện các bài dạy đã thiết kế, so sánh với lớp đối chứng để rút ra những cần thiết, chỉnh lý thiết kế đề xuất hướng áp dụng vào thực tiễn, mở rộng kết quả nghiên cứu. 7. Kết quả nghiên cứu 4 Qua quá trình triển khai đề tài: Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình trong dạy học chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” vật lý lớp 10 THPT, chúng tôi đã thu được một số kết quả như sau: - Về mặt lý luận: + Nhận thức được cấu trúc của PPMH, vai trò của PPMH trong nghiên cứu vật lý và trong dạy học vật lý. + Nắm được các bước cơ bản vận dụng PPMH trong dạy học vật lý. - Về mặt nghiên cứu ứng dụng: + Sắp xếp lại nội dung một số vấn đề chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” để thực hiện dạy học theo PPMH. + Xây dựng, thiết kế các giáo án chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” theo PPMH. + Thực nghiệm sư phạm: chúng tôi nhận thấy, có thể tiến hành dạy học chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” theo PPMH, nhờ đó học sinh làm quen với PPMH -phương pháp nhận thức quan trọng của vật lý học. 8. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ lục và tài liệu tham khảo, luận văn có 3 chương sau: Chương 1: Cơ sở lý luận của đề tài Chương 2: Tổ chức dạy học chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” vật lý lớp 10 THPT theo PPMH. Chương 3: Thực nghiệm sư phạm 5 Chương 1. Cơ sở lý luận của đề tài 1.1. Mô hình 1.1.1. Khái niệm về mô hình Khái niệm mô hình được sử dụng rộng rãi trong ngôn ngữ thông dụng hàng ngày với những ý nghĩa rất khác nhau. Trong các môn khoa học tự nhiên học sinh thường gặp mô hình tế bào, mô hình lò cao, mô hình động cơ đốt trong, tức là vật chất có cấu tạo không gian giống như vật mà ta cần nghiên cứu. Mô hình phân tử, mô hình nguyên tử lại mô tả những vật thể mà ta chỉ biết được những tính chất của chúng chứ không quan sát trực tiếp được. Mô hình quá trình dạy học, mô hình bài học lại không phản ánh một vật thể nào cả mà phản ánh một sự kiện trừu tượng. Mô hình con người mới, mô hình nhà trường phổ thông được hiểu là mẫu mực mà ta phải vươn tới chứ không phải là phỏng theo một thực thể đang tồn tại. Trong vật lý học, V.A Stôphơ đã định nghĩa mô hình như sau: “Mô hình là một hệ thống được hình dung trong óc hay được thực hiện một cách vật chất, hệ thống đó phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tượng nghiên cứu hoặc tái tạo nó, bởi vậy việc nghiên cứu mô hình sẽ cung cấp cho ta những thông tin mới về đối tượng” [33]. Theo định nghĩa này, cần đặc biệt chú ý đến sự khác biệt giữa mô hình với đối tượng vật chất. Một mô hình chỉ phản ánh một số tính chất của đối tượng vật 6 chất. Cùng một đối tượng vật chất nhưng có thể có nhiều mô hình khác nhau. Như vậy mô hình không đồng nhất với đối tượng mà nó phản ánh. Còn theo Halbwachs thì định nghĩa “Những dấu hiệu bao gồm trong các hình vẽ, các giản đồ, các ký hiệu toán học hay đơn giản hơn, những mệnh đề được thành lập bởi các từ, những hệ thống sẽ được dùng để biểu diễn cảnh huống. Với một hệ thống các dấu hiệu như thế, chúng ta gọi là một mô hình”[29]. Khái niệm “mô hình”, theo định nghĩa chung nhất của nó thì là một cái gì đó (một vật thể, một sự biểu đạt hình tượng, một phương trình...) thay thế cho cái nguyên gốc, nó cho phép thay thế cái nguyên gốc này bởi sự trung gian giúp cho dễ hiểu hơn, dễ đạt tới hơn đối với nhận thức. Quan hệ giữa mô hình với thực tế có thể hoặc là sự tương tự về hình thức bề ngoài hoặc là sự tương tự của cái cấu trúc bị che khuất, hoặc là sự tương tự chức năng, hiệu quả. 1.1.2. Các chức năng của mô hình Như chúng ta đã thấy, vai trò của một mô hình vật lý nhằm đảm bảo cho sự thấu hiểu khoa học một đối tượng vật lý nào đó. Như vậy, trong vật lý học mô hình có ba chức năng chính sau đây: a) Mô tả sự vật, hiện tượng. b) Giải thích các sự kiện và hiện tượng có liên quan tới đối tượng. c) Tiên đoán các sự kiện và hiện tượng mới. Một mô hình không phải chỉ dùng để mô tả và giải thích các hiện tượng vật lý mà hơn thế nữa, nó còn được dùng để tiên đoán những hiện tượng mới. Không có chức năng tiên đoán này, mô hình mất đi vai trò quan trọng của nó trong khoa học. Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng mô hình đường cảm ứng từ trong dạy học về từ trường và hiện tượng cảm ứng điện từ (lớp 11). Mô hình đường cảm ứng từ không những biểu diễn được hướng mà còn cả độ lớn của lực từ ở mỗi điểm xung quanh nam châm. Sử dụng mô hình đường cảm ứng từ giúp ta phát hiện ra 7 định luật cảm ứng điện từ: dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một khung dây dẫn kín khi từ thông qua thiết diện của khung dây biến thiên. Bằng mô hình đường cảm ứng từ ta còn có thể phát hiện ra một điều quan trọng là: không gian xung quanh dòng điện cũng tồn tại từ trường. 1.1.3. Tính chất của mô hình Với tư cách là một hệ thống phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tượng nghiên cứu, một mô hình có những tính chất cơ bản sau đây: a) Tính tương tự với “vật gốc”: Một hệ thống chỉ có thể được coi là mô hình của vật gốc khi có thể chuyển được những kết quả nghiên cứu trên mô hình sang vật gốc. Nghĩa là nó có sự tương tự giữa mô hình và vật gốc. Sự tương tự đó có thể là đồng cấu hoặc đẳng cấu. Sự tương tự có thể thuộc loại cấu trúc, khi đó sự tương tự chủ yếu ở mối quan hệ giữa các phần tử của hai hệ thống. Ví dụ mô hình ảnh của một vật trên võng mạc: quan hệ giữa phần này và phần kia của ảnh phản ánh đúng quan hệ giữa hai phần tương ứng của vật. Cũng có thể là sự tương tự về chức năng, nghĩa là các phân tử tương ứng của hai hệ thống có chức năng giống nhau nhưng cấu trúc có thể khác nhau. Ví dụ mô hình ảnh tạo bởi thấu kính hội tụ và gương cầu lõm dưới những điều kiện giống nhau là giống nhau và lại biết: có thể sử dụng một thấu kính hội tụ làm vật kính trong chế tạo kính thiên văn. Từ đó, cũng có thể sử dụng gương cầu lõm làm vật kính trong mô hình kính thiên văn. Sự tương tự cũng có thể giống nhau hay na ná giống nhau ở kết quả các quá trình trong hai hệ thống. Thuộc loại cuối cùng thường thấy khi so sánh một hệ thống vật chất thực và sự diễn tả toán học của nó. Các phần tử thuộc hai hệ thống này không có điểm nào giống nhau nhưng kết quả thu được trong quá trình biến đổi toán học lại phù hợp với kết quả thu được bằng thực nghiêm. Ví dụ mô hình toán học diễn tả dao động điều hoà: sự tương tự giữa quy luật biến đổi của điện tích q 8 trong mạch cũng giống như quy luật biến đổi của ly độ x trong dao động của con lắc lò xo. Trong dạy học vật lý, tính chất tương tự với vật gốc của mô hình có ý nghĩa quan trọng: sử dụng tính chất này khi xây dựng mô hình, học sinh được rèn luyện một loạt các thao tác tư duy, được phát triển niềm tin vào mối liên hệ có tính khái quát, có tính quy luật của các sự vật, hiện tượng tự nhiên đa đạng, phong phú. Sử dụng tính chất này còn góp phần nâng cao hiệu quả giờ học, thể hiện trước hết ở tính sâu sắc, tính hệ thống của các kiến thức vì nó tạo điều kiện cho học sinh liên hệ cái chưa biết với cái đã biết, phát hiện những mối liên hệ giữa các hệ thống khác nhau ở các phần khác nhau của vật lý cũng như những dấu hiệu giống nhau và khác nhau của chúng. b) Tính đơn giản: Như ta đã biết, thực tế khách quan vô cùng đa dạng và phong phú. Mỗi mô hình chỉ phản ánh được một mặt nào đó của thực tế. Nhiều khi một hệ thống thực thể khách quan phải dùng đến nhiều mô hình để phản ánh. Trong khi xây dựng mô hình ta phải thực hiện các thao tác trừu tượng hóa, khái quát hóa những thao tác ấy bao giờ cũng dẫn đến một sự đơn giản hóa vì rằng ta đã tước bỏ những chi tiết thứ yếu, chỉ còn lại những thuộc tính và những mối liên hệ bản chất. Như vậy tính đơn giản của mô hình là một tất yếu khách quan. Mặt khác cũng nhờ tính đơn giản này của mô hình mà nhà nghiên cứu có thể nắm chắc những vấn đề cơ bản nhất của thực tế khách quan, khái quát hóa chúng mà rút ra những quy luật. Nếu không dùng những mô hình đơn giản để nghiên cứu mà nghiên cứu ngay những hiện tượng thực tế phức tạp thì nhiều trường hợp quy luật bị lu mờ và nhà nghiên cứu có thể bị nhầm lẫn. c) Tính trực quan: Trước hết tính trực quan của mô hình thể hiện ở chỗ dễ dàng nhận biết bằng các giác quan. Ta có thể cảm giác, tri giác trực tiếp trên mô hình, nhưng nhiều khi không làm được việc đó trên các hiện tượng thực tế. 9 Tính trực quan cũng thể hiện ở chỗ ta đã vật chất hóa những tính chất, những quan hệ không thể trực tiếp tri giác được. Thí dụ lực hút, lực đẩy giữa các phân tử được biểu diễn trên mô hình bằng cách gạch nối đậm hay mảnh, hoặc quy luật chuyển động được biểu diễn bằng đồ thị vận tốc. Khái niệm trực quan còn được mở rộng trong trường hợp mô hình không trực tiếp diễn tả hiện tượng thực tế mà so sánh với một hiện tượng thực tế khác mà ta có thể tri giác bằng giác quan được. Ví dụ như dùng mô hình sóng nước để diễn tả sự giao thoa của sóng ánh sáng mặc dù sóng ánh sáng hoàn toàn khác sóng nước. Rõ ràng mức độ trực giác gián tiếp loại này còn phụ thuộc vào vốn hiêủ biết của chính chủ thể, do chủ thể đã tích lũy được từ trước. ý nghĩa của tính trực quan của mô hình trong dạy học thể hiện ở chỗ, làm cho học sinh dễ hình dung các hiện tượng vật lý không thể quan sát trực tiếp được (Ví dụ sử dụng con lắc lò xo để trực quan hoá quá trình xảy ra và sự biến đổi của các đại lượng vật lý trong mạch dao dộng điện LC), dễ hiểu hơn các khái niệm trừu tượng (ví dụ khi minh hoạ các khái niệm dòng điện và hiệu điện thế, có thể dùng dùng hình ảnh dòng nước chảy để trực quan hoá các kiến thức trên). d) Tính quy luật riêng: Khi xây dựng mô hình, người ta dựa vào sự tương tự của nó với tình huống vật lý mà nó phản ánh. Nhưng bản thân mô hình có những tính chất riêng của nó được quy định bởi tính chất của các phần tử của nó và mối quan hệ giữa các phần tử ấy. Mối quan hệ ấy tuân theo quy luật riêng, nhiều khi không còn giống những quy luật chi phối mối quan hệ giữa các phần tử trong tình huống vật lý nữa. Chẳng hạn như mô hình ký hiệu toán học tuân theo những quy luật toán học. Từ sự vận động của những quy luật riêng này có thể rút ra những kết luận mới có khả năng chuyển tải sang tình huống vật lý (vật gốc). Đương nhiên rằng sự tiên đoán nàycó tính chất giả thuyết, cần được kiểm tra lại. 10 Đây là giá trị nhận thức của mô hình. Nhờ tính chất này mà với mô hình ta không chỉ dừng lại ở sự mô tả, tìm hiểu các tình huống vật lý mà còn phát hiện ra những tính chất mới, cung cấp những thông tin mới. e) Tính lý tưởng: Mô hình xuất phát từ thực tiễn, phản ánh thực tiễn. Nhưng khi ta mô hình hóa một vật, một mối quan hệ nào đó ta đã thực hiện một sự trừu tượng hóa, khái quát hóa, phản ánh các thuộc tính của vật thể, hiện tượng khách quan ở mức độ hoàn thiện cao, loại bỏ tất cả những ảnh hưởng nhiễu trong nhận thức. Như vậy mô hình nào cũng có tính chất lý tưởng ít hay nhiều. Nói cách khác không có mô hình nào giống hệt thực tiễn bởi nếu mô hình hoàn toàn giống thực tế khách quan thì nó không còn tính cách là vật đại diện, thay thế nữa. Một mô hình vật lý chỉ phản ánh đến một mức độ nhất định một vài mặt của một tình huống vật lý. Tính chất lý tưởng của mô hình ngày càng cao thì mô hình càng khái quát và giúp ta nhận thức được những nét chung nhất của hiện tượng và bao trùm được một số càng lớn hiện tượng. Nhưng càng khái quát, càng có tính lý tưởng cao thì khi sử dụng mô hình để nghiên cứu thực tế càng gặp nhiều khó khăn vì ta phải bổ sung vào cấu trúc chung của mô hình rất nhiều yếu tố cụ thể phù hợp với các tính chất đối tượng nghiên cứu. 1.1.4. Các loại mô hình sử dụng trong vật lý học Ta có thể phân các mô hình vật lý ra làm hai loại [25, 130], [22, 27]. A) Mô hình vật chất: Là mô hình trên đó phản ánh đặc trưng cơ bản về mặt hình học, vật lý, động lực học, chức năng học của đối tượng nghiên cứu. Thí dụ: Mô hình máy bay, mô hình lò cao, mô hình động cơ đốt trong...Loại mô hình này chỉ sử dụng ở giai đoạn thấp của quá trình nhận thức khi cần hình thành những biểu tượng hoặc thu thập kiến thức có tính chất kinh nghiệm. 11 Những kiến thức thu được trên mô hình là những tính chất bên ngoài của hiên tượng, của đối tượng thực. B) Mô hình lý tưởng ( hay mô hình lý thuyết) Là những mô hình trừu tượng, trên đó về nguyên tắc người ta chỉ áp dụng những thao tác tư duy lý thuyết. Các phần tử của mô hình và đối tượng nghiên cứu thực tế có thể có bản chất vật lý hoàn toàn khác nhau nhưng hoạt động theo những quy luật giống nhau. Các mô hình lý thuyết có thể có rất nhiều loại tùy theo mức độ trừu tượng khác nhau. a) Mô hình ký hiệu: Là dạng cụ thể nhất của mô hình lý tưởng. Đó là hệ thống những ký hiệu dùng với tư cách là mô hình: hình vẽ, sơ đồ, đồ thị, chữ cái, các công thức, phương trình toán học. Chúng tôi chú ý đặc biệt đến hai loại mô hình ký hiệu là mô hình toán học và mô hình đồ thị. a1) Mô hình toán học: Là những mô hình có bản chất khác với vật gốc, chúng diễn tả những đặc tính của vật gốc bằng một hệ thức toán học. Chẳng hạn như tất cả những đại lượng q biến thiên thỏa mãn phương trình: q”+ 2q = 0 đều biến thiên theo một quy luật dao động điều hòa. Bởi vậy có thể dùng công thức đó là mô hình của mọi dao động điều hòa không phụ thuộc vào bản chất của dao động. Mục đích của mô hình hóa là thay thế đối tượng nghiên cứu bằng phương trình sao cho có thể thu được những thông tin cần thiết một cách dễ dàng nhất. Bởi vậy có thể ở giai đoạn đầu của quá trình nhận thức xuất phát từ những yếu tố quan sát được (lực đàn hồi) để xây dựng mô hình dao động cơ học, sau đó dùng mô hình để nghiên cứu dao động điện không quan sát trực tiếp được. Tuy mô hình toán có ưu điểm về sự chặt chẽ của toán học, có thể xét tới những yếu tố ảnh hưởng nhỏ nhất tham dự vào quá trình thực nghiệm, song sự chặt chẽ này đồng thời lại là nhược điểm của mô hình toán, vì nó có khoảng cách khá xa với tính linh hoạt của các quá trình thực, nhất là các quá trình xã hội [4]. 12 a2) Mô hình đồ thị: Chúng tôi đặc biệt quan tâm đến mô hình đồ thị, là một loại mô hình rất thông dụng trong nghiên cứu vật lý, đặc biệt là trong nghiên cứu thực nghiệm, nhưng chưa được hiểu và sử dụng đúng mức. Vai trò của đồ thị thể hiện rất rõ: Đồ thị biểu diễn một mối quan hệ giữa hai hoặc ba đại lượng vật lý mô tả hiện tượng tự nhiên. Nếu chỉ dừng lại ở việc giải thích hiện tượng theo quan điểm vĩ mô (theo hiện tương luận) thì trong nhiều trường hợp, có thể dựa vào đồ thị để giải thích sự diễn biến của hiện tượng. Chẳng hạn, người ta thường dựa vào đặc tuyến vôn- ampe của tranzito để chọn điểm làm việc của nó. Ngược lại với một điểm làm việc nhất định, thì dựa vào đặc tuyến vôn- ampe ta có thể biết trazito hoạt động ở chế độ tuyến tính hay không tuyến tính. Mỗi đồ thị không những chỉ phản ánh đơn thuần mối liên hệ hàm số giữa hai đại lượng vật lý, mà nó mang nhiều thông tin quý báu ngoài mối liên hệ đó. đó chính là chức năng tiên đoán của đồ thị. Đồ thị của đường đẳng tích và đường đẳng áp đã cho ta tiên đoán sự tồn tại của độ không tuyệt đối. Nếu một đồ thị có một cực đại (hay một cực tiểu) thì nó sẽ cho ta thấy có hai yếu tố trái ngược nhau chi phối hiện tượng mà ta xét. Đó chẳng hạn là trường hợp đồ thị thực nghiệm của sự phụ thuộc năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối và bước sóng. Như vậy, đồ thị vật lý hoàn toàn có đủ tư cách là một mô hình lý thuyết của hiện tượng vật lý. Để cho đồ thị có ý nghĩa như một mô hình độc lập chứ không phải chỉ là một dạng để biểu diễn một công thức toán học, cần nói rõ cách xây dựng và sử dụng riêng của đồ thị. a3) Mô hình lôgic- toán: Mô hình này dựa trên ngôn ngữ toán học. Mô hình này được sử dụng rộng rãi trên các máy tính điện tử. Có thể coi mô hình dùng trong máy tính điện tử là mô hình ký hiệu đã được vật chất hóa. Những hiện tượng hoặc quá trình cần nghiên cứu được mô hình hóa dưới dạng chương trình 13 của maý tính, nghĩa là hệ thống quy luật đã được mã hóa theo ngôn ngữ của máy, chương trình này có thể coi như algorit của các hành vi của đối tượng nghiên cứu. b) Mô hình biểu tượng: Mô hình biểu tượng là dạng trừu tượng nhất của mô hình lý tưởng. Những mô hình biểu tượng không tồn tại trong không gian, trong thực tế mà chỉ có trong tư duy của ta. Ta chỉ nêu algôrit đã tạo ra mô hình rồi hình dung nó trong óc chứ không cần làm ra mô hình cụ thể. Với sự hình dung đó người ta có thể hiểu được hành vi của mô hình (và do đó của đối tượng cần nghiên cứu) bằng cách suy luận lôgic. Thí dụ mô hình phân tử trong thuyết động học phân tử của chất khí. Mô hình này mang nhiều đặc tính không thể diễn tả bằng một vật cụ thể hay một ký hiệu (quả cầu đàn hồi, có lực hút, lực đẩy, chuyển động hỗn loạn v.v...). Mô hình lý thuyết nhiều khi được vật chất hóa dưới một dạng nào đó để hỗ trợ cho quá trình tư duy. Ví dụ mô hình cấu tạo chất: vật chất được cấu tạo từ những hạt nhỏ bé, riêng biệt, giữa các hạt có khoảng cách. Hiện tượng quan sát được trên mô hình “ngô-vừng” khi chúng được trộn lẫn vào nhau có thể chuyển sang vật gốc “rượu-nước”. Trong vật lý học những mô hình lý thuyết có tác dụng to lớn đối với quá trình nhận thức nên chúng giữ một vị trí quan trọng. Mô hình ký hiệu và mô hình biểu tượng trong sáng tạo khoa học vật lý liên quan mật thiết với nhau và có ảnh hưởng đến sự phát triển của nhau. Tóm lại, chúng ta có thể xây dựng sơ đồ các loại mô hình như ở hình 1 sau đây: MÔ HÌNH MH lý thuyết MH vật chất MH ký hiệu MH biểu tượng MH đồ thị MH lôgic toán MH toán học MH chức năng MH cấu trúc 14 1.2. Phương pháp mô hình trong vật lý học Trong phương pháp mô hình, người ta dựng lại những tính chất cơ bản của vật thể, hiện tượng, quá trình và mối quan hệ giữa chúng dưới dạng mô hình. Việc nghiên cứu trên mô hình sẽ thay thế cho việc nghiên cứu trên chính đối tượng thực tiễn, những kết quả nghiên cứu trên mô hình sẽ chuyển sang cho những đối tượng gốc cho phép ta thu được những thông tin mới về đối tượng gốc . 1.2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô hình Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô hình là lý thuyết tương tự. Theo phương pháp này ta dựa vào sự giống nhau một phần về các tính chất hay về các mối quan hệ mà chuyển những thông tin thu thập được từ một đối tượng này sang một đối tượng khác. Thuật ngữ “đối tượng” ở đây dùng theo nghĩa rộng chỉ một vật thể (hoặc hệ vật thể) hoặc một hình ảnh (hoặc một hệ hình ảnh) trừu tượng hay một sơ đồ lôgic. Giả sử có một đối tương A mà ta biết có những tính chất a1, a2, a3...an+1 còn khi nghiên cứu một đối tượng B ta chỉ mới thấy B có những tính chất a1, a2, a3...an giống như đối tượng A ta có thể suy ra rằng B cũng có tính chất an+1 như đối tượng A nếu như giữa a1, a2, a3...an+1 có một quy luật lôgic gắn bó. 15 Rõ ràng sự suy luận tương tự trên chỉ có tính chất là một giả thuyết, là nguồn gốc trí thức mới. Những giả thuyết đó chỉ trở thành nhận thức khoa học khi chúng được kiểm tra và xác nhận bằng thực nghiệm. Sở dĩ sự suy luận bằng phép tương tự đạt được những kết quả đáng tin cậy trở thành một phương pháp có hiệu lực trong khoa học vì theo Kedrốp: Sự tương tự có nguyên nhân sâu xa là sự thống nhất bản chất bên trong của những hiện tượng khác nhau, sự thống nhất có tính tổng quát của các định luật chung chi phối những định luật riêng. Trước hết chúng tương tự với nhau vì chúng tuân theo những mối quan hệ nhân quả. Dựa trên sự tương tự giữa các hệ quả mà người ta có thể đưa ra sự tương tự giữa các nguyên nhân và ngược lại. D.Didorot đã viết “ Trong vật lý học, tất cả những hiểu biết của chúng ta đều dựa vào sự tương tự nếu sự giống nhau về hệ quả mà không cho phép ta kết luận về sự giống nhau về nguyên nhân thì khoa học vật lý sẽ ra sao? Có cần phải đi tìm nguyên nhân của tất cả các hiên tượng tương tự không loại trừ gì hết? Liệu điều đó có thực hiện được không? Y học và những lĩnh vực thực nghiệm của vật lý sẽ như thế nào nếu không có nguyên lý tương tự đó...Có thể rút ra được kết luận gì từ rất nhiều sự kiện, thực nghiệm và quan sát?”. Trong lịch sử khoa học, phương pháp tương tự đã dẫn đến nhiều phát minh vĩ đại. Đa số những giả thuyết khoa học ngày nay đều được đề xuất dựa trên sự tương tự với những nguyên lý, những tiên đề hoặc những kết quả đã có từ trước trong khoa học và đã được thực nghiệm xác nhận là đúng đắn. 1.2.2. Cấu trúc của phương pháp mô hình trong vật lý học Trong vật lý, phương pháp mô hình có cấu trúc gồm 4 giai đoạn sau đây: a) Nghiên cứu tính chất của đối tượng gốc: 16 Bằng quan sát thực nghiệm, người ta xác định được một tập hợp những tính chất của đối tượng nghiên cứu. Giai đoạn này còn gọi là tập hợp các sự kiện ban đầu làm cơ sở để xây dựng mô hình. b) Xây dựng mô hình: Thông thường do kết quả của sự tương tự người ta đi đến hình dung sơ bộ về sự vật, hiện tượng cần nghiên cứu, tức là đi đến một mô hình sơ bộ, chưa đầy đủ. Trong giai đoạn này trí tưởng tượng và trực giác giữ vai trò quan trọng. Nhờ có trí tưởng tượng và trực giác mà người ta mới trừu xuất được những tính chất và những mối quan hệ thứ yếu của đối tượng nghiên cứu, thay nó bằng mô hình chỉ mang tính chất và những mối quan hệ chính mà ta quan tâm. Mô hình lúc đầu mới có ở trong óc nhà nghiên cứu. Nó trở thành mẫu dựa vào đó nhà nghiên cứu xây dựng những mô hình thật (nếu nhà nghiên cứu dùng phương pháp mô hình vật chất). Trong trường hợp mô hình lý tưởng thì người ta đem đối chiếu trong óc mô hình với những vật, những hiện tượng mà người ta đã quen biết, chẳng hạn như trong thuyết động học chất khí, người ta đã trừu xuất những chi tiết về cấu trúc của những phân tử của chất khí, chỉ còn giữ lại những đặc điểm về mặt động học của các phân tử và thay thế những phân tử khí bằng những hạt. Những hạt này giống với những quả cầu va chạm tuyệt đối đàn hồi mà ta đã biết rõ những quy luật chi phối chúng. c) Thao tác trên mô hình suy ra hệ quả lý thuyết: Sau khi xây dựng mô hình, người ta áp dụng những phương pháp lý thuyết hoặc thực nghiệm khác nhau từ tư duy trên mô hình và thu được kết quả, những thông tin mới. Đối với các mô hình vật chất thì người ta làm thí nghiệm thực trên mô hình . Còn đối với mô hình lý tưởng thì thao tác trên mô hình trong óc, tức là áp dụng những phép tính hay những phép phân tích suy luận lôgic dựa trên các mệnh đề của mô hình như các tiên đề. Người ta coi công việc này như làm một thí nghiệm đặc biệt gọi là thí nghiệm tưởng tượng. Thí nghiệm tưởng tượng tuy không có thật nhưng có thể thực hiện được và có vai trò rất lớn trong 17 khoa học. Theo Heisenberg: những thí nghiệm đó được sáng tạo để giải thích những vấn đề đặc biệt quan trọng, bất kể là thực tế ta có thể thực hiện được thí nghiệm đó hay không. Dĩ nhiên, điều quan trọng là thí nghiệm đó có thể thực hiện về nguyên tắc, mặc dù kỹ thuật thực hiện của nó có thể rất phức tạp. Trong phương pháp mô hình lý tưởng người ta đã biết trước hành vi của mô hình trong những điều kiện xác định. Điều người ta muốn biết thêm là hệ quả của những hành vi đó như thế nào. Thí nghiệm tưởng tượng thực chất là một thao tác lôgic chứ không phải là một phương pháp nghiên cứu khách quan, những kết quả trên mô hình phải được chuyển đổi về đối tượng nghiên cứu (đối tượng gốc) xem có phù hợp. d) Thực nghiệm kiểm tra: - Nếu bản thân mô hình là một phần tử cấu tạo của nhận thức thì cần phải kiểm tra sự đúng đắn của nó bằng cách đối chiếu kết quả thu được từ mô hình với những kết quả thu được trực tiếp từ đối tượng gốc. Nếu sai lệch thì phải điều chỉnh ngay chính mô hình, có trường hợp phải bỏ hẳn mô hình đó và thay bằng một mô hình khác. Thí dụ mô hình cấu tạo phân tử khí lý tưởng vừa là đối tượng của nhận thức vừa là phương tiện nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu trên mô hình đó đem áp dụng vào khí thực có sai lệch với thực tế. Bởi vậy phải chỉnh lý mô hình khí lý tưởng và phải xây dựng mô hình khí thực. - Nếu bản thân mô hình không phải là đối tượng của nhận thức mà chỉ là phương tiện để nghiên cứu thì việc xử lý kết quả, hợp thức mô hình là phải phân tích những kết quả thu được trên mô hình thành những thông tin về đối tượng nghiên cứu (thí dụ như mô hình kỹ thuật, mô hình toán học...) nếu những thông tin ấy không phù hợp cũng phải chỉnh lý lại mô hình. Trong nhiều trường hợp mô hình chỉ phản ánh được một hay một số mặt của đối tượng nghiên cứu, còn nhiều mặt khác thì không phản ánh được, thậm chí phản ánh sai lệch. 18 Những mô hình đã được kiểm nghiệm trong thực tế là những mô hình hợp thức và dùng để phản ánh một số mặt của thực tế khách quan. Nó có thể thay đổi, hoàn chỉnh thêm hoặc bị bác bỏ khi người ta có thêm thông tin chính xác hơn về đối tượng gốc. Tóm lại, ta có thể xây dựng sơ đồ cấu trúc của phương pháp mô hình như ở hình 2 dưới đây. 1.2.3. Vai trò của phương pháp mô hình trong lịch sử vật lý Trong lịch sử vật lý, PPMH đóng vai trò rất quan trọng trong việc xây dựng và hoàn chỉnh các thuyết [18]. Không có mô hình về ête vũ trụ thì trong bối cảnh lịch sử khoa học thế kỷ 19 không thể xây dựng được lý thuyết về các hiện tượng điện từ. Macxoen dùng mô hình ête vũ trụ để xây dựng các phương trình Macxoen, Mặc dù được xây dựng từ mô hình cơ học là ête giả định nhưng không mang trong chúng một hệ số đặc trưng nào cho môi trường đó; trong những trường hợp này mô hình là phương tiện, công cụ nhận thức tương tự như Kết quả nghiên cứu trên mô hình Mô hình Đối tượng của nhận thức Nhận thức về đối tượng Thuyết (mô hình hoàn chỉnh) Nghiên cứu trên MH PP thực nghiệm các pp lôgic toán Xây dựng mô hình: -PP tương tự -Trừu tượng Hợp thức hoá mô hình PP thực nghiệm quan sát so sánh Hình 2: Sơ đồ cấu trúc của PPMH 19 bộ “giàn giáo” để xây dựng toà nhà, khi xây xong thì bộ “giàn giáo” bị dỡ bỏ, không cần quan tâm. “Lý thuyết Macxoen chính là các phương trình Macxoen”[16, 163]. Những mô hình được sử dụng đầu tiên trong vật lý học là mô hình vĩ mô (đơn giản hoá các đối tượng vĩ mô cần nghiên cứu) (ví dụ chất điểm là mô hình trái đất chuyển động quanh mặt trời); Từ giữa thế kỷ 19 xuất hiện rộng rãi các mô hình vi mô (mô hình mô tả các đối tượng vi mô không quan sát trực tiếp được). Thế kỷ 20 xuất hiện mô hình lượng tử. Ví dụ sự phát triển của các mô hình về cấu tạo nguyên tử. Đầu tiên là mẫu cổ điển do Thômsơn đưa ra vào năm 1906: Nguyên tử gồm các electrôn nằm trong một môi trường điện tích dương, electrôn bơi trong môi trường điện tích dương hình cầu có đường kính cỡ Ǻ và các electrôn phân bố thành từng lớp. Mẫu này giải thích được định tính một số tính chất của các nguyên tử nhưng không được thành công lắm. Năm 1908, Rơzơfo làm thí nghiệm kiểm tra mẫu Thômsơn về cấu tạo hạt nhân. Mẫu Thômsơn không giải thích được sự tán xạ của chùm hạt ỏ trên lá vàng. Mẫu Thômsơn thất bại. Rơzơfo bổ sung mẫu nguyên tử có đường kính cỡ 10-4Ǻ. Mẫu này giải thích hoàn hảo các thí nghiệm của Rơzơfo cả về mặt định tính lẫn định lượng, đồng thời tiên đoán năng lượng ion hoá của hyđrô, đã được thí nghiệm kiểm chứng. Tuy nhiên mẫu trên không giải thích được tính bền vững của nguyên tử và sự tạo thành quang phổ vạch của hyđrô. Đến năm 1913 Borh bổ sung thêm hai tiên đề về các trạng thái dừng và về sự hấp thụ, bức xạ năng lượng của nguyên tử. Năm 1915, Somefod cho rằng electrôn chuyển động theo quỹ đạo elip, mô men động lượng của electrôn trên quỹ đạo cũng khác nhau. Mẫu này không giải thích được sự tách vạch quang phổ trong từ trường ngoài. Đến năm 1916, ông đưa thêm vào mẫu của mình: hình chiếu của mô men từ lên phương của từ trường ngoài cũng được lượng tử hoá. Năm 1925, Gao Smit và Ulnibec lại bổ sung: mỗi electrôn có mô men quay riêng gọi là Spin. Tiếp đó, Pauli đưa ra mẫu: mỗi electrôn được đặc trưng bởi bốn số lượng tử. Trong một 20 nguyên tử không có hai electrôn có trạng thái lượng tử giống nhau (nguyên lý cấm Pauli). Mẫu này gặp khó khăn là không giải thích được quang phổ của các nguyên tử có cấu tạo phức tạp ( do mâu thuẫn ngay trong các mệnh đề: lượng tử- quỹ đạo). Cuối cùng là mẫu nguyên tử theo cơ học lượng tử. Nhờ áp dụng PPMH mà trong nhiều trường hợp đã làm xuất hiện những lý thuyết mới. Chẳng hạn mô hình sóng Đơbrơi đã dẫn đến cơ học lượng tử. 1.2.4.Ưu - nhược điểm của PPMH trong vật lý học a) Những ưu điểm: Trước hết, PPMH giúp ta hiểu rõ đối tượng nghiên cứu. Mô hình là vật đại diện, trên đó ta sẽ tác động các thao tác lôgic và thực nghiệm. Rất nhiều hiện tượng và quá trình được giải thích rõ ràng thông qua mô hình. Ví dụ như mô hình khí lý tưởng giải thích các định luật thực nghiệm về chất khí (định luật Bôilơ-Mariôt, định luật Gayluyxac, định luật Saclơ). Sự giải thích bằng mô hình là một hình thức cổ xưa nhất trong khoa học. Người ta coi những quy luật chi phối mô hình cũng là những quy luật của chính đối tượng nghiên cứu. Ngày nay, khi khoa học đi sâu vào thế giới vi mô không trực tiếp quan sát được thì chức năng mô tả giải thích của mô hình càng có hiệu lực. Nhiều khi cùng một đối tượng phải dùng đến nhiều mô hình mới giải thích được. Những mô hình này có thể có những tính chất trái ngược nhau. Chẳng hạn như để giải thích sự truyền ánh sáng, trong vật lý học cổ điển, người ta dùng mô hình “hạt ánh sáng”, nhưng sau đó khi phát hiện ra hiện tượng giao thoa ánh sáng thì lại dùng “mô hình sóng ánh sáng” để giải thích. Đối với vật lý cổ điển thì hai khái niệm sóng và hạt là hoàn toàn khác biệt. Chỉ mãi đến đầu thế kỷ XX sau khi xây dựng cơ học lượng tử, mô hình lưỡng tính sóng hạt mới xoá bỏ được sự không tương thích đó. 21 Có trường hợp một mô hình có thể dùng cho nhiều hiện tượng khác nhau về bản chất. Ví dụ phương trình sóng có thể là mô hình của sự lan truyền âm trong không khí, của sự lan truyền sóng điện từ trong chân không, của chuyển động của electron trong nguyên tử. Điều đó nói lên một lần nữa sự thống nhất của vật chất. Xu hướng hiện đại của vật lý học là xây dựng những mô hình khái quát phản ánh nhiều mặt của thế giới khách quan. PPMH trong nhiều trường hợp đã làm xuất hiện những lý thuyết mới. Chẳng hạn mô hình sóng Đơbrơi đã dẫn đến cơ học lượng tử. PPMH có thể giúp ta phát hiện ra những sự kiện mới chưa biết. Đặc biệt, mô hình toán học nhiều khi có tác dụng tiên đoán rất lớn. Chẳng hạn dựa vào phương trình năng lượng của electron : E2=p2c2+m02c2, Đirắc đã tiên đoán được: ngoài electron có năng lượng dương, còn tồn tại một hạt khác có năng lượng âm: E =- 22022 cmcp  . Điều này về sau được thực nghiệm xác nhận là đúng. Hạt có năng lượng âm đó chính là positron. Cơ học lượng tử không chỉ nói đến ánh sáng mà còn chứng minh bằng lý thuyết rằng các hạt vi mô đều có tính chất sóng. Điều tiên đoán này đã được thực nghiệm xác nhận. b) Những nhược điểm: Các nhà khoa học đều công nhận tác dụng lớn lao của phương pháp mô hình, nhưng đồng thời cũng nhấn mạnh tính gần đúng, tính tạm thời của nó. Các mô hình tuy phản ánh thế giới khách quan nhưng không thể thay thế hoàn toàn hiện thực khách quan được. Thậm chí nhiều mô hình chỉ có giá trị như một công cụ, phương tiện. Ví dụ Macxoen dùng mô hình “ête vũ trụ” để xây dựng các phương trình Macxoen về từ trường, nhưng ngay trong các phương trình đó cũng không có dấu hiệu nào đặc trưng cho ête vũ trụ. Trong thuyết của Macxoen không nói gì đến vai trò của ête vũ trụ trong các hiện tượng điện từ. Vì vậy, chính 22 Macxoen cũng coi ête vũ trụ như một bộ “giàn giáo” để xây dựng một toà nhà, và khi toà nhà đã xây dựng xong thì bộ “giàn giáo” cũng bị giỡ bỏ đi. Mặt khác, mặc dù mỗi mô hình chỉ phản ánh được một mặt nào đó của thế giới khách quan, nhưng khi sử dụng một mô hình người ta thường gán cho nó một tầm khái quát rộng hơn. Và, có khi vì quá tin vào một mô hình đã được xác lập mà người ta đi đến sự bảo thủ, không thừa nhận những sự kiện thực tế trái với mô hình đó. Ví dụ như vì quá tin vào mô hình cơ học của thế giới (theo Niutơn) nên các nhà khoa học phải trải qua một thời kỳ dài dằn vặt và đấu tranh mới xác lập được những quan điểm lượng tử và tương đối tính là những mô hình mới phản ánh sâu sắc, đầy đủ hơn thế giới vật chất. 1.3. Phương pháp mô hình trong dạy học vật lý 1.3.1.Vai trò của mô hình trong dạy học vật lý ở nhà trường phổ thông, chúng ta có thể sử dụng PPMH như một phương pháp độc lập trong dạy học một số kiến thức vật lý. Việc giảng dạy vật lý không chỉ giới hạn trong việc truyền thụ cho học sinh những tri thức của bộ môn này, mà điều quan trọng hơn là qua đó hình thành ở họ năng lực nhận thức sáng tạo đối với thế giới tự nhiên, năng lực phản ánh thế giới hiện thực [13]. Theo Jacques Desautels: “Người thầy dạy khoa học không chỉ truyền cho học sinh một số vốn liếng lý thuyết mà còn hợp thức hoá và giá trị hoá ngay chính hoạt động khoa học”[29]. Do đó cần phải tạo điều kiện để cho hoạt động học tập càng giống càng tốt đối với tiến trình xây dựng tri thức của các nhà khoa học vật lý. Làm được như vậy, học sinh sẽ vừa tiếp nhận được tri thức, vừa tiếp nhận con đường và nhập cuộc vào con đường xây dựng tri thức vật lý. Họ sẽ không mơ hồ trong việc phải vượt qua những trở lực khoa học để hiểu đúng đắn bản chất và vai trò của các lý thuyết khoa học và biết kiến tạo lý thuyết đó, nhằm hiểu được thế giới xung quanh. Xuất phát từ những quan niệm trên đây, các nhà khoa học 23 cho rằng cần vận dụng PPMH đã và đang được dùng trong các lý thuyết bộ môn vật lý vào việc giảng dạy bộ môn này trong nhà trường[13]. Trong nghiên cứu khoa học vật lý, mô hình và PPMH có chức năng nhận thức, nó giúp ta phát hiện ra những đặc tính mới, hiện tượng mới, quy luật mới. Nếu xem xét quá trình học tập của học sinh là một quá trình hoạt động nhận thức thì mô hình cũng có chức năng như trong nghiên cứu khoa học vật lý. Ngoài ra trong dạy học, nhiều khi học sinh không đủ khả năng xây dựng mô hình để thay thế vật gốc trong nghiên cứu nhưng giáo viên có thể sử dụng mô hình với mục đích sư phạm như một phương tiện trực quan nhằm làm cho học sinh hiểu rõ một vấn đề nào đó. Ví dụ như trong nghiên cứu khoa học, những mô hình vật chất có vai trò rất hạn chế vì nó ít mang lại những thông tin mới khi thao tác trên mô hình. Nhưng trong dạy học, nhiều mô hình lại có tác dụng quan trọng làm cho học sinh hiểu được những cái không quan sát trực tiếp được, ví dụ như mô hình cấu tạo bên trong của động cơ nổ, mô hình chuyển động Braonơ. Dù ta có cho học sinh trực tiếp quan sát một động cơ nổ còn nguyên vẹn thì họ cũng không thể thấy được cấu tạo bên trong của nó và hoạt động của các van và bugi trong khi động cơ vận hành. Bởi thế trong dạy học, ta dùng mô hình động cơ đốt trong bổ dọc. Còn với chuyển động Braonơ, vừa không quan sát được các phân tử nước chuyển động va chạm vào các hạt phấn hoa, vừa khó hình dung tại sao hạt phấn hoa lại chuyển động hỗn loạn. Mô hình chuyển động Braonơ dùng các viên bi sắt nhỏ được một cơ chế làm cho bắn lung tung hỗn loạn trong một hộp thuỷ tinh, còn hạt phấn hoa là một vật tròn lớn. Quan sát vật tròn bị các viên bi nhỏ đập vào hỗn loạn theo mọi phía, học sinh dễ dàng hiểu cơ chế chuyển động Braonơ, do đó hình dung được cấu tạo phân tử của nước. Như vậy mô hình vật chất cũng có vai trò quan trọng trong dạy học, đặc biệt là các mô hình vật thể động, mô hình vẽ nhiều giai đoạn liên tiếp hay mô hình trên phim ảnh (được sử dụng ngày càng rộng rãi). 24 Còn đối với các mô hình lý tưởng, tuy rất có tác dụng trong hoạt động nhận thức nhưng nhiều khi đòi hỏi ở học sinh một trình độ tư duy trừu tượng cao, một cơ sở thực nghiệm phong phú và kinh nghiệm bản thân dồi dào mới có thể xây dựng được mô hình. V.G.Razumôpxki khi bàn về phương pháp mô hình trong dạy học cũng nhận định rằng: “ở giai đoạn xây dựng mô hình, vì việc tìm ra những đối tượng trừu tượng thích hợp có thể thay thế cho sự vật, quá trình, hiện tượng nghiên cứu là rất khó, nên thông thường thì học sinh không thể tự làm được việc đó, tính tự lực của họ trong giai đoạn này bị hạn chế”. Bởi vậy, trong dạy học ở trường phổ thông, trong khuôn khổ bài học không cho phép chúng ta tổ chức quá trình học tập sao cho học sinh hoàn toàn tự lực “khám phá lại” các định luật vật lý, xây dựng các mô hình, nhưng cũng hoàn toàn đủ để cho họ được “trải qua” những giai đoạn của sự phát minh khoa học, hiểu được ý nghĩa của các sự kiện xuất phát, vai trò của mô hình, tầm quan trọng của sự kiểm tra bằng thực nghiệm những hệ quả lý thuyết. Nói cách khác, trong dạy học vật lý ở trường phổ thông, ta ít có điều kiện áp dụng đầy đủ các giai đoạn của PPMH để giải quyết một vấn đề nhận thức. Tuỳ theo hoàn cảnh cụ thể về trình độ học sịnh, nội dung vấn đề, phương tiện thí nghiệm mà định ra mức độ tham gia của học sinh một cách hợp lý vào các giai đoạn của PPMH. 1.3.2. Tổ chức dạy học theo phương pháp mô hình Nghiên cứu đặc điểm của hoạt động sáng tạo, chúng tôi thấy cần phải chuẩn bị cho học sinh những điều kiện sau đây khi dạy học theo PPMH: - Về mặt tâm lý: gây hứng thú, nhu cầu nhận thức, sẵn sàng đem hết sức mình vào giải quyết nhiệm vụ nhận thức. Trong lý luận dạy học ta nói là đưa học sinh vào tình huống có vấn đề. Vấn đề này được đề cập đến nhiều trong những công trình về dạy học nêu vấn đề. - Về mặt vốn hiểu biết: xây dựng mô hình thực tế là dùng một hệ thống đã biết để mô tả những đặc tính của đối tượng gốc. Như vậy muốn xây dựng được mô 25 hình học sinh không thể không có một vốn hiểu biết cần thiết về những vấn đề có liên quan. Chính giáo viên là người đã biết trước muốn xây dựng mô hình cần phải có những “vật liệu” nào, do đó có thể có biện pháp hợp lý để chuẩn bị trước cho học sinh đến mức cần thiết nhưng tuyệt đối không phải là chuẩn bị một mô hình đã có sẵn hoàn chỉnh. Tập dượt cho học sinh vượt qua những khó khăn trong khi áp dụng PPMH là một điều cần đặc biệt quan tâm. ở đây, chúng ta có thể vận dụng lý thuyết về “vùng phát triển gần” của Lép Vưgôtxki (1896-1934). Ông cho rằng, chỗ tốt nhất của sự phát triển của trẻ em là vùng phát triển gần. Vùng đó là khoảng cách giữa trình độ hiện tại của học sinh và trình độ phát triển cao hơn cần vươn tới. Nói một cách hình ảnh là chỗ trống giữa nơi mà con người cần giải quyết vấn đề đang đứng và nơi mà họ phải đạt đến và có thể thực hiện được với sự cố gắng nỗ lực của bản thân dưới sự giúp đỡ của người lớn hay của những người ngang hàng nhưng có khả năng hơn một chút. Không có con đường lôgic để vượt qua chỗ trống đó, nhưng hoàn toàn có khả năng thu hẹp chỗ trống đó đến mức thích hợp để mỗi người có thể thực hiện một bước nhảy vượt qua được. Tuy nhiên cũng phải dũng cảm tự lực thực hiện một số lần (có thể thất bại), sau đó mới có kinh nghiệm thực hiện được mau lẹ, vững chắc hơn, thực hiện những bước nhảy xa hơn. 1.3.3.Các mức độ sử dụng phương pháp mô hình Như đã phân tích ở trên, phương pháp mô hình được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vật lý, nhưng đồng thời cũng còn rất nhiều khó khăn đòi hỏi ở học sinh một trình độ tư duy phát triển, một vốn hiểu biết rộng rãi. V.G.Razumopxki nhận xét rằng “Trong khuôn khổ bài học, không cho phép tổ chức quá trình học tập sao cho học sinh hoàn toàn tự lực “khám phá lại” các định luật vật lý, xây dựng các mô hình, nhưng cũng hoàn toàn đủ để cho họ được “trải qua” những giai đoạn của những phát hiện khoa học, hiểu được ý nghĩa của những sự kiên 26 xuất phát, vai trò của các mô hình, tầm quan trọng của việc kiểm tra bằng thực nghiệm những hệ quả lý thuyết”. Lời nhận định đó cho đến nay vẫn còn nguyên giá trị. Vấn đề là ở chỗ vận dụng những lý thuyết mới về sự phát triển tâm lý học sinh và những kỹ thuật dạy học mới, chúng ta có thể nâng cao dần mức độ học sinh tham gia vào các quá trình trên. Khi đưa vào dạy học ở trường phổ thông, ta thường không áp dụng đầy đủ các khâu của phương pháp mô hình để giải quyết trọn vẹn một vấn đề . Trong trường hợp này, ta chỉ quan tâm đến việc xây dựng mô hình của một hiện tượng và dừng lại ở việc sử dụng mô hình để giải thích hiện tượng đó. Trong trường hợp khác, ta lại chú ý đến việc giải thích một hiện tượng mới dựa vào một mô hình đã có sẵn mà học sinh không có khả năng xây dựng được. Sở dĩ ta phải làm như vậy là vì: a) Có sự khác nhau cơ bản giữa mục đích nghiên cứu của nhà vật lý và mục đích dạy học của người giáo viên. Mục đích nghiên cứu của nhà vật lý là phải tìm cho được cái mới, còn mục đích dạy học là bước đầu tập luyện cho học sinh cách suy nghĩ sáng tạo, rèn luyện kỹ năng, giáo dục thái độ v.v...Cho nên có thể làm từng bước, từng phần tùy theo hoàn cảnh cụ thể. b) Do sự khống chế của thời gian, điều kiện trang bị vật chất của nhà trường, trình độ khoa học của giáo viên và học sinh. Bởi vậy chúng tôi nêu ra những hình thức khác nhau sử dụng phương pháp mô hình trong dạy học vật lý phổ thông theo mức độ yêu cầu cần đạt đối với học sinh từ thấp đến cao. Mức độ 1: Giáo viên trình bầy các sự kiện thực tế mà học sinh không thể giải thích được bằng kiến thức cũ của họ, sau đó đưa ra mô hình mà các nhà khoa học đã xây dựng và vận dụng mô hình để giải thích các sự kiện trên. Học sinh có phần thụ động tiếp thu, chỉ yêu cầu họ biết phân biệt mô hình với thực tế và làm quen với cách sử dụng mô hình để giải thích thực tế. Ví dụ như ở lớp 9 khi học về điện, sau khi nêu một số hiện tượng gọi là nhiễm điện, giáo viên giới 27 thiệu một số điểm sơ bộ về mô hình cấu tạo nguyên tử và sử dụng mô hình đó để giải thích hiện tượng nhiễm điện và dẫn điện. Mức độ 2: Học sinh sử dụng mô hình mà giáo viên đã đưa ra để giải thích một số hiện tượng đơn giản tương tự với hiện tượng đã biết. Thí dụ : sau khi đã biết mô hình hai loại điện tích dương và âm, sự tương tác giữa chúng, giáo viên có thể hướng dẫn học sinh vận dụng để giải thích vì sao hai lá của điện nghiệm lại xòe ra khi tích điện cho điện nghiệm hoặc hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng, bản chất của dòng điện... Mức độ 3: Học sinh sử dụng mô hình mà giáo viên đã đưa ra để dự đoán hiện tượng mới và đề xuất phương án thí nghiệm kiểm tra.Thí dụ học sinh có thể sử dụng mô hình cấu tạo chất, có thể tiên đoán nguyên nhân gây ra áp suất của chất khí và làm được thí nghiệm để kiểm tra. Hoặc, khi vận dụng mô hình về áp lực lên một mặt ở trong lòng chất lỏng, học sinh có thể tính được lực đẩy của chất lỏng tác dụng lên một hình hộp chữ nhật nằm trong đó và tổ chức thí nghiệm để kiểm tra lực đó. Mức độ 4: Học sinh dưới sự hướng dẫn của giáo viên tham gia vào cả bốn giai đoạn của phương pháp mô hình, do đó nắm vững tính năng của mô hình và sử dụng được mô hình để giải quyết nhiệm vụ nhận thức. Ví dụ, học sinh có thể tham gia xây dựng mô hình cấu tạo phân tử của chất và vận dụng nó để giải thích một số hiện tượng về chất khí, chất lỏng và chất rắn. Đầu tiên giáo viên cho học sinh quan sát một số hiện tượng thực tế không thể giải thích được bằng tính chất cấu tạo liên tục của các chất, gợi cho học sinh ý tưởng về cấu tạo gián đoạn của chúng, chẳng hạn như hiện tượng khuyếch tán của chất khí, chất lỏng, chất rắn. Đặc biệt là chuyển động Braonơ chỉ có thể giải thích được nếu ta thừa nhận chất lỏng được cấu tạo bởi một số lớn các phân tử nhỏ bé, luôn chuyển động hỗn loạn đến va chạm vào hạt phấn hoa từ mọi phía. Những sự kiện đó dẫn đến ý tưởng xây dựng một mô hình để phản ánh hai đặc tính của các chất: các chất có cấu tạo từ những hạt vô cùng nhỏ bé chuyển động 28 hỗn loạn không ngừng. Giáo viên thông báo thêm là các nhà bác học giả định thêm rằng: các hạt nhỏ bé gọi là phân tử đó chuyển động và tương tác với nhau theo các định luật của cơ học Niutơn. Tiếp tục quan sát chuyển động Braonơ, học sinh thấy rằng các hạt Braonơ chuyển động nhanh hơn khi ta tăng nhiệt độ; hiện tượng khuyếch tán cũng xảy ra nhanh hơn khi ta tăng nhiệt độ. Học sinh có thể phát hiện ra một đặc tính mới của các chất và thể hiện trên mô hình: vận tốc chuyển động của các phân tử tăng lên khi nhiệt độ tăng. Một hiện tượng khác chỉ có thể giải thích được nếu ta thừa nhận giữa các phân tử có lực tương tác: nếu ta nén một chất để thu nhỏ thể tích lại thì gặp phải một lực đẩy chống lại lực nén. Ngược lại nếu ta kéo dãn một vật thì gặp phải một lực kéo lại. Tổng hợp tất cả các sự kiện trên đây dẫn đến mô hình cấu tạo phân tử của chất. Mô hình này mới chỉ phản ánh được bốn tính chất (cấu tạo gián đoạn, chuyển động hỗn loạn không ngừng, có khoảng cách và lực tương tác, vận tốc tăng theo nhiệt độ). Rõ ràng còn nhiều tính chất khác của chất chưa được phản ánh trong mô hình trên. Sau khi xây dựng xong mô hình (được phát biểu dưới dạng “thuyết động học phân tử”), giáo viên hướng dẫn học sinh vận dụng mô hình để giải thích hoặc dự đoán một số hiện tượng mới. Điều đó có tác dụng khẳng định thêm giá trị nhận thức, phát hiện cái mới của PPMH. Ví dụ như: chất khí và chất lỏng gây áp suất lên mọi phía của thành bình, sự giãn nở của các chất theo nhiệt độ, các định luật về khí lý tưởng...Trong nhiều trường hợp, có thể tổ chức cho học sinh quan sát thí nghiệm kiểm tra những dự đoán trên. Mức độ 5: Học sinh tự lực xây dựng lấy mô hình để giải quyết nhiệm vụ nhận thức của mình. Thí dụ như học sinh tự lực xây dựng mô hình đồ thị để xác định công của lực đàn hồi, nhờ thế mà lập được công thức tính thế năng trong trường hợp lực đàn hồi trong khi chưa biết phép tính vi phân, tích phân. 1.3.4. Cấu trúc tài liệu giáo khoa theo phương pháp mô hình 29 Việc học sinh thông hiểu, áp dụng sáng tạo các kiến thức vào tình huống mới, phụ thuộc trước hết là nội dung của chính môn học. Cấu trúc tài liệu giáo khoa và phương pháp trình bày tài liệu đó cũng có một ý nghĩa to lớn. Vấn đề lựa chọn nội dung tài liệu giáo khoa , cấu trúc của tài liệu đó và phương pháp trình bầy phải tùy theo mục đích dạy học. Nếu chúng ta chỉ đơn thuần cho học sinh làm quen với những nguyên lý mới, những định luật mới thì ta chỉ thông báo cho học sinh những kết luận lý thuyết có sẵn mà các em sẽ phải sử dụng. Còn nếu chúng ta đặt vấn đề không những thông báo mà cả giúp học sinh bồi dưỡng phẩm chất đặc trưng của năng lực sáng tạo là thông hiểu kiến thức và áp dụng kiến thức vào tình huống mới, tức là phát triển trí tuệ của học sinh trong quá trình dạy học thì không phải bắt đầu việc trình bày tài liệu giáo khoa từ những lý thuyết có sẵn mà không giải thích rằng chúng được rút ra từ những sự kiện ban đầu nào và tính chất đúng đắn của lý thuyết được khẳng định bằng những thực nghiệm nào. Chẳng hạn như, khi dạy bài “Dòng điện trong kim loại”, giáo viên thường bắt đầu từ việc giải thích cơ cấu bên trong của các dây dẫn bằng kim loại. Các kim loại ở thể rắn có cấu trúc tinh thể, chúng có thể được coi như là một mạng không gian ion chứa đầy các electron không liên kết với các hạt nhân nhất định. Tiếp theo đó toàn bộ sách giáo khoa được xây dựng một cách suy diễn trên cơ sở của mô hình đó.Cách trình bầy như vậy dẫn đến tri thức của học sinh bị thiếu sót nhiều. Một trong những thiếu sót chủ yếu là học sinh tiếp nhận mô hình cấu trúc kim loại như một cấu trúc trừu tượng nào đó đối với đối tượng thực mà như chính bản thân đối tượng được một người nào đó nhìn thấy và miêu tả lại. Điều đó lại dẫn tới chỗ học sinh tuyệt đối hóa hình thức mà không biết đến cơ sở thực nghiệm của mô hình đó. Kết quả là các em không được tự do nắm tài liệu và không thể giải thích được mối mâu thuẫn với quan niệm đã miêu tả về cấu trúc của kim loại. 30 Chúng tôi cho rằng việc trình bầy của sách giáo khoa theo phương pháp mô hình: “Những sự kiện khởi đầu mô hình giả thiết những hệ quả được rút ra một cách lôgickiểm tra bằng thực nghiệm các kết quả” sẽ có tác dụng tốt trong việc phát huy năng lực tư duy sáng tạo của học sinh. Trước hết học sinh phải biết được những sự kiện ban đầu nào được dùng làm cơ sở để xây dựng nên mô hình vật lý này hay khác. Từ những sự kiện ban đầu đó bằng cách trực giác người ta chuyển sang xây dựng mô hình với tư cách ban đầu là một giả thuyết. Từ mô hình này bằng cách suy diễn người ta rút ra được những hệ quả, những hệ quả này được kiểm tra bằng thực nghiệm. Giả thuyết biến thành lý thuyết khi người ta thu được những chứng minh bằng thực nghiệm tính đúng đắn của những hệ quả được rút ra từ những giả thuyết đó. Những sự kiên thực nghiệm nào mâu thuẫn với lý thuyết sẽ được dùng làm nền tảng để xây dựng một mô hình vật lý trừu tượng mới. 1.3.5. Thực trạng sử dụng phương pháp mô hình trong dạy học vật lý 1.3.5.1. Nhận thức của giáo viên về mô hình và phương pháp mô hình Chúng tôi đã tìm hiểu thực sử dụng PPMH trong dạy học vật lý ở trường phổ thông bằng phiếu tìm hiểu (phụ lục1). Kết quả thống kê các phiếu điều tra này như sau: 1) Tổng số giáo viên được hỏi ý kiến là 43 người, trong đó: Thâm niên dạy học hơn 10 năm: chiếm 60 % tổng số giáo viên được hỏi ý kiến. Thâm niên dạy học ít hơn 10 năm: chiếm 40 % tổng số giáo viên được hỏi ý kiến. Số giáo viên nữ được hỏi: chiếm 63 % tổng số giáo viên được hỏi ý kiến. 2) Quan niệm mô hình theo nghĩa hẹp (chỉ là mô hình vật chất): 20/43 (chiếm 47%). 31 3) Quan niệm mô hình theo nghĩa đầy đủ (vừa là mô hình vật chất, vừa là mô hình tư duy: 23/43 (chiếm 53%). 4) Quan niệm mô hình chỉ là phương tiện nhận thức: 22/43 (chiếm 51%). 5) Quan niệm mô hình chỉ là nội dung nhận thức: 7/43 (chiếm 16%). 6) Quan niệm mô hình vừa là phương tiện, vừa là nội dung nhận thức: 14/43 (chiếm 33%). 7) Các mô hình thường được giáo viên sử dụng trong dạy học: Mô hình chuyển động Braonơ, mô hình đường cảm ứng từ của nam châm thẳng, mô hình máy phát điện xoay chiều 3 pha, mẫu nguyên tử Rơzơfo, mô hình đường sức, mô hình đường cảm ứng từ và mô hình thuyết động học phân tử về cấu tạo chất. Từ các kết quả điều tra như trên, chúng ta có thể thấy rằng: - Có gần tới một nửa trong tổng số giáo viên được hỏi cho rằng mô hình là một sự vật hiện tượng cụ thể nhằm minh hoạ cho ta hiểu rõ hơn một hiện tượng khác nào đó. - Họ cho rằng mô hình là phương tiện dạy học, phương tiện nhận thức mà không thấy được rằng mô hình vừa là nội dung nhận thức, vừa là phương tiện nhận thức. - Chỉ có 25% hiểu được đầy đủ vai trò của mô hình trong dạy học vật lý và trong nghiên cứu vật lý. 1.3.5.2. Thực tế sử dụng phương pháp mô hình trong dạy học vật lý Qua phiếu tìm hiểu như ở phụ lục 1, chúng ta thấy được rằng: - Chỉ một số ít giáo viên giảng dạy PPMH một cách tường minh. - Các mô hình được họ sử dụng chủ yếu vẫn là mô hình vật chất (mô hình chuyển động Braonơ, mô hình máy phát điện xoay chiều ba pha). Một số mô hình hình lý thuyết cũng đã được sử dụng nhưng còn rất hạn chế. Kết luận chương 1 32 Trên đây, chúng tôi đã trình bày những cơ sở lý luận của việc dạy học theo phương pháp mô hình. Từ những vấn đề đó, có thể rút ra một số kết luận sau đây: - Bồi dưỡng cho học sinh phương pháp nhận thức bộ môn là nhiệm vụ dạy học ở trường phổ thông. PPMH là phương pháp đặc thù của nhận thức vật lý, cần thiết phải đưa vào nội dung của dạy học vật lý. Dạy học theo PPMH sẽ nâng cao được chất lượng nắm vững kiến thức, tạo cơ sở ban đầu cho việc phát triển năng lực sáng tạo của học sinh. - Phân tích vai trò của PPMH trong sự phát triển của vật lý học và trong dạy học vật lý. - Phân tích cấu trúc của PPMH, bao gồm các hành động và thao tác tư duy, thao tác thực hành. Đưa ra được sơ đồ cấu trúc của PPMH phù hợp với năng lực nhận thức của học sinh THPT, xem đó là nội dung của PPMH cần dạy học trong trường phổ thông. - Chúng tôi đã đưa ra 5 mức độ sử dụng PPMH trong dạy học vật lý phổ thông, có thể áp dụng linh hoạt theo trình độ của học sinh. - Chứng tỏ rằng đồ thị vật lý có thể coi như một mô hình lý thuyết được sử dụng rộng rãi trong vật lý học, cần được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi với tư cách là một mô hình. 33 Chương 2 Tổ chức dạy học chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” vật lý lớp 10 Trung học phổ thông theo phương pháp mô hình 2.1. Quan điểm về phương pháp nhận thức trong xây dựng chương trình vật lý phổ thông Phương pháp, từ gốc tiếng Hy Lạp “methodos” có thể hiểu theo nghĩa chung là tập hợp những thủ pháp, những cách thức, những con đường bao gồm các thao tác thực hành hay lý thuyết để đạt đến mục đích nào đó.[19] Tuỳ thuộc vào mục đích của hành động mà phương pháp có những nghĩa hẹp khác nhau. Nếu mục đích của hành động là tìm ra những chân lý khách quan thì tập hợp các cách thức, con đường, phương tiện và các bước mà trí tuệ phải đi theo để đạt đến mục đích đó gọi là phương pháp nhận thức khoa học. 34 2.1.1. Quan điểm mô hình hoá trong nhận thức khoa học[26] Cùng với sự phát triển chung của khoa học, vật lý lượng tử và cơ học tương đối tính dẫn đến sự phải xem xét lại các nguyên tắc khoa học luận. Trước đây các nhà khoa học duy thực đã xem hoạt động khoa học như là công việc khám các định luật của tự nhiên, cũng giống như hoạt động của các nhà thám hiểm tự nhiên phát hiện được các miền đất lạ chưa ai biết. Các nhà thực chứng luận thì cũng vậy, nhưng chỉ giới hạn hoạt động này trong phạm vi xem xét các sự kiện quan sát được mà thôi. Họ chỉ tin tưởng ở những gì có thể quan sát và đo lường trực tiếp. Ngày nay với vật lý lượng tử, khi mà các định luật của cơ học cổ điển không còn có thể áp dụng được nữa cho các hạt vi mô thì cái phương cách nhìn thực tại theo các quan điểm duy thực và thực chứng đã bị đảo lộn. Các quan điểm này hạn chế khả năng của con người tiếp tục đi sâu vào nhận thức thế giới. Một đường lối tiếp cận cái mới được gợi lên từ câu nói sau đây của Albert Einstein: “Trong nỗ lực để thấu hiểu vũ trụ của chúng ta, chúng ta phần nào giống như một người cố gắng chiêm ngưỡng cái cơ cấu của một chiếc đồng hồ được che kín. Anh ta chỉ nhìn mặt đồng hồ, xem các kim chuyển động, nghe tiếng tích tắc, nhưng không có cách nào mở cái hộp đựng máy ra. Nếu anh ta là một kỹ sư, anh ta có thể hình dung một hình ảnh nào đó của cái chi phối tất cả cái mà anh ta quan sát, nhưng anh ta không bao giờ tin chắc rằng cái hình ảnh ấy là duy nhất có thể giải thích được các quan sát của mình. Anh ta sẽ không bao giờ có điều kiện đối chiếu cái hình ảnh đó với cái cơ cấu thực và thậm chí anh ta cũng không thể hình dung được cái khả năng hay cái ý nghĩa của một sự đối chiếu như thế”. Phê phán các quan điểm của chủ nghĩa quy nạp, khoa học luận hiện đại khẳng định rằng: quan sát không phải là sự ghi chụp các sự kiện một cách bàng quang, hững hờ, thụ động. Cũng như mọi hành động của con người, quan sát là có động cơ và được hoạch định bởi những cái mà người quan sát mong đợi: những cái khẳng định, những cái bác bỏ, những cái làm mất cân bằng. Sự quan 35 sát lệ thuộc vào khuôn khổ lý thuyết hướng dẫn và người quan sát, cho phép người quan sát tổ chức sự quan sát và thí nghiệm. Và ngược lại, lý thuyết khoa học được coi như những phỏng đoán hoặc giả định, cần được kiểm tra tính có thể chấp nhận được, bằng cách đối chiếu với quan sát và thí nghiệm. Khoa học được coi như một tập hợp các giả thuyết nhằm mô tả hoặc giải thích sự hoạt động của những bộ phận nhất định của thế giới. Trong khoa học hiện đại, lý thuyết khoa học là những cái được phát minh, được xây dựng, là những sản phẩm của hoạt động của con người. Kiến thức chỉ tồn tại trong tư duy, nó không phải là những cái đã có sẵn để được phát hiện, mà là cái được con người xây dựng. Chẳng hạn toán học chỉ tồn tại trong tư duy của các nhà toán học sản xuất ra nó hoặc trong tư duy của tất cả những ai hiểu toán và dùng toán. Cũng như vậy trong vật lý, mỗi kiến thức lý thuyết về thực tế khách quan là cái được con người xây dựng để biểu đạt thực tế đó. Kiến thức khoa học là một cái được xây dựng và là cái biểu trưng của thực tại. Các lý thuyết khoa học được xem như những mô hình được con người xây dựng nên để biểu đạt thực tế đó. Khái niệm “mô hình”, theo định nghĩa chung nhất của nó thì là một cái gì đó (một vật thể, một sự biểu đạt hình tượng, một phương trình...) thay thế cho cái nguyên gốc, nó cho phép thay thế cái nguyên gốc này bởi sự trung gian giúp cho dễ hiểu hơn, dễ đạt tới hơn đối với nhận thức. Quan hệ giữa mô hình với thực tế có thể hoặc là sự tương tự về hình thức bề ngoài hoặc là sự tương tự của cái cấu trúc bị che khuất, hoặc là sự tương tự chức năng, hiệu quả. Khi nói: các lý thuyết khoa học được xem như những mô hình được con người xây dựng nên để biểu đạt thực tế khách quan thì khái niệm mô hình ở đây được dùng với nghĩa “mô hình biểu trưng trừu tượng: đó là một hệ gắn bó, cấu trúc bởi các khái niệm, các khái niệm này liên hệ với nhau bởi một tập hợp các quy tắc tổ chức gọi là quy tắc cú pháp”. Mô hình được con người (nhà khoa học) xây dựng nên, sáng tạo ra. Nhưng điều đó không có nghĩa là nó có thể tuỳ tiện. Những mô hình xây dựng nên phải 36 được hợp thức hoá, nghĩa là cần kiểm tra lại để xác nhận tính có thể chấp nhận được của nó. Quá trình hợp thức hoá dựa trên các hoạt động lý thuyết và thực nghiệm trong mối quan hệ biện chứng với nhau: kết quả của sự vận hành mô hình (các thao tác tư duy: tuân theo mối liên hệ cú pháp, liên hệ lôgic) được đối chiếu với kết quả của thí nghiệm (thao tác thể chất, vật thể: tuân theo mối liên hệ thực tiễn). Mô hình chỉ được coi là hợp thức (là có hiệu lực), nếu có sự phù hợp giữa các kết quả đó (trong quá trình hợp thức hoá mô hình, từ các thí nghiệm, trong những điều kiện nhất định, lại sẽ có thể nẩy sinh những cái dị thường, cấu thành những vấn đề mới cần giải quyết và sự giải quyết những vấn đề mới này kéo theo sự vượt lên tiếp theo về lý thuyết và thực nghiệm trong một quá trình biện chứng của sự phát triển khoa học. 2.1.2. Thực nghiệm vật lý và xây dựng tri thức vật lý trong dạy học theo quan điểm khoa học luận hiện đại Khoa học luận hiện đại đã dẫn đến một quan điểm mới mẻ về quá trình giảng dạy các khoa học. Nếu như chủ nghĩa quy nạp trong dạy học tìm cách tổ chức các thí nghiệm để chứng tỏ sự hiển nhiên của các định luật thì lý luận dạy học hiện đại đòi hỏi việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học vật lý phải quán triệt luận điểm cơ bản sau đây[14]: Vật lý học cần được học tập với tính cách là một khoa học mô hình hoá. Những khái niệm được nghiên cứu trong vật lý học có được ý nghĩa của chúng từ trong hoạt động mô hình hoá. Quan sát và thực nghiệm được thực hiện trong quá trình xây dựng tri thức khoa học theo con đường biện chứng: “Đề xuất vấn đề - suy đoán giải pháp - khảo sát lý thuyết và / hoặc thực nghiệm - kiểm tra vận dụng kết quả (xem xét tính có thể chấp nhận được của các kết quả tìm được) trên cơ sở vân dụng chúng để giải thích, tiên đoán các sự kiện và xem xét sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm” (chứ không phải là đơn thuần theo con đường kinh nghiệm cảm tính, quy nạp chủ nghĩa). 37 Quá trình xây dựng tri thức như trên thể hiện mối liên hệ biện chứng giữa hành động lý thuyết và hành động thực nghiệm, giữa suy diễn và quy nạp, giữa tư duy lôgic và tư duy trực giác. Xét trên bình diện khoa học, quan sát và thí nghiệm chỉ có nghĩa trong mối liên hệ với lý thuyết. Chính lý thuyết đã cho phép tổ chức quan sát và thí nghiệm. Nhưng chính nhờ quan sát và thí nghiệm mới có cơ sở đảm bảo tính hợp thức (tính có thể chấp nhận được) của lý thuyết và là cơ sở cho sự phát triển của các thuyết khoa học mới, một khi các thuyết cũ không còn phù hợp với thực nghiệm. Dạy học vật lý phải làm sao đáp ứng được những đòi hỏi của nói trên của khoa học vật lý. Quá trình dạy học phải làm sao cho học sinh hiểu đúng đắn vật lý học, phân biệt cái mô hình và cái thực tế: các tri thức về thực tế khách quan được xem như các mô hình hợp thức được xây dựng để biểu đạt thực tế đó: quá trình nhận thức khoa học thực tế khách quan là quá trình xây dựng mô hình của thực tế khách quan và hợp thức hoá mô hình đó (kiểm tra tính có thể chấp nhận được của mô hình, nhờ đảm bảo mối liên hệ biện chứng giữa hành động lý thuyết và hành động thực nghiệm, giữa suy diễn và quy nạp). Thực nghiệm vật lý trong dạy học nếu được sử dụng trong tiến trình xây dựng tri thức đáp ứng những đòi hỏi vừa nêu thì sẽ thoát khỏi sơ đồ quy nạp chủ nghĩa cổ truyền. Nó không còn chỉ là đóng vai trò chứng tỏ sự hiển nhiên của định luật. Thực nghiệm vật lý trong mối liên hệ biện chứng với lý thuyết, có vai trò quan trọng trong tiến trình xây dựng tri thức khoa học. Tiến trình đó gồm các pha sau: a) Đề xuất vấn đề: Từ cái đã biết và nhiệm vụ cần giải quyết nảy sinh nhu cầu về một cái còn chưa biết, về một cách giải quyết không có sẵn, nhưng hy vọng có thể tìm tòi xây dựng được. b) Suy đoán giải pháp: Để giải quyết vấn đề đặt ra, suy đoán điểm xuất phát cho phép đi tìm lời giải: chọn hoặc đề xuất mô hình có thể vận hành được để đi tới cái cần tìm; hoặc phỏng đoán các biến cố thực nghiệm có thể xảy ra mà nhờ đó có thể khảo sát thực nghiệm để xây dựng cái cần tìm. 38 c) Khảo sát lý thuyết và / hoặc thực nghiệm: Vận hành mô hình (giải bài toán) rút ra kết luận lôgic về cái cần tìm và / hoặc thiết kế phương án thực nghiệm, tiến hành thực nghiệm, thu lượm các dữ liệu cần thiết và xem xét, rút ra kết luận về cái cần tìm. d) Kiểm tra vận dụng kết quả: Xem xét tính có thể chấp nhận được của các kết quả tìm đượctrên cơ sở vận dụng chúng để giải thích, tiên đoán các sự kiện và xem xét sự phù hợp của lý thuyết và thực nghiệm. Xem xét sự cách biệt giữa kết luận có được nhờ suy luận lý thuyết (mô hình hệ quả lôgic) với kết luận có được từ các dữ liệu thực nghiệm (mô hình xác nhận) để quy nạp chấp nhận kết quả tìm được khi có sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, hoặc để xét lại, bổ sung sửa đổi đối với thực nghiệm hoặc đối với sự xây dựng và vận hành mô hình xuất phát từ khi thấy chưa có sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, nhằm tiếp tục tìm tòi, xây dựng cái cần tìm. Sự đối chiếu các kết quả suy luận lý thuyết từ mô hình xuất phát và các kết quả thu được từ giá trị đo được trong thí nghiệm là sự thử nghiệm cơ bản về sự hợp thức của mô hình. Nếu không có sự phù hợp của các kết quả đó thì sẽ dẫn tới hoặc là phải xem lại điều kiện thí nghiệm, hoặc là phải xem lại sự xây dựng và vận hành mô hình xuất phát, đặc biệt là phải xem nó có tương thích với trường thực nghiệm quy chiếu hay không. Như vậy là thí nghiệm được thiết kế và tiến hành ở pha thứ ba và / hoặc thứ tứ của tiến trình xây dựng tri thức nói trên. Nhờ thí nghiệm thu được những dữ liệu cho phép xây dựng mô hình xác nhận và đối chiếu với kết quả suy luận lý thuyết (mô hình hệ quả lôgic). Một sự không ăn khớp của suy luận lý thuyết và kết quả thí nghiệm sẽ dẫn đến những sự điều chỉnh, sửa đổi cần thiết hoặc đối với mô hình, hoặc đối với thí nghiệm. Quá trình cứ diễn ra như vậy một cách biện chứng cho tới khi xây dựng được mô hình hợp thức. Trong dạy học, nếu tri thức khoa học được xây dựng như vậy sẽ hình thành ở học sinh một cách hiểu không cứng nhắc, luôn luôn kiểm tra, tìm tòi phát triển 39 tri thức, xây dựng tri thức ngày một sâu sắc hơn, mô hình sau khái quát hơn mô hình trước. Tóm lại, cần thiết phải nghiên cứu việc sử dụng thực nghiệm trong quá trình dạy học vật lý, sao cho phù hợp với khoa học luận hiện đại của vật lý: coi trọng vai trò của thực nghiệm trong tiến trình xây dựng tri thức theo quan điểm mô hình hoá, đảm bảo mối liên hệ biện chứng giữa hành động lý thuyết và hành động thực nghiệm, giữa suy diễn và quy nạp trong quá trình xây dựng tri thức khoa học. 2.1.3. Quan điểm về phương pháp nhận thức trong xây dựng chương trình vật lý phổ thông [19] Theo các nhà sư phạm, quan điểm về phương pháp nhận thức trong xây dựng chương trình vật lý phổ thông, đó là: - Phương pháp không thể tách rời nội dung, mà phải phù hợp với nội dung. Để tiếp nhận mỗi phần nội dung phải có những phương pháp đặc thù. Vì vậy, việc dạy phương pháp nhận thức khoa học nào cho học sinh cần phải được lựa chọn kỹ càng sao cho phù hợp với nội dung khoa học của phần đó. Ví dụ phương pháp thực nghiệm được sử dụng để xây dựng hầu hết các định luật cơ học thì dạy học phần cơ học là điều kiện tốt để bồi dưỡng phương pháp thực nghiệm cho học sinh. Thuyết động học phân tử được xây dựng chủ yếu bằng phương pháp mô hình thì dạy học nội dung này là điều kiện tốt để bồi dưỡng cho học sinh PPMH. - Trong nhận thức vật lý của học sinh phổ thông, có những phương pháp nhận thức đặc thù của vật lý học, đó là: Phương pháp thực nghiệm, phương pháp mô hình. Học sinh cần phải nắm được cấu trúc của phương pháp thực nghiệm, vai trò của phương pháp thực nghiệm trong sự phát triển của vật lý học. Khi học sinh nhận thức kiến thức theo phương pháp thực nghiệm, một loạt các thao tác tư duy lôgic và thực hành được luyện tập, khả năng phân tích, so sánh đối chiếu, tổng 40 hợp, trừu tượng hoá, khái quát hoá, cụ thể hoá...được bộc lộ; óc quan sát, trí xét đoán cũng như ký năng kỹ xảo thực hành thí nghiệm được rèn luyện. Về mặt giáo dục, học sinh được học tập tác phong làm việc khoa học, ngăn nắp, có kế hoạch, tính trung thực và giáo dục lòng say mê khoa học, ham tìm hiểu. Học sinh còn hiểu được các mô hình vật lý được tạo ra bằng cách nào, sử dụng chúng ra sao để giải thích các hiện tượng và quá trình vật lý, các thuyết được xây dựng trên mô hình như thế nào? Học sinh phải biết trong vật lý các kết luận khái quát được rút ra từ những luận đề khoa học riêng lẻ như thế nào và ngược lại từ những định luật vật lý tổng quát, các hệ quả được suy ra như thế nào? Học sinh phải biết làm việc với sách giáo khoa, bảng tra cứu, sách tra cứu. Có lòng yêu thích khoa học, hứng thú học tập vật lý, có ý thức vận dụng những hiểu biết về vật lý vào cuộc sống và lao động. 2.2. Vị trí, mục tiêu của chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” Trong chương trình vật lý trung học phổ thông CCGD, phần vật lý phân tử và nhiệt học gồm 5 chương. Chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” và chương “Nội năng của khí lý tưởng” được đưa vào cuối chương trình lớp 10, 3 chương còn lại được đưa vào đầu chương trình trình lớp 11 (nghiên cứu các tính chất của chất rắn và chất lỏng). Chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” - nghiên cứu các hiện tượng nhiệt về mặt hiện tượng và cơ chế có thể xem như phần mở đầu của nhiệt học. Mục tiêu chính của chương là: a) Kiến thức: Yêu cầu học sinh nắm được các kiến thức sau đây: 41 - Các khái niệm: mô hình vật lý, lượng chất, nguyên tử gam, phân tử gam, số Avôgađrô, khí lý tưởng, khí thực, độ không tuyệt đối và nhiệt độ tuyệt đối, phương trình trạng thái của khí lý tưởng, nhiệt độ. - Các định luật: Bôilơ-Mariôt, Sáclơ, Gayluyxăc. - Các mô hình: thuyết động học phân tử về cấu tạo chất, các trạng thái cấu tạo chất, khí lý tưởng. Các mô hình toán học về phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử về chất khí lý tưởng, phương trình trạng thái của khí lý tưởng. Các mô hình ký hiệu (đồ thị) biểu diễn các định luật Bôilơ-mariôt, định luật Sáclơ. - Phương pháp vật lý: sử phương pháp mô hình trong chương ở mức độ 2 và mức độ 3 đối với mô hình biểu tượng; mức độ 4 và mức độ 5 đối với mô hình ký hiệu. b) Về kỹ năng: - Kỹ năng xây dựng và vận hành mô hình vật lý: giải thích và tiên đoán các hiện tượng. - Kỹ năng thực hành thí nghiệm kiểm tra. - Kỹ năng giải một số bài tập vật lý về chất khí. c) Về thái độ: - Hứng thú với việc phát hiện ra quy luật của vô số các hiện tượng xảy một cách hoàn toàn ngẫu nhiên; bước đầu hiểu được bản chất vật lý, cơ chế của một số khái niệm, hiện tượng. - Có thái độ đúng đắn hơn đối với vai trò của lý thuyết vật lý. - Có sự thích thú khi dùng suy diễn tìm ra được một quy luật. 2.3. Nội dung, cấu trúc của chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” a) Nội dung, cấu trúc theo sách giáo khoa vật lý lớp 10 hiện hành 42 Chương này kế thừa và phát triển những kiến thức học sinh đã có ở trường Trung học cơ sở về thuyết động học phân tử, dùng thuyết này để tìm hiểu các tính chất của khí lý tưởng. Chương gồm hai nội dung chính: - Nội dung chính thứ nhất là thuyết động học phân tử. ở đây chỉ yêu cầu học sinh nắm chắc những quan điểm cơ bản của thuyết, không đưa ra phương trình cơ bản cũng như các hằng số cơ bản của thuyết. Việc dùng thuyết động học phân tử để giải thích cơ chế của các định luật thực nghiệm của chất khí không phải là nội dung chính của chương, vì không thể dùng những quan điểm cơ bản của thuyết để giải thích một cách định lượng các định luật này. - Nội dung chính thứ hai và là nội dung cơ bản nhất của chương là các định luật thực nghiệm về khí lý tưởng và phương trình trạng thái của khí lý tưởng. Để tập trung vào kiến thức cơ bản nhất của chương là phương trình trạng thái của khí lý tưởng viết theo nhiệt độ K, sách giáo khoa trình bày những nội dung trên theo cấu trúc sau đây: + Định luật Bôilơ-Mariôt. + Định luật Saclơ. + Độ không tuyệt đối và nhiệt giai Kelvin. Định luật Saclơ viết theo nhiệt độ K. + Từ định luật Bôilơ-Mariôt và Định luật Saclơ viết theo nhiệt độ K xây dựng phương trình trạng thái của khí lý tưởng viết theo nhiệt độ K. Nội dung chương coi trọng việc biểu diễn các đẳng quá trình trong hệ toạ độ p,V. Như vậy, chúng ta có thể lập grap nội dung của chương theo sách giáo khoa vật lý lớp 10 hiện hành như ở hình 3 dưới đây: Phân tử và một số thuộc tính của Các trạng thái cấu THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ VÀ CHẤT KHÍ LÝ TƯỞNG 43 Hình3: Sơ đồ cấu trúc chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” theo sách giáo khoa vật lý lớp 10 hiện hành. Theo chúng tôi, với cách sắp xếp cấu trúc nội dung như vậy sẽ rất khó khăn khi triển khai dạy học theo quan điểm (phương pháp) mô hình. b) Nội dung - cấu trúc của chương theo quan điểm mô hình Chúng tôi đã sắp xếp được nội dung và xây dựng được cấu trúc của chương “Thuyết động học phân tử và chất khía lý tưởng” theo quan điểm mô hình. Quan điểm mô hình ở tầm vĩ mô là đã xây dựng được cấu trúc của chương. Còn ở tầm vi mô thì phương pháp mô hình được sử dụng trong từng nội dung của bài học cụ thể. Nội dung cụ thể theo quan điểm mô hình như sau: - Mô hình thuyết động học phân tử về cấu tạo chất. - Mô hình khí lý tưởng. - Dựa vào hai mô hình đó, bằng suy luận lôgic suy ra hệ quả lý thuyết là mô hình phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử về chất khí lý tưởng. Từ mô hình phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử về chất khí lý tưởng, 44 chúng ta tiên đoán được mối liên hệ giữa thể tích và áp suất của chất khí khi nhiệt độ không đổi (định luật Bôilơ-Mariôt). - Mô hình phương trình trạng thái của khí lý tưởng được xây dựng dựa vào các mô hình đồ thị diễn tả định luật Bôilơ-Mariôt và định luật Sáclơ. Kết hợp mô hình này với mô hình phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử về chất khí lý tưởng, bằng suy luận lôgic chúng ta có thể hiểu được bản chất của nhiệt độ. Các định luật thực nghiệm về chất khí là bằng chứng thực nghiệm khẳng định tính chân thực của mô hình khí lý tưởng. Với nội dung kiến thức như vậy, chúng tôi đã lập grap nội dung của chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” theo quan điểm mô hình như ở hình 4 dưới đây. Định luật Saclơ THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ VÀ CHẤT KHÍ LÝ TƯỞNG Phân tử và một số thuộc tính của phân tử Các trạng thái cấu tạo chất Phương trình cơ bản của thuyết ĐHPT về chất KLT. Định luật Bôilơ-Mariôt Phương trình trạng thái của khí lý tưởng. Bản chất của nhiệt độ 45 Hình 4 : Cấu trúc lôgic nội dung chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” theo quan điểm mô hình. 2.4. Các loại mô hình sử dụng trong dạy học của chương 2.4.1. Mô hình vật chất Mô hình vật chất chỉ sử dụng ở giai đoạn thấp của quá trình nhận thức, khi cần hình thành những biểu tượng hoặc thu thập kiến thức có tính chất kinh nghiệm. Tuy ít mang lại thông tin mới khi thao tác trên mô hình nhưng trong dạy học, nhiều mô hình lại có tác dụng quan trọng làm cho học sinh hiểu được những cái không quan sát trực tiếp được. Những mô hình vật chất có thể đưa vào dạy học chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” là mô hình chuyển động Braonơ, mô hình mô phỏng các trạng thái cấu tạo chất. Do không quan sát được chuyển động của các phân tử nước va chạm vào hạt phấn hoa, lại khó hình dung tại sao hạt phần hoa lại chuyển động hỗn loạn, nên có thể đưa ra mô hình chuyển động Braonơ. Dùng các viên bi ve nhỏ được một cơ chế làm cho bắn lung hỗn loạn trong một hộp thuỷ tinh, còn hạt phấn hoa là một vật tròn lớn. Quan sát vật tròn bị các viên bi nhỏ đập vào hỗn loạn theo mọi phía, học sinh dễ dàng hiểu được cơ chế chuyển động Braonơ, do dó có thể hình dung được cấu tạo phân tử của nước (hình 5). Còn đối với các mô hình mô phỏng các trạng thái cấu tạo chất, sẽ được đưa vào khi học sinh học về thuyết động học phân Hình 5: MH chuyển động Braonơ tử và các trạng thái cấu tạo chất. Mô hình mô phỏng có tác dụng giúp học sinh có cái nhìn trực quan hơn về thuyết cấu tạo chất. 46 2.4.2. Mô hình biểu tượng Mô hình biểu tượng là loại mô hình được sử dụng phổ biến trong vật lý học nhưng rất khó. Trong chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng”, mô hình này vừa là đối tượng nhận thức của học sinh (nội dung dạy học), vừa là phương tiện nhận thức (để học sinh hình dung cấu trúc vật chất). Mô hình 1: Mô hình động học phân tử về cấu tạo chất: - Vật chất được cấu tạo từ các phân tử riêng biệt. - Các phân tử chuyển động hỗn độn không ngừng. - Các phân tử tương tác với nhau bằng các lực hút và lực đẩy phân tử. - Vận tốc trung bình của chuyển động hỗn độn của các phân tử cấu tạo nên vật chất càng lớn thì nhiệt độ của vật càng cao. Mô hình 2: Mô hình khí lý tưởng: - Chất khí được cấu tạo từ vô số các phân tử chuyển động hỗn độn cả về hướng lẫn vận tốc. - Vì thể tích riêng của các phân tử khí không đáng kể so với thể tích của bình chứa nên các phân tử khí được coi là những chất điểm có khối lượng và vận tốc của phân tử. - Vì các phân tử khí ở rất xa nhau, lực tương tác giữa chúng rất yếu. Do đó người ta coi các phân tử khí chỉ tương tác khi va chạm, còn khi chưa va chạm thì tương tác giữa chúng có thể bỏ qua. - Va chạm giữa các phân tử khí với nhau hoặc với thành bình là va chạm tuyệt đối đàn hồi. 2.4.3. Mô hình ký hiệu Mô hình ký hiệu là dạng cụ thể của mô hình lý thuyết. Đó là hệ thống những ký hiệu dùng với tư cách như mô hình: hình vẽ, sơ đồ, đồ thị, chữ cái, các công thức, các phương trình toán học. Trong chương này, các mô hình ký hiệu được sử dụng là: phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử về chất khí lý 47 tưởng, phương trình trạng thái của khí lý tưởng, các phương trình về các đẳng quá trình và đồ thị các đẳng quá trình. Đối với mô hình đồ thị, chúng ta cần tìm hiểu đặc điểm của đồ thị vật lý, cách xây dựng và sử dụng đồ thị như một mô hình. ở chương này phương pháp mô hình đồ thị được sử dụng ở các mức độ 4, 5: học sinh tự lực xây dựng và sử dụng mô hình đồ thị. 2.4.3.1. Đặc điểm của đồ thị vật lý Khái niệm đồ thị thường được chúng ta sử dụng trong toán học, đó là một đường biểu diễn một mối tương quan nhất định của hai biến số. Đối với vật lý học thì các biến số là những giá trị của các đại lượng vật lý khác nhau. Nhưng từ lâu nay trong dạy học vật lý người ta quen sử dụng đồ thị như một dạng tương đương của một công thức, một phương trình toán học, suy ra từ một công thức hay một phương trình, ít khi sử dụng đồ thị như một mô hình độc lập. Đồ thị không những không kém phần quan trọng hơn các công thức toán học mà trong thực tế nghiên cứu khoa học vật lý, nhiều khi người ta xây dựng đồ thị trước rồi sau đó mới tìm công thức toán học tương ứng. Mô hình đồ thị nhiều khi dễ sử dụng, trực quan hơn các công thức, phương trình, nhất là trong nghiên cứu thực nghiệm. Có những trường hợp dựa vào các số liệu thực nghiệm người ta xây dựng được đồ thị biểu diễn một mối quan hệ nào đó nhưng chưa đưa ra được một công thức biểu diễn mối quan hệ đó được vì quá phức tạp. Trong đời sống hiện nay, có rất nhiều lĩnh vực hoạt động người ta cũng sử dụng đồ thị, thí dụ đồ thị biểu diễn hành trình của một đoàn xe lửa, đồ thị biểu diễn sự phát triển dân số, sự tăng trưởng thu nhập quốc dân hằng năm v.v... Riêng trong vật lý ngoài chức năng biểu diễn trực quan một mối quan hệ, đồ thị còn có chức năng dự đoán, ngoại suy những kết quả ở ngoài vùng khảo sát thực nghiệm, thí dụ dựa vào đồ thị (p,t) của khí lý tưởng có thể dự đoán nhiệt độ -2730c là nhiệt độ thấp nhất có thể đạt được gọi là độ không tuyệt đối. Mô hình đồ thị vật lý có những đặc điểm sau đây: 48 1. Đồ thị biểu diễn một mối quan hệ định lượng giữa hai hay nhiều đại lượng từ đơn giản đến phức tạp. Bởi thế mô hình đồ thị là một phương tiện rất quan trọng được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả hơn tất cả các phương tiện khác trong chức năng này. 2. Những đồ thị xây dựng trên các dữ liệu thực nghiệm có thể giúp ta hình dung được sự phụ thuộc lẫn nhau của các đại lượng trong những quá trình biến đổi rất phức tạp. Trong nhiều trường hợp nhờ đồ thị ta có thể tìm ra những công thức đơn giản ứng với một giai đoạn nhất định của quá trình biến đổi rất phức tạp. 3. Đồ thị được xây dựng dựa trên các số liệu của một phạm vi thực nghiệm, nhưng có thể dựa vào dạng của đồ thị mà dự đoán về mối quan hệ ngoài phạm vi đã được khảo sát, thu được những thông tin mới. 4. Trên đồ thị biểu diễn tường minh mối quan hệ giữa hai đại lượng vật lý, nhưng cũng có thể suy ra đại lượng thứ ba dưới dạng ẩn đang có liên quan đến hai đại lượng trên. Thí dụ trên đồ thị (p,V) của một lượng khí lý tưởng, số đo công do khí sinh ra khi biến đổi thể tích có thể được biểu diễn trên chính đồ thị đó bằng số đo diện tích giới hạn bởi đồ thị và 2 trục. 5. Đồ thị thực nghiệm là một mô hình gần đúng trong một phạm vi sai số xác định với những số liệu quan sát càng chính xác, tinh vi thì mô hình đồ thị càng phản ánh đúng hơn mối quan hệ khách quan. 6. Cùng một mối quan hệ, một quá trình có thể được biểu diễn bằng nhiều đồ thị khác nhau. Những đồ thị đó là tương đương và có thể suy từ đồ thị này ra đồ thị kia. Thí dụ để biểu diễn mối quan hệ giữa thể tích và áp suất của một lượng khí không đổi có thể biểu diễn bằng đồ thị (p,V) hay đồ thị (pV,p) như ở hình 6 và hình 7 dưới đây: p pV 0 V 0 p 49 7. Đồ thị có thể được xây dựng dựa trên một định nghĩa chặt chẽ dưới dạng toán học hoặc dựa vào các số liệu thực nghiệm. Trường hợp được xây dựng dựa trên một công thức định nghĩa toán học thì nó là một phương tiện biểu diễn tương đương cũng hoàn toàn chính xác như định nghĩa. Còn nếu được xây dựng trên số liệu thực nghiệm thì có tính chất là mô hình giả thuyết cần phải được hoàn thiện dần bằng các số liệu bổ sung đảm bảo tính liên tục của đồ thị. 8. Trong nhiều trường hợp một đồ thị thực nghiệm có thể được biểu diễn bằng một công thức, một phương trình toán học tương đương. Trong trường hợp ấy, người ta có thể phối hợp cả hai để thu được thông tin mới. 2.4.3.2. Xây dựng và sử dụng mô hình đồ thị Chúng ta có thể vận dụng 4 giai đoạn chung của phương pháp mô hình để xây dựng và sử dụng đồ thị như một mô hình với những mức độ cao như mức độ 4 và mức độ 5 ở phần trên. Giai đoạn 1: Lựa chon sự kiện khởi đầu, đề xuất vấn đề nghiên cứu. Đối với mô hình đồ thị có thể có hai loại sự kiện khởi đầu: a) Sự kiện thực nghiệm: Đưa ra một số hiện tượng vật lý để học sinh phát hiện ra có mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý biểu thị tính chất của sự vật, hiện tượng, nhưng chưa biết rõ và cần thiết phải nghiên cứu. Tổ chức một số quan sát hoặc đo lường để thu thập thêm số liệu để xây dựng mô hình. Lập một bảng số. b) Sự kiện xuất phát từ lôgic nội dung vấn đề nghiên cứu, cần phải xây dựng mô hình mới để dựa vào đó giải quyết nhiệm vụ học tập. 50 Giai đoạn 2: Xây dựng mô hình Trường hợp xuất phát từ thực nghiệm thì ta lần lượt biểu diễn các cặp giá trị tương ứng của hai đại lượng có liên quan bằng một điểm trên đồ thị. ở các lớp trên thì biểu diễn cả sai số của phép đo, nghĩa là một cặp giá trị không phải biểu diễn bằng một điểm mà là một hình chữ nhật có 2 cạnh biểu diễn 2 sai số yx  , . Nối các điểm đó với nhau ta được một đường gấp khúc. Nhưng vì sự biến đổi của các đại lượng là liên tục nên không thể vẽ một đường gấp khúc mà phải vẽ một đường liên tục đi qua gần đa số các điểm hay nói đúng hơn là đi qua các hình chữ nhật biểu diễn các sai số. Thông thường những đường đó là những đường đơn giản( thẳng, tròn, parabol, hyperbol, hình sin...).Nếu bảng số liệu dữ kiện càng nhiều thì đồ thị càng chính xác. Thí dụ khi nối các điểm biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ của một lượng khí có thể tích không đổi, ta vẽ được đồ thị như hình 8 dưới đây mà ta có thể giải thích đó là một đường thẳng. Giai đoạn 3: Hệ quả suy từ mô hình Từ đồ thị trên có thể chọn một giá trị bất kỳ của nhiệt độ và suy ra áp suất tương ứng. Thí dụ có thể kéo dài đồ thị cho đến khi gặp trục tung OP và suy ra rằng ở 00c lượng khí đã cho có áp suất p0. 0 20 40 60 80 100 t0C Hình 8 p(mmHg) P0 51 Giai đoạn 4: Thực hiện thí nghiệm kiểm tra: Các phép đo cho thấy các số liệu dự đoán đều khớp với thực nghiệm trong phạm vi sai số. Đến đây tính đúng đắn của mô hình đã được khẳng định. Sau đó có thể mở rộng phạm vi ứng dụng của mô hình. Sau khi đã khẳng định đồ thị là một đường thẳng ta có thể diễn tả nó bằng một phương trình toán học tương đương để tiện sử dụng: p=p0+kt. Đối chiếu các số liệu trên đồ thị rút ra k=p0/273 và ta có: p=p0+p0t/273 = p0(1+ t). Việc mở rộng phạm vi ứng dụng của mô hình dẫn đến dự đoán quan trọng: kéo dài đồ thị, cắt trục hoành ở điểm có tọa độ (pt= 0, t=-2730c) kết hợp với lập luận lôgic suy ra không thể đạt đến nhiệt độ thấp hơn-2730c. Dự đoán này thực sự là một phát hiện lớn rất quan trọng trong vật lý học. 2.4.3.3. Phương pháp sử dụng đồ thị như một mô hình Phương pháp sử dụng đồ thị như một mô hình ở dây thực chất không khác gì phương pháp đồ thị mà ta vẫn quen dùng. Sự khác nhau chủ yếu ở những khía cạnh mà ta muốn nhấn mạnh. a) Trong phương pháp đồ thị ta chú ý đến mối quan hệ hàm số đã được xác lập rõ ràng, chính xác giữa hai đại lượng vật lý. Trong phương pháp mô hình - đồ thị, chúng tôi nhấn mạnh đến chức năng mô tả sự diễn biến một quá trình bằng đồ thị. b) Muốn khai thác đồ thị như một mô hình thì ta phải cung cấp đầy đủ thông tin về mô hình để có thể vận hành được nó. 2.5.Thiết kế một số giáo án sử dụng phương pháp mô hình Giáo án 1: Đ79 Phân tử và một số thuộc tính của phân tử A.Mục tiêu 52 a) Về kiến thức: - Học sinh hiểu được cấu trúc vật chất qua việc nhận biết, ghi nhớ các mệnh đề của thuyết động học phân tử (mô hình cấu tạo chất). - Biết về khái niệm mô hình. - Biết được cỡ kích thước và khối lượng của phân tử. - Hiểu khái niệm lượng chất, phân tử gam, nguyên tử gam và số Avôgađrô. b) Về kỹ năng: - Có kỹ năng vận dụng mô hình để giải thích và tiên đoán được một số hiện tượng vật lý - Làm được một số thí nghiệm đơn giản kiểm tra tính chân thực của mô hình cấu tạo chất. Chuẩn bị: + ảnh chụp kính hiển vi điện tử và ảnh chụp một số phân tử bằng kính hiển vi điện tử. + Phần mềm mô hình mô phỏng các trạng thái cấu tạo chất (mô hình truyền nhiệt, dẫn nhiệt, đối lưu...), mô hình chuyển động Braonơ. B.Tiến trình giảng dạy Đặt vấn đề: Con người luôn khát khao tìm hiểu, giải thích và cải tạo thế giới. Có hai hướng để nghiên cứu tìm hiểu: - Hướng thứ nhất là vươn thật xa vào vũ trụ để hiểu vũ trụ rộng lớn đến mức nào và gồm những gì. Đi theo hướng này gồm các nghành: thiên văn học, thám hiểm vũ trụ... - Hướng thứ hai đi thật sâu vào cấu tạo của vật chất. Vật chất được cấu tạo như thế nào? Ví dụ đập vỡ quả núi được hòn đá, đập vỡ hòn đá được viên đá nhỏ hơn...cứ tiếp tục nghiền nhỏ đến mức cuối cùng ta thu được gì? các em có muốn trả lời câu hỏi trên không? Một câu hỏi nữa khá thú vị: nhiệt là gì? cốc nước sôi và cốc nước mát về mặt vật lý khác nhau ở điểm nào? 53 Những câu hỏi thú vị đó các em sẽ tìm được câu trả lời khi chúng ta học chương “Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng” Chương X. Thuyết động học phân tử và chất khí lý tưởng Đ79. Phân tử và một số thuộc tính của phân tử Thuyết động học phân tử về cấu tạo chất GV: - Các nhà bác học thời kỳ cổ đại đã có những quan điểm rất khác nhau về cấu tạo vật chất. Tuy nhiên có thể sắp xếp những quan điểm này theo hai nhóm đối lập nhau: vật chất được cấu tạo một cách liên tục từ một số chất cơ bản và vật chất được cấu tạo một cách gián đoạn từ các hạt. Ngay từ thời kỳ cổ đại, người ta đã biết những biểu hiện đơn giản của tác dụng nhiệt như sự bay hơi, sôi, nóng chảy, đông đặc...Tuy nhiên những cố gắng nhằm giải thích các hiện tượng này đã không đem lại kết quả nào đáng kể. Chỉ đến thế ký 17 khi đã chế tạo và hoàn thiện được nhiệt kế, nhờ đó có thể khảo sát một cách định lượng nhiều hiện tượng về nhiệt, vấn đề của nhiệt trở thành cấp thiết đối với các nhà khoa học thời bấy giờ. Có hai quan điểm đối lập nhau về bản chất của nhiệt: nhiệt là một chất lỏng đặc biệt và nhiệt là kết quả chuyển động của các hạt vật chất. Trong các quan điểm nêu trên, quan điểm nào đúng? để lựa chọn quan điểm đúng, các em hãy nhớ lại ở cấp 2, các em đã được học về cấu tạo chất. Vật chất được cấu tạo như thế nào mà: - Khi lăn viên phấn qua giọt mực, giọt mực bị thấm vào viên phấn. ? - Bỏ nhẹ nhàng một ít thuốc tím và cốc nước, thuốc tím tan ra và loang vào cốc nước. Nếu cốc nước càng nóng thì sự loang ra càng nhanh hơn ? - Tại sao có sự dính ớt các chất lỏng của vật rắn? -Tại sao các chất khí lại gây ra áp suất lên thành bình chứa? HS: - Vật chất được cấu tạo từ các phân tử riêng biệt. - Các phân tử chuyển động hỗn độn không ngừng. 54 - Các phân tử tương tác với nhau bằng các lực hút và lực đẩy phân tử. - Vận tốc trung bình của chuyển động hỗn độn của các phân tử cấu tạo nên vật chất càng lớn thì nhiệt độ của vật càng cao. GV: Đó chính là nội dung của thuyết động học phân tử về cấu tạo chất (còn gọi đó là mô hình cấu trúc vật chất). Để hiểu mô hình là gì, chúng ta có thể hình dung như sau: ta được tăng một gói quà. Muốn biết bên trong có gì, ta mở gói quà ra. Song người tặng quà có ý tinh nghịch, lại gói quà trong một hộp nhỏ hơn nữa. Ta lại tiếp tục mở và thấy bên trong là một hộp nhỏ hơn nữa...Ta hình dung thế giới vật chất như người tặng quà tinh nghịch, giấu cấu trúc của mình trong một hộp nhỏ tới mức ta không thể nào mở ra được nữa. Để biết cấu trúc vật chất như thế nào người ta phải dùng một cái gì đó tương tự dể mô tả. Cái tương tự đó là mô hình. Đọc 4 mệnh đề thuyết động học phân tử ta hiểu vật chất được cấu tạo như thế nào. Vậy 4 mệnh đề của thuyết là mô hình cấu trúc vật chất. Mô hình này cho biết các hạt vật chất (phân tử) luôn chuyển động hỗn độn nên gọi là mô hình động học. Trước đó, Bôilơ đã đưa ra mô hình tĩnh học về cấu tạo chất. Theo ông, chúng được cấu tạo từ những hạt vật chất hình cầu, đứng yên và đàn hồi như cao su. Mô hình này giải thích được vì sao khi bị nén áp suất của chất khí lại tăng lên. Tuy nhiên không thể dùng mô hình này để giải thích hàng loạt các hiện tượng khác về chất khí. Ví dụ mở nút của một bình đựng khí thì chất khí có thể tự giãn nở, chiếm một khoảng không gian rất rộng trong thời gian rất ngắn; không cần giảm thể tích, chỉ cần tăng nhiệt độ thì áp suất của chất khí cũng tăng lên...Vì vậy mô hình tĩnh học bị loại bỏ và thay bằng mô hình động học phân tử. Mô hình động học phân tử về cấu tạo chất được coi là phản ánh đúng cấu trúc vật chất nếu nó giải thích được những hiện tượng đã biết và tiên đoán những hiện tượng chưa biết khác mà sau này thực nghiệm mới tìm ra. Chừng nào thực nghiệm mâu thuẫn với mô hình thì khi đó mô hình phải điều chỉnh, hoặc thay thế hoàn toàn bằng mô hình mới. 55 Với mô hình trên, chúng ta cần phân biệt khái niệm vận tốc trung bình dùng trong cơ học với khái niệm vận tốc trung bình dùng trong vật lý phân tử. Vận tốc trung bình ở đây được hiểu là trung bình cộng của độ lớn của vận tốc các phân tử. - GV cho HS tranh luận để giải thích được: Tại sao lăn viên phấn qua giọt mực, giọt mực bị thấm vào phấn (mệnh đề1); bỏ nhẹ nhàng một ít thuốc tím vào nước, thuốc tím tan ra và loang dần vào nước, nếu cốc nước nóng hơn thì sự loang ra nhanh chóng hơn (mệnh đề 2); hiện tượng dính ướt các chất lỏng của vật rắn (mệnh đề 3). Cũng từ mô hình đó, chúng ta có thể tiên đoán được cơ chế của hiện tượng áp suất (mệnh đề 4). HS xem mô hình mô phỏng các trạng thái cấu tạo chất được thực hiện trên máy vi tính (hình 9) và mô hình chuyển động Braonơ (Hình 5). Hình 9: MH mô phỏng các trạng thái cấu tạo chất (được thực hiện trên máy vi tính) - GV: Vật chất được cấu tạo từ các phân tử riêng biệt, vậy kích thước của các phân tử đó bằng bao nhiêu?- thực nghiệm đã bắt được phân tử, chụp ảnh được phân tử, đo được khối lượng và kích thước của phân tử. Chúng ta xem xét các bằng chứng thực nghiệm của mô hình động học phân tử về cấu tạo chất. 2.Kích thước và khối lượng phân tử [15] GV cho HS xem ảnh chụp kính hiển vi điện tử và ảnh chụp một số phân tử bằng kính hiển vi điện tử. 56 - Phân tử các chất khác nhau có kích thước khác nhau nhưng đều vào cỡ 10-10m. Chẳng hạn, nếu coi phân tử như những quả cầu thì bán kính phân tử nước vào khoảng: r 02H 1,9.10 -10m. - Nhà bác học Peranh người Pháp (1870-1942) là người đầu tiên xác định được khối lượng của phân tử. + Khối lượng một phân tử ôxi có độ lớn: m 20 5,3.10-26kg. + Khối lượng một phân tử nước có độ lớn: m 02H 3,0.10 -26kg . GV: Sau đây là một số thí dụ để minh hoạ cho kích thước và khối lượng phân tử. Nếu xếp 100 triệu phân tử hyđrô nối tiếp nhau thì cũng chỉ được một hàng dài chưa đầy vài cm. Nếu tưởng tượng mỗi vật đều lớn lên một triệu lần, nghĩa là con muỗi trở thành một sinh vật khổng lồ cao 10km thì kích thước của mỗi phân tử trong con muỗi cũng không lớn hơn một dấu chấm. Vì kích thước của các phân tử rất nhỏ nên số phân tử có trong vật rất lớn. Số phân tử có trong một giọt nước gấp hàng tỉ lần số người đang sống trên Trái Đất. Nếu lấy số gạch bắng số phân tử chứa trong 1cm3 không khí ở điều kiện thường để phủ kín Trái Đất thì chiều cao của lớp gạch này lên tới 120m. Hoặc để hình dung kích thước và khối lượng của phân tử nhỏ bé như thế nào, ta có thể dùng hình ảnh sau đây: Kích thước và khối lượng của quả cam so với kích thước và khối lượng Trái Đất như thế nào thì kích thước và khối lượng phân tử so với khích thước và khối lượng quả cam như thế. -GV: Một bằng chứng thực nghiệm nữa khẳng định sự đúng đắn của mô hình thuyết động học phân tử về cấu tạo chất, đó là sự phát hiện ra số Avôgađrô. Avôgađrô (1766-1856), nhà bác học người Italia. 3.Lượng chất và mol-Số Avôgađrô [15]. a) Lượng chất và mol: 57 GV: Lượng chất là một trong 7 đại lượng vật lý cơ bản của hệ thống đo lường quốc tế (SI). Sáu đại lượng cơ bản của vật lý là: chiều dài (đơn vị m), khối lượng (đơn vị kg), thời gian (đơn vị giây), cường độ dòng điện (đơn vị ampe), nhiệt độ (đơn vị kelvin), cường độ ánh sáng (đơn vị candela). Đại lượng thứ 7 mới đưa vào là lượng chất (đơn vị mol). Lượng chất chứa trong một vật được xác định theo số phân tử hay nguyên tử chứa trong vật ấy. Mol của một chất nào đó là lượng chất của 6,02.1023 hạt (nguyên tử, phân tử) chất đó. GV: các em hãy lấy một số ví dụ về mol của một số chất và khối lượng của 1 mol chất đó. HS: lấy các ví dụ như trong SGK. b) Số Avôgađrô. Số 6,02.1023 hạt chứa trong một mol chất gọi là số Avôgađrô, và được ký hiệu là: NA=6,02.1023mol-1. Đó là số nguyên tử chứa trong 12 gam các bon 12, được lấy làm chuẩn về lượng chất. GV: Bằng chứng thực nghiệm: năm 1908, nhà bác học Peranh đã tiến hành nhiều thí nghiệm đo số Avôgađrô đều thu được những giá trị về số Avôgađrô phù hợp với nhau trong phạm vi sai số. Cho đến nay, người ta đã đưa ra hàng chục phép xác định khác. Một phương pháp được xem là chính xác và nhanh nhất, đó là phương pháp liên hệ số Avôgađrô với các hằng số đặc trưng của cấu trúc tinh thể, các hằng số này có thể xác định một cách rất chính xác bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên tinh thể: dka nMN A3 Trong đó: n là số phân tử chứa trong ô tinh thể. 58 MA là nguyên tử gam của nguyên tố được đo. k là hằng số mạng (phụ thuộc dạng ô tinh thể). a là cạnh (hằng số mạng). d là tỉ trọng của tinh thể. GV: nhờ có số này mà người ta có thể xác định được khối lượng và kích cỡ phân tử làm cho phân tử từ chỗ là một giả thuyết đã trở thành một thực thể vật lý có những thuộc tính xác định. C. Củng cố kiến thức, bài tập về nhà GV cho HS nhắc lại các nội dung của mô hình thuyết động học phân tử về cấu tạo chất. Mô hình có các chức năng: mô tả sự vật, hiện tượng; giải thích các sự kiện và hiện tượng có liên quan đến đối tượng; tiên đoán những sự kiện và hiện tượng mới. HS giải thích và tiên đoán: - Sự khác nhau giữa 3 thể rắn, lỏng, khí. - Cơ chế của áp suất chất khí. - Tiên đoán các tính chất của áp suất chất khí. Nêu các thí dụ chứng tỏ sự đúng đắn của các tính chất được tiên đoán. Nhắc lại nội dung 3. Bài tập về nhà: Trả lời các câu hỏi và làm bài tập thuộc SGK. Giáo án 3: Đ81 Phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử về chất khí lý tưởng. Định luật Bôilơ-Mariôt A.Mục tiêu a)Về kiến thức 59 - Viết được phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử về chất khí lý tưởng và nêu được ý nghĩa vật lý của các đại lượng có trong phương trình. - Tìm được mối liên hệ giữa phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử về chất khí lý tưởng và phương trình định luật Bôilơ - Mariôt. b)Về kỹ năng -Vận dụng được cơ học Newton và quy luật thống kê vào mô hình khí lý tưởng để xây dựng phương trình cơ bản của thuyết động học phân tử về chất khí lý tưởng. - Kỹ năng vận hành mô hình phương trình trạng thái của khí lý tưởng, suy ra hệ quả lôgic là phương trình định luật Bôilơ-Mrriôt. B.Tiến trình giảng dạy I. Kiểm tra bài cũ GV: - Vật chất được cấu tạo như thế nào? - Vì sao chất khí lại gây áp suất lên thành bình? HS: - Vật chất được cấu tạo từ các phân tử riêng biệt. - Các phân tử chuyển động hỗn độn không ngừng. - Các phân tử tương tác với nhau bằng các lực hút và lực đẩy phân tử. - Vận tốc trung bình của chuyển động hỗn độn của các phân tử cấu tạo nên vật chất càng lớn thì nhiệt độ củ