Luận văn Xây dựng tiến trình dạy học một số kiến thức chương "cảm ứng điện từ" vật lí 11 nâng cao theo các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm nhằm phát huy tính tích cực, tự chủ, bồi dưỡng năng lực sáng tạo của học sinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Chu Thị Trà XÂY DỰNG TIẾN TRÌNH DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG "CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ" VẬT LÍ 11 NÂNG CAO THEO CÁC GIAI ĐOẠN CỦA PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NHẰM PHÁT HUY TÍNH TÍCH CỰC, TỰ CHỦ, BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC SÁNG TẠO CỦA HỌC SINH LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC Thành phố Hồ Chí Minh – 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Chu Thị Trà XÂY DỰNG TIẾN TRÌNH DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG "CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ" VẬT LÍ 11 NÂNG CAO THEO CÁC GIAI ĐOẠN CỦA PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NHẰM PHÁT HUY TÍNH TÍCH CỰC, TỰ CHỦ, BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC SÁNG TẠO CỦA HỌC SINH Chuyên ngành : Lý luận và phương pháp dạy học môn Vật lý Mã số : 60 1410 LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGÔ DIỆU NGA Thành phố Hồ Chí Minh – 2009 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn, tôi luôn nhận được sự giúp đỡ tận tình quý báu của quý Thầy Cô giáo, bạn bè và gia đình. Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến: - TS. Ngô Diệu Nga, người hướng dẫn khoa học, đã tận tình giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. - Ban Giám Hiệu trường Đại học Sư phạm Tp. HCM, Phòng Khoa học Công nghệ & Sau Đại học, Khoa Vật Lí, quý Thầy Cô giáo đã tận tình giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. - Ban Giám Hiệu, quý Thầy Cô giáo tổ Vật Lý trường THPT MĐC, Tp. HCM đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình thực nghiệm sư phạm. - Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè thân hữu đã dành tình cảm, động viên và giúp đỡ tôi học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận văn này. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 08 năm 2009 Tác giả luận văn Chu Thị Trà MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Mục lục Danh mục các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 Chương 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Cấu trúc và nhiệm vụ của quá trình dạy học ..................................................... 5 1.2 Bản chất của học và chức năng của dạy............................................................ 7 1.3 Phát huy tính tích cực, tự chủ và bồi dưỡng năng lực sáng tạo của HS............ 9 1.4 PPTN trong nghiên cứu khoa học và trong nghiên cứu vật lý ........................ 17 1.5 Sử dụng PPTN trong dạy học vật lý................................................................ 20 1.6 Thiết kế phương án dạy học ............................................................................ 27 1.7 Thực tiễn dạy học chương “Cảm ứng điện từ” ở một số trường THPT thành phố Hồ Chí Minh........................................................................ 32 Chương 2: XÂY DỰNG TIẾN TRÌNH DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC THUỘC CHƯƠNG “CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ” LỚP 11 THPT THEO CÁC GIAI ĐOẠN CỦA PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NHẰM PHÁT HUY TÍNH TÍCH CỰC, TỰ CHỦ, BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC SÁNG TẠO CỦA HỌC SINH 2.1 Đặc điểm của chương “Cảm ứng điện từ” ...................................................... 36 2.1.1 Đặc điểm chung của chương “Cảm ứng điện từ” ................................. 36 2.1.2 Phân phối chương trình chương “Cảm ứng điện từ” ở lớp 11 THPT... 37 2.1.3 Đặc điểm phương pháp dạy học ........................................................... 37 2.2 Cấu trúc logic nội dung các kiến thức chương “Cảm ứng điện từ” ................ 38 2.2.1 Vị trí chương “Cảm ứng điện từ” trong chương trình vật lý phổ thông ......................................................................................................38 2.2.2 Sơ đồ logic trình bày các kiến thức trong chương “Cảm ứng điện từ” ..................................................................................................39 2.2.3 Sơ đồ phát triển mạch kiến thức chương “Cảm ứng điện từ”............... 41 2.3 Mục tiêu cần đạt được khi dạy chương “Cảm ứng điện từ.”........................... 42 2.4 Thiết kế phương án dạy học các bài học cụ thể .............................................. 44 Chương 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 3.1 Mục đích và nhiệm vụ của TNSP.................................................................. 104 3.2 Đối tượng TNSP............................................................................................ 104 3.3 Phương pháp TNSP....................................................................................... 104 3.4 Thời điểm TNSP............................................................................................ 105 3.5 Phân tích và đánh giá kết quả TNSP ............................................................. 105 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 139 PHỤ LỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN ĐC Đối chứng GV Giáo viên HĐNT Hoạt động nhận thức HS Học sinh NXB Nhà xuất bản PPTN Phương pháp thực nghiệm SGK Sách giáo khoa STT Số thứ tự THPT Trung học phổ thông TN Thực nghiệm TNSP Thực nghiệm sư phạm TS Tiến sĩ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Bảng phân phối tần số điểm số Xi ........................................................ 130 Bảng 3.2: Bảng phân phối tần suất điểm số Xi ...................................................... 131 Bảng 3.3: Bảng phân phối tần suất lũy tích .......................................................... 132 Bảng 3.4: Các thông số thống kê .......................................................................... 133 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 3.1 .......................................................................................................... 107 Hình 3.2 .......................................................................................................... 111 Hình 3.3 .......................................................................................................... 116 Hình 3.4 .......................................................................................................... 116 Hình 3.5 .......................................................................................................... 117 Hình 3.6 .......................................................................................................... 117 Hình 3.7 .......................................................................................................... 117 Hình 3.8 .......................................................................................................... 118 Hình 3.9 .......................................................................................................... 118 Hình 3.10 .......................................................................................................... 119 Hình 3.11 .......................................................................................................... 119 Hình 3.12 .......................................................................................................... 120 Hình 3.13 .......................................................................................................... 120 Hình 3.14 .......................................................................................................... 121 Hình 3.15 .......................................................................................................... 121 Hình 3.16 .......................................................................................................... 121 Hình 3.17 .......................................................................................................... 121 Hình 3.18 .......................................................................................................... 121 Hình 3.19 .......................................................................................................... 126 Hình 3.20 .......................................................................................................... 126 Hình 3.21 .......................................................................................................... 128 Biểu đồ 3.1a : Đồ thị tần số điểm số Xi ................................................................. 130 Biểu đồ 3.1b : Đường phân phối tần số điểm số Xi ............................................... 130 Biểu đồ 3.2 : Đường phân phối tần suất ............................................................. 131 Biểu đồ 3.3 : Đường phân phối tần suất lũy tích ................................................. 132 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài và tổng quan vấn đề nghiên cứu Sang thế kỉ XXI, thế giới bước vào thời kì khoa học công nghệ hậu công nghiệp, thời kì kinh tế tri thức, thương mại điện tử, chính phủ điện tử… cùng nhiều vấn đề có tính toàn cầu: chiến tranh, vũ khí hạt nhân, bảo vệ môi trường… Xã hội loài người phát triển vượt bậc bằng tư duy sáng tạo, tài năng, chất xám của con người. Trong khi đó, Việt Nam vẫn là một nước đang phát triển với nền kinh tế nông nghiệp. Để có thể bắt nhịp sự phát triển chung của thế giới, nhân tố quyết định thắng lợi của công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập quốc tế là con người, là nguồn nhân lực Việt Nam được phát triển về số lượng và chất lượng trên cơ sở mặt bằng dân trí được nâng cao. Đó là những con người năng động, sáng tạo, biết học hỏi và áp dụng sáng tạo tinh hoa văn hóa nhân loại, biết tìm ra lối đi riêng phù hợp hoàn cảnh cụ thể của dân tộc; đó phải là những con người sản phẩm của nền giáo dục mới [4]. Trước những yêu cầu của thời đại đòi hỏi ngành giáo dục phải thực hiện đổi mới chương trình giáo dục phổ thông một cách đồng bộ từ mục tiêu, nội dung, phương pháp, phương tiện đến cách thức đánh giá kết quả dạy học, trong đó khâu đột phá là đổi mới phương pháp dạy học. Nhà trường phổ thông không chỉ trang bị cho HS những kiến thức, kĩ năng loài người đã tích lũy được mà còn phải bồi dưỡng cho HS năng lực sáng tạo ra tri thức mới, cách giải quyết vấn đề mới trong học tập. Điều 28, mục 2 luật Giáo dục 2005 đã ghi “phương pháp giáo dục phổ thông phải phát huy tính tích cực, tự giác, chủ động, sáng tạo…” [40]. Chương trình giáo dục phổ thông ban hành kèm theo quyết định số 16 / 2006 / QĐ – BGDĐT ngày 5/5/2006 của bộ trưởng Bộ Giáo dục và Đào tạo cũng đã nêu: “Phải phát huy tính tích cực, tự giác, chủ động, sáng tạo của HS; phù hợp với đặc trưng môn học, đặc điểm đối tượng HS, điều kiện từng lớp học; bồi dưỡng cho HS phương pháp tự học, khả năng hợp tác; rèn luyện kĩ năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn; tác động đến tình cảm, đem lại niềm vui, hứng thú và trách nhiệm học tập cho HS” [5], [6]. Vấn đề phát triển năng lực sáng tạo của HS được nhiều nhà khoa học giáo dục trên thế giới đề cập đến từ rất lâu. Trong quá trình tìm tòi phương pháp dạy học nhằm phát triển năng lực sáng tạo của HS nhiều nhà khoa học sư phạm đã đề xuất: muốn phát huy tính tích cực, phát triển năng lực sáng tạo của HS thì tốt hơn hết là tổ chức cho HS hoạt động học tập theo con đường nhận thức sáng tạo của các nhà khoa học. Đối với vật lí học, một trong những phương pháp đặc trưng cơ bản là phương pháp thực nghiệm [22], [28]. Ở nước ta, trong vài năm gần đây đã có nhiều công trình, đề tài, luận văn nghiên cứu các phương pháp dạy học nhằm phát huy tính tích cực, chủ động. Tuy nhiên, dạy học để rèn luyện, phát triển năng lực sáng tạo cho HS là vấn đề mới và còn nhiều khó khăn. Trong chương trình vật lí 11 THPT, chương "Cảm ứng điện từ" là chương mà các nội dung kiến thức chủ yếu được xây dựng từ thực nghiệm. Khi dạy học nhiều nội dung kiến thức chương này ta có thể phân chia theo các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm – phương pháp nhận thức quan trọng của vật lí. Việc dạy học phỏng theo các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm không những giúp HS kiến tạo được các kiến thức vật lí bằng chính hoạt động của bản thân mà còn có thể giúp HS phát triển, rèn luyện năng lực sáng tạo dựa trên vốn kiến thức và kinh nghiệm của mình. Qua tìm hiểu thực tế dạy học vật lí 11 ở trường phổ thông nói chung, chương "Cảm ứng điện từ" chưa được GV áp dụng phương pháp dạy học trong đó có sự vận dụng phương pháp nhận thức khoa học vào dạy học. Trong khi đó, dạy học theo các giai đoạn của một phương pháp nhận thức khoa học nào đó để HS được đóng vai trò nhà khoa học là biện pháp hữu hiệu để rèn luyện, phát triển năng lực sáng tạo của HS [22]. Với những lí do trên, chúng tôi chọn vấn đề “Xây dựng tiến trình dạy học một số kiến thức chương "Cảm ứng điện từ" vật lí 11 theo các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm nhằm phát huy tính tích cực, tự chủ, bồi dưỡng năng lực sáng tạo của HS ” làm đề tài nghiên cứu của mình. 2. Đối tượng nghiên cứu - Phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu khoa học và trong dạy học vật lí. - Hoạt động dạy học chương "Cảm ứng điện từ" lớp 11 THPT. 3. Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu phương pháp tổ chức hoạt động nhận thức cho HS theo phương pháp thực nghiệm để thiết kế tiến trình dạy học chương "Cảm ứng điện từ" vật lí 11 THPT, nhằm phát huy tính tích cực, tự chủ, bồi dưỡng năng lực sáng tạo của HS ở một số trường THPT tại thành phố Hồ Chí Minh. 4. Mục đích nghiên cứu Vận dụng hệ thống quan điểm lí luận dạy học hiện đại về việc tổ chức hoạt động nhận thức trong dạy học vật lí theo phương pháp thực nghiệm để thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức thuộc chương “Cảm ứng điện từ” ở lớp 11 THPT nhằm phát huy tính tích cực, tự chủ, bồi dưỡng năng lực sáng tạo của HS. 5. Giả thuyết khoa học Muốn phát huy tính tích cực tự chủ, bồi dưỡng năng lực sáng tạo của HS thì tốt nhất là tổ chức cho HS hoạt động học tập theo con đường nhận thức sáng tạo của các nhà khoa học. Đối với vật lí học, một trong những phương pháp nhận thức đặc trưng cơ bản là phương pháp thực nghiệm. Do đó thiết kế tiến trình dạy học chương “Cảm ứng điện từ” vật lí 11 THPT theo các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm không những làm cho HS có được kiến thức Vật lí mà còn phát huy tính tích cực, tự chủ, bồi dưỡng năng lực sáng tạo cho HS. 6. Nhiệm vụ nghiên cứu 6.1 Nghiên cứu cơ sở lí luận Nghiên cứu mục tiêu dạy học mới. Nghiên cứu lí luận các quan điểm hiện đại về dạy học. Nghiên cứu về dạy học sáng tạo. Nghiên cứu lí luận về phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu. Xác định nội dung các kiến thức dạy học chương "Cảm ứng điện từ" trong chương trình vật lí 11 THPT. 6.2 Nghiên cứu thực tiễn Tìm hiểu thực tế việc dạy và học chương "Cảm ứng điện từ" lớp 11 tại một số trường phổ thông. 6.3 Thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức thuộc chương "Cảm ứng điện từ" lớp 11 THPT theo các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm nhằm phát huy tính tích cực, tự chủ, bồi dưỡng năng lực sáng tạo của HS. 6.4 Thực nghiệm sư phạm để đánh giá tính khả thi của đề tài, rút ra những kết luận về hiệu quả của đề tài. 7. Phương pháp nghiên cứu ghiên cứu lí thuyết. Các phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Quan sát khoa học, điều tra, phân tích và tổng kết kinh nghiệm. Phương pháp thực nghiệm sư phạm. Phương pháp thống kê toán học. 8. Cấu trúc luận văn Phần Một: MỞ ĐẦU Phần Hai: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Chương 1: Cơ sở lí luận và thực tiễn của đề tài. Chương 2: Xây dựng tiến trình dạy học một số kiến thức thuộc chương "Cảm ứng điện từ" lớp 11 THPT theo các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm nhằm phát huy tính tích cực tự chủ, bồi dưỡng năng lực sáng tạo của HS. Chương 3: Thực nghiệm sư phạm. Phần Ba: KẾT LUẬN Chương 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.1. Cấu trúc và nhiệm vụ của quá trình dạy học Dạy – học là một chức năng xã hội với mục đích truyền lại cho họ những kinh nghiệm mà xã hội tích lũy được nhằm biến những kinh nghiệm xã hội thành những phẩm chất và năng lực cá nhân. Dạy học là sự tác động qua lại giữa thầy và trò nhằm giúp trò lĩnh hội một phần nào đó kinh nghiệm của xã hội. Hoạt động dạy học gồm hai hoạt động liên quan mật thiết với nhau: là hoạt động dạy và hoạt động học. Do đó, các hoạt động dạy và học cũng có cấu trúc chung của hoạt động [12], [14], [23], [26]. Theo A.N Leonchiev, hoạt động có cấu trúc chung như sau: Mỗi hoạt động có một động cơ nhất định. Động cơ có hai loại: động cơ xa là mục đích của hoạt động và động cơ gần là mục đích của bộ phận (tức là mục đích của từng bộ phận). Mỗi hoạt động có thể gồm một hay nhiều hành động tạo nên [12], [23], [26]. Một hành động có thể sơ đồ hóa cấu trúc như sau: Động cơ của hoạt động Động cơ xa (mục đích chung) Động cơ gần (mục đích của từng hành động) Hành động 1 Hành động 2 Hành động 3 Hoạt động 2 Hoạt động 1 Động cơ học tập có thể được kích thích, hình thành từ những kích thích bên ngoài người học như: Nhu cầu của xã hội đòi hỏi phải hoạt động có hiệu quả trong một lĩnh vực nào đó của xã hội, sự tôn vinh của xã hội đối với người học,…. Nhưng quan trọng nhất là sự kích thích bên trong bằng mâu thuẫn nhận thức, mâu thuẫn giữa nhiệm vụ mới phải giải quyết và khả năng hạn chế hiện có của HS cần có một sự cố gắng vươn lên tìm kiếm một giải pháp mới, xây dựng một kiến thức mới động cơ tự hoàn thiện bản thân mình. Mục đích của họat động được thể hiện ở nhiệm vụ cụ thể của mỗi môn học, mỗi phần của môn học và cụ thể nhất là ở mỗi bài học; đó là mục tiêu cụ thể mà HS phải đạt được sau mỗi bài học, mỗi chương, mỗi phần, mỗi môn học mà ta có thể đánh giá được. Để thực hiện được mỗi mục đích cụ thể, phải thực hiện những hành động tương ứng. Có thể thực hiện một hành động, nhưng thông thường phải phối hợp nhiều hành động mới đạt được một mục đích. Trong các hành động có hành động vật chất và hành động trí tuệ. Bằng hành động vật chất, người ta tác dụng trực tiếp lên đối tượng để nhận biết những đặc tính bên ngoài của nó hoặc là bộc lộ những đặc tính bên trong của nó. Những hành động vật chất chỉ cho những thông tin riêng lẻ, rời rạc và tự nhiên. Phải trải qua những phân tích, so sánh, suy luận diễn ra trong óc, nghĩa là thông qua hành động trí tuệ mới rút ra được kết luận về quy luật chung. Muốn thực hiện được mục đích, phải thực hiện một hay một số hành động. Trong khi thực hiện một hành động, ta phải sử dụng một số phương tiện, trong những điều kiện cụ thể. Khi sử dụng những phương tiện, điều kiện đó là ta đã thực hiện những thao tác: thao tác chân tay và thao tác trí truệ. Đối với những thao tác chân tay, ta có thể quan sát được quá trình thực hiện nên có thể can thiệp trực tiếp và quá trình đó để rèn luyện những kĩ năng, kĩ xảo của HS, giúp họ thực hiện một cách đúng đắn có hiệu quả. Đối với những thao tác trí tuệ chỉ diễn ra trong óc, ta chỉ biết được kết quả khi thông báo ý nghĩ của họ. Nhưng thao tác trí tuệ lại có vai trò to lớn, quyết định trong nhận thức khoa học. Bởi vậy, rèn luyện cho HS có kĩ năng, kĩ xảo thực hiện các thao tác tư duy trong khi học tập vật lý luôn luôn là vấn đề thời sự, cần nhiều thời gian [12], [14], [23], [26]. Cấu trúc của quá trình dạy học có thể được nhìn nhận từ hai góc độ: góc độ nội dung của dạy học và góc độ quá trình. Về góc độ nội dung, quá trình dạy học được cấu thành từ những yếu tố: mục đích dạy học, phương pháp dạy học, hoạt động dạy của GV, hoạt động học của HS, phương tiện và hình thức tổ chức dạy học, kết quả dạy học. Các yếu tố này có liên hệ hữu cơ với nhau và bị tác động, ảnh hưởng bởi môi trường kinh tế xã hội. Về góc độ quá trình, có thể xem quá trình dạy học bao gồm những bước cơ bản: kích thích động cơ, tổ chức hoạt động dạy học, kiểm tra đánh giá kết quả [12], [23], [26]. 1.2. Bản chất của học và chức năng của dạy [12], [14], [23], [26], [38] 1.2.1. Bản chất của hoạt động học Hoạt động học là một hoạt động đặc thù của con người nhằm tiếp thu những tri thức, kỹ năng, kinh nghiệm mà loài người đã tích lũy được, đồng thời phát triển những phẩm chất năng lực của người học. Tâm lí học và giáo dục khẳng định để hoạt động học có hiệu quả phải làm cho nhiệm vụ học tập trở thành mục đích của mỗi HS, làm cho họ tích cực, chủ động, hoạt động bằng ý thức tự giác và năng lực trí tuệ của bản thân. Hoạt động học là hoạt động hướng vào sự biến đổi và phát triển của chính chủ thể hoạt động, là hoạt động được điều khiển một cách có ý thức, có mục đích, là hoạt động hướng vào sự tiếp nhận phương thức hoạt động. Như vậy, hoạt động học tập là hoạt động để biến đổi nhận thức và hướng tới sự hoàn thiện nhân cách. Quá trình học ở nhà trường: Chủ thể là HS, đối tượng là tri thức, kĩ năng, kĩ xảo, phương thức hoạt động nhận thức và các phẩm chất tâm lý tốt đẹp như: tính tích cực, tự giác, chủ động, sáng tạo, sự hứng thú, say mê… Hoạt động học làm biến đổi chính chủ thể người học. Nhờ có hoạt động học mà xảy ra sự biến đổi trong bản thân HS. Sản phẩm của hoạt động học là những biến đổi chính trong bản thân chủ thể người học trong quá trình thực hiện hoạt động học và bằng hoạt động. Những tri thức, kỹ năng, kinh nghiệm mà người học tái tạo lại không có gì mới đối với nhân loại. Những biến đổi trong bản thân người học, sự hình thành phẩm chất và năng lực ở người học thực sự là những thành tựu mới đối với bản thân người học, chúng sẽ giúp bản thân người học sau này sáng tạo ra được những giá trị mới. 1.2.2. Chức năng của dạy Dạy học là một hoạt động đặc trưng của loài người nhằm truyền lại cho thế hệ sau những kinh nghiệm mà loài người tích lũy được, biến chúng thành kinh nghiệm, phẩm chất, năng lực của mỗi người học. Quá trình dạy học là một hệ thống có nhiều yếu tố quan hệ mật thiết và tác động qua lại lẫn nhau. Trong đó quá trình học của HS và quá trình dạy của GV đóng vai trò cơ bản. Sự tương tác của hai quá trình này phải dựa trên các cơ sở cùng mối quan hệ biện chứng giữa chúng là: mục đích của việc dạy – học, nội dung và phương pháp của việc dạy - học, các hình thức tổ chức của việc dạy - học. Trong dạy học trước đây, GV là người quyết định, đóng vai trò chủ đạo trong toàn bộ hoạt động của quá trình dạy học. Nhà trường mới không chỉ chú trọng đến việc truyền thụ kiến thức mà còn chú trọng đến phát triển toàn diện nhân cách HS. Trong sự phát triển đa dạng của nhân cách thì phát triển năng lực nhận thức là cơ sở, có ảnh hưởng lớn đến phát triển những năng lực khác. Phương pháp dạy học mới hiện nay lấy hai lý thuyết phát triển nhận thức của Jean Piaget (1896 -1980) và Lep Vưgotski (1896 – 1934) làm cơ sở. Trong học thuyết của Piaget, khái niệm cân bằng là khái niệm quan trọng nhất. Khái niệm này kéo theo khái niệm đồng hóa điều ứng, thích nghi. Paget đã đi vào quá trình phát triển trí tuệ với phương pháp tiếp cận duy vật biện chứng, tạo nên cơ sở khoa học khá chắc chắn cho tâm lý học phát triển, tri thức này nảy sinh từ hành động. Theo Vưgotski, chỗ tốt nhất cho sự phát triển nhận thức là vùng phát triển gần. Vùng phát triển gần nằm giữa trình độ phát tiển hiện tại (được xác định bằng trình độ độc lập giải quyết vấn đề) và trình độ gần nhất mà HS có thể đạt được với sự giúp đỡ của GV hay bạn bè khi giải quyết vấn đề. Nói cách khác, vùng phát trỉển gần là khoảng trống giữa nơi mà một người đang đứng khi giải quyết vấn đề và nơi mà người đó cần đến với sự giúp đỡ của người khác. Học thuyết về vùng phát triển gần dẫn đến một kết luận quan trọng khác: Chỉ có sự dạy đi trước sự phát triển của người học mới là sự dạy tốt. Trong hoạt động dạy: chủ thể là GV, đối tượng là HS. GV đóng vai trò người tổ chức, điều khiển hoạt động học của HS, giúp họ lĩnh hội nội dung giáo dục và giáo dưỡng, tạo ra sự phát triển tâm lý. Dạy học không phải tạo ra tri thức mới, không làm tái tạo tri thức cũ, mà là tổ chức quá trình chiếm lĩnh tri thức ở HS. Dạy học coi tri thức là phương tiện để tổ chức, điều khiển HS hoạt động xây dựng tri thức ấy cho bản thân họ mà mục đích sâu xa của việc làm này là biến đổi nhân cách người học. Do đó, dạy học chỉ đạt được hiệu quả cao khi phát huy được khả năng tự hoạt động của HS. 1.3. Phát huy tính tích cực, tự chủ của HS và bồi dưỡng năng lực sáng tạo của HS 1.3.1. Phát huy tính tích cực, tự chủ của HS [12], [20], [21], [22], [23], [26], [30], [34] 1.3.1.1. Các biểu hiện của tính tích cực học tập Theo PGS.TSKH Thái Duy Tuyên, để giúp GV phát hiện được HS có tích cực hay không, cần dựa vào một số dấu hiệu sau đây: - Các em có chú ý học tập không? - Có hăng hái tham gia vào mọi hình thức của hoạt động học tập không? (thể hiện ở chỗ giơ tay phát biểu ý kiến, ghi chép ...) - Có hoàn thành những nhiệm vụ được giao không? - Có ghi nhớ tốt những điều đã học không? - Có hiểu bài học không? Có thể trình bày lại nội dung bài học theo ngôn ngữ riêng không? - Có vận dụng được những kiến thức đã học vào thực tiễn không? - Có đọc thêm, làm thêm các bài tập khác không? - Tốc độ học tập có nhanh không? - Có hứng thú trong học tập không hay vì một ngoại lực nào đó mà phải học? - Có quyết tâm, có ý chí vượt khó khăn trong học tập không? - Có sáng tạo trong học tập không? 1.3.1.2. Mức độ tích cực của HS Về mức độ tích cực của HS có thể dựa vào một số dấu hiệu sau: - Có tự giác học tập không hay bị bắt buộc bởi những tác động bên ngoài? (gia đình, bạn bè, xã hội ...) - Thực hiện nhiệm vụ của thầy giáo theo yêu cầu tối thiểu hay tối đa? - Tích cực nhất thời hay thường xuyên liên tục? - Tích cực ngày càng tăng hay giảm dần? - Có kiên trì, vượt khó hay không? 1.3.1.3. Nguyên nhân của tính tích cực nhận thức Tính tích cực nhận thức của HS tuy nảy sinh trong quá trình học tập nhưng nó lại là hậu quả của nhiều nguyên nhân: có những nguyên nhân phát sinh lúc học tập, có những nguyên nhân được hình thành từ quá khứ, thậm chí từ lịch sử lâu dài của nhân cách. Nhìn chung, tính tích cực nhận thức phụ thuộc vào các nhân tố sau đây: - Hứng thú. - Nhu cầu. - Động cơ. - Năng lực. - Ý chí. - Sức khoẻ. - Môi trường. Những nhân tố trên đây, có những nhân tố có thể hình thành ngay, nhưng có những nhân tố chỉ được hình thành qua một quá trình lâu dài dưới ảnh hưởng của rất nhiều tác động. Như vậy, việc tích cực hoá hoạt động nhận thức của HS đòi hỏi một kế hoạch lâu dài và toàn diện khi phối hợp hoạt động gia đình, nhà trường và xã hội. 1.3.1.4. Các biện pháp phát huy tính tích cực nhận thức Phát huy tính tích cực nhận thức không phải là vấn đề mới. Từ thời cổ đại, các nhà sư phạm tiền bối như Khổng Tử, Aritstot ... đã từng nói đến tầm quan trọng to lớn của việc phát huy tính tích cực, chủ động của HS và đã nói lên nhiều biện pháp phát huy tính tích cực nhận thức. J.A.Komenxki – nhà sư phạm lỗi lạc của thế kỉ 17 đã đưa ra những biện pháp dạy học bắt HS phải tìm tòi, suy nghĩ để tự nắm được bản chất của sự vật, hiện tượng. J.J.Ruxô cũng cho rằng phải hướng HS tích cực tự giành kiến thức bằng cách tìm hiểu, khám phá và sáng tạo. A.Distecvec thì cho rằng người GV tồi là người cung cấp cho HS chân lí, người GV giỏi là người dạy cho họ tìm ra chân lí. K.D.Usinxki nhấn mạnh tầm quan trọng của việc điều khiển, dẫn dắt HS của thầy giáo. Trong thế kỉ 20, các nhà giáo đều tìm kiếm con đường tích cực hoá hoạt động dạy học. Chúng ta thường kể đến tư tưởng của các nhà giáo dục nổi tiếng như B.P.Êxipôp, M.A.Danilôp, M.N.Xeatkin, I.F.Kharlamôp, L.I.Xamôva (Liên Xô), Okon (Ba Lan), Skinner (Mĩ)... Ở Việt Nam, các nhà lí luận dạy học cũng đã viết nhiều về tính tích cực nhận thức, tư tưởng dạy học tích cực đã là một chủ trương quan trọng của ngành giáo dục nước ta. Các biện pháp nâng cao tính tích cực nhận thức của HS trong giờ lên lớp được phản ánh tóm tắt như sau: - Nói lên ý nghĩa lí thuyết và thực tiễn, tầm quan trọng của vấn đề nghiên cứu. - Nội dung dạy học phải mới, nhưng cái mới ở đây không phải quá xa lạ với HS, cái mới phải liên hệ và phát triển cái cũ. Kiến thức phải có tính thực tiễn, gần gũi với sinh hoạt, với suy nghĩ hàng ngày, thoả mãn nhu cầu nhận thức của các em. - Phải dùng các phương pháp dạy học đa dạng: Nêu vấn đề và giải quyết vấn đề, đàm thoại, thuyết trình...làm việc độc lập và phối hợp chúng với nhau. - Kiến thức phải được trình bày trong dạng động, phát triển và mâu thuẫn với nhau. Những vấn đề quan trọng, các hiện tượng then chốt có lúc diễn ra một cách đột ngột, bất ngờ. - Sử dụng các phương tiện dạy học, đặc biệt ở các lớp nhỏ. Dụng cụ trực quan có tác dụng tốt trong việc kích thích hứng thú của HS. - Sử dụng các hình thức tổ chức dạy học khác nhau: Cá nhân, nhóm, tập thể, tham quan, làm việc trong phòng thí nghiệm... - Luyện tập dưới các hình thức khác, vận dụng kiến thức vào thực tiễn, vào các tình huống mới. - Kích thích tính tích cực qua thái độ, cách ứng xử giữa GV với HS, động viên, khen thưởng của thầy cô và bạn bè khi có thành tích tốt. 1.3.2. Hình thành và phát triển năng lực sáng tạo ở HS 1.3.2.1. Năng lực [12], [14], [15], [21], [22], [26], [27], [30], [38] Là sự kết hợp linh hoạt độc đáo nhiều đặc điểm tâm lý tạo thành những điều kiện chủ quan thuận lợi giúp cá nhân tiếp thu dễ dàng, tập dượt nhanh chóng và hoạt động hiệu quả trong một lĩnh vực nào đó. Năng lực gắn liền với kĩ năng, kĩ xảo trong lĩnh vực hoạt động tương ứng. Song kĩ năng, kĩ xảo liên quan đến việc thực hiện một loạt các hành động hẹp, chuyên biệt đến mức thành thạo, tự động hóa, máy móc. Còn năng lực chứa đựng yếu tố mới mẻ linh hoạt trong hành động, có thể giải quyết nhiệm vụ thành công trong nhiều tình huống khác nhau, trong một lĩnh vực hoạt động rộng hơn. Nguồn gốc phát sinh và quá trình phát triển năng lực là một vấn đề phức tạp tuân theo qui luật chung của sự phát triển nhân cách. Sự hình thành và phát triển năng lực của con người chịu sự tác động của nhiều yếu tố. Trong đó có: - Yếu tố sinh học: Nói đến vai trò của di truyền những đặc điểm và phẩm chất nhất định đã được ghi lại trong hệ thống gen của cha mẹ cho con cái. Di truyền tạo nên những điều kiện ban đầu để con người có thể hoạt động có kết quả trong lĩnh vực nhất định. - Yếu tố của hoạt động chủ thể: có vai trò quyết định đối với việc hình thành năng lực. Năng lực không có sẵn trong con người mà phải bằng hoạt động của chính mình, con người chiếm lĩnh những kinh nghiệm hoạt của lớp người đi trước, biến thành năng lực của chính mình. - Yếu tố môi trường xã hội góp phần tạo nên động cơ mục đích, phương tiện, hành động và hoạt động giao lưu của mỗi cá nhân với xã hội mà nhờ đó cá nhân biến kinh nghiệm xã hội thành của mình; điều chỉnh hoạt động của bản thân nhằm mang lại hiệu quả cao, năng lực phát triển hơn. - Yếu tố giáo dục, dạy học: Giáo dục là hoạt động chuyên môn của xã hội nhằm hình thành và phát triển nhân cách của con người trong đó có năng lực theo yêu cầu của xã hội. 1.3.2.2. Sáng tạo Sáng tạo là hoạt động tạo ra những cái mới chưa từng có trong tự nhiên hay trong xã hội. Cái mới này phải mạng lại lợi ích và hiệu quả cho con người. Như vậy, kết quả của sự sáng tạo là cái mới chỉ có hiệu quả khi nó gắn liền với tính ích lợi [12], [14], [22]. Trong dạy học, sáng tạo được phân biệt thành hai cấp độ: sáng tạo cái mới đối với bản thân và sáng tạo cái mới đối với nhân loại. Trong quá trình học tập vật lý của, hoạt động sáng tạo chủ yếu là sáng tạo cái mới đối với đối với bản thân. Những vấn đề sáng tạo của nhân loại đã khám phá, đã biết, hiểu, vận dụng từ rất lâu. Quá trình học tập của dần dần đi tìm kiếm xây dựng cho bản thân họ những tri thức, kinh nghiệm mà nhân loại đã xây dựng và sáng tạo trước đó [12], [14], [22]. Sự sáng tạo không tuân theo một trình tự logic nào. Tuy nhiên, không thể sáng tạo từ cái không có gì. Mà sự sáng tạo chỉ có thể có khi bản thân HS phải có sẵn một phẩm chất kiên nhẫn, bền bỉ, đam mê khoa học, có cảm hứng, có một năng lực nhất định nào đó. Không có lao động, không có một quá trình nhận thức để tích lũy các dữ kiện thì không thể có sự sáng tạo [14], [22]. 1.3.2.3. Năng lực sáng tạo và những biểu hiện của năng lực sáng tạo Năng lực sáng tạo thể hiện ở khả năng có thể tạo ra những cái mới có thể đáp ứng những đòi hỏi của cuộc sống mà bằng kinh nghiệm, tri thức cũ không thể đáp ứng được. Đối với HS, năng lực sáng tạo thể hiện ở khả năng có thể giải quyết vấn đề mà bài học đặt ra. Trong nghiên cứu vật lý, chu trình sáng tạo khoa học gồm các giai đoạn: Sáng tạo Mô hình giả thuyết Hệ quả lý thuyết Phương án thực nghiệm kiểm tra hệ quả lý thuyết Định luật vật lí, thuyết vật lí… Sáng tạo Suy luận logic Khái quát Đối chiếu Sự kiện khởi đầu Diễn giải: Tìm mối liên hệ giữa lý thuyết và thực tiễn nghĩa là từ những sự kiện khởi đầu đề xuất mô hình giả thuyết. Mô hình là chỗ dựa cho tư tưởng, nó là một cấu trúc trừu tượng xuất phát từ thực tại.Từ mô hình dẫn ra các hệ quả lý thuyết. Từ hệ quả lý thuyết đưa ra phương án thực nghiệm để kiểm tra hệ quả (cũng là kiểm tra mô hình giả thuyết). Nếu kết quả thực nghiệm phù hợp hệ quả dự đoán thì giả thuyết trở thành chân lý khoa học, một định luật hay thuyết vật lí và kết thúc một chu trình. Trong chu trình đó, giai đoạn đòi hỏi sự sáng tạo cao nhất đó là từ những sự kiện thực nghiệm khởi đầu đề xuất mô hình giả thuyết và giai đoạn đưa ra phương án thực nghiệm để kiểm tra hệ quả suy ra từ giả thuyết. Trong hai giai đoạn này, khó có một con đường suy luận logic mà phải chủ yếu dựa vào trực giác . Năng lực sáng tạo gắn liền với kĩ năng, kĩ xảo và vốn hiểu biết của chủ thể. Trong bất cứ lĩnh vực hoạt nào, càng thành thạo và có vốn kiến thức sâu rộng thì càng nhạy bén trong dự đoán, đề ra được nhiều dự đoán, nhiều phương án để lựa chọn, càng tạo điều kiện cho trực giác phát triển. Do đó rèn luyện năng lực sáng tạo phải luôn luôn gắn với học tập kiến thức về một lĩnh vực nào đó [12], [14], [22]. 1.3.2.4. Những biểu hiện của năng lực sáng tạo [22] - Có sự tự lực chuyển các tri thức và kĩ năng cũ sang tình huống mới. Tri thức cũ càng ít liên hệ với tình huống mới thì mức độ sáng tạo càng cao. - Nhìn thấy vấn đề mới trong điều kiện quen biết. - Nhìn thấy chức năng mới của đối tượng quen biết. - Nhìn thấy cấu trúc của đối tượng và mối quan hệ giữa chúng. - Kỹ năng nhìn thấy nhiều lời giải cho một bài toán. - Kỹ năng biết phối hợp các phương thức giải quyết vấn đề đã biết thành một phương thức mới. - Kỹ năng sáng tạo một phương thức giải độc đáo. - Biết kiểm tra, đánh giá hiệu quả cách giải quyết vấn đề của bản thân và người khác. - Biết điều chỉnh các phương án giải quyết vấn đề một cách nhanh chóng, phù hợp với thực tiễn. 1.3.2.5. Các biện pháp hình thành và phát triển năng lực sáng tạo của HS - Tổ chức hoạt động sáng tạo gắn liền với quá trình xây dựng kiến thức mới: Tổ chức quá trình nhận thức vật lý theo chu trình sáng tạo sẽ giúp cho HS trên con đường hoạt động nhận thức biết được: chỗ nào có thể suy nghĩ dựa trên những hiểu biết đã có, chỗ nào phải đưa ra kiến thức mới, giải pháp mới. Việc tập trung trí lực vào chỗ mới đó sẽ giúp cho hoạt động sáng tạo có hiệu quả, rèn luyện cho tư duy trực giác biện chứng nhạy bén phong phú [22]. Theo quan điểm hoạt động, quá trình vật lý được xây dựng đi từ dễ đến khó, phù hợp trình độ HS, tận dụng kinh nghiệm sống hàng ngày của họ, tạo điều kiện cho họ có cơ hội đề xuất ra được những ý kiến mới mẻ có ý nghĩa, làm cho họ thấy được hoạt động sáng tạo là hoạt động có thể thực hiện được thường xuyên nếu có sự cố gắng nhất định. Trong hoạt động sáng tạo, sự tự tin là yếu tố tâm lí rất quan trọng. Cần có sự tự tin chủ thể nhận thức mới thoát khỏi sự ràng buộc, hạn chế của những hiểu biết cũ. Về nguyên tắc, kiểu dạy học “thông báo – minh họa” không thể rèn luyện cho HS năng lực sáng tạo. Cần phải tổ chức quá trình dạy học theo kiểu nêu và giải quyết vấn đề một các kiên trì mới có thể rèn luyện cho HS năng lực sáng tạo [22]. - Luyện tập phỏng đoán, dự đoán: Dự đoán có vai trò rất quan trọng trên con đường sáng tạo khoa học. Dự đoán dựa chủ yếu vào trực giác, kết hợp với kinh nghiệm phong phú và kiến thức sâu sắc về mỗi lĩnh vực. Việc xây dựng giả thuyết dựa trên sự khái quát hóa những sự kiện thực nghiệm, những kinh nghiệm cảm tính. Trong giai đoạn đầu của hoạt động nhận thức vật lí của HS có thể có các cách dự đoán sau đây: + Dựa vào liên tưởng tới một kinh nghiệm đã có. + Dựa trên sự tương tự. + Dựa trên sự xuất hiện đồng thời giữa hai hiện tượng mà dự đoán giữa chúng có quan hệ nhân quả. + Dựa trên nhận xét thấy hai hiện tượng luôn luôn biến đổi đồng thời, cùng tăng hoặc cùng giảm mà dự đoán về quan hệ nhân quả giữa chúng. + Dựa trên sự thuận nghịch thường thấy của nhiều quá trình. + Dựa trên sự mở rộng phạm vi ứng dụng của một kiến thức đã biết sang một lĩnh vực khác. + Dự đoán về mốn quan hệ định lượng: Fray-man cho rằng những hiện tượng vật lý xảy ra rất phức tạp, nhưng các định luật chi phối chúng lại rất đơn giản. - Lập luận đề xuất phương án thí nghiệm kiểm tra dự đoán Muốn kiểm tra xem dự đoán, giả thuyết có phù hợp hay không, ta phải xem dự đoán đó biểu hiện trong thực tế như thế nào, có dấu hiệu nào đó có thể quan sát được. Nghĩa là từ một dự đoán mô hình giả thuyết, ta phải suy ra được một hệ quả có thể quan sát được trong thực tế, sau đó tiến hành thí nghiệm để xem hệ quả rút ra bằng suy luận có phù hợp với thí nghiệm không. Quá trình rút ra hệ quả thường áp dụng suy luận logic hay suy luận toán học. Cho nên, sự suy luận đó không đòi hỏi sự sáng tạo và thực tế có thể kiểm soát được. Vấn đề đòi hỏi sự sáng tạo ở đây là đề xuất được phương án kiểm tra hệ quả đã rút ra được. Để có thể đề ra được một phương án thí nghiệm kiểm tra, không những phải huy động những kiến thức vật lý đã có mà còn cả những kinh nghiệm đã có trong đời sống hằng ngày hay những môn học khác. - Bài tập sáng tạo Trong loại bài tập sáng tạo này, ngoài việc vận dụng một số kiến thức đã học, phải có những ý kiến mới mẻ, độc lập, không thể suy ra một cách logic từ kiến thức đã học. Có hai loại bài tập sáng tạo: bài tập thiết kế và bài tập nghiên cứu. Trong loại bài tập thiết kế đòi hỏi HS phải đề xuất một thiết bị bao gồm vẽ các bộ phận chính, sắp xếp chúng để thỏa mãn yêu cầu tạo ra một hiện tượng vật lý nào đó. Trong loại bài tập nghiên cứu yêu cầu HS nghiên cứu để giải thích một hiện tượng mới gặp nào đó. 1.4. PPTN trong nghiên cứu khoa học và trong nghiên cứu vật lý 1.4.1. Tầm quan trọng của PPTN trong nghiên cứu khoa học và trong nghiên cứu vật lý [6], [7], [22], [27], [28] Trước khi có PPTN, người ta chỉ tranh luận suông với nhau theo sự suy luận của từng người, không có căn cứ khách quan chắc chắn. PPTN do Galilee khởi xướng và nhiều nhà khoa học sau đó hoàn thiện đã cho ta một phương pháp nghiên cứu tự nhiên có thể tiếp cận với chân lý khách quan ngày càng sâu sắc hơn. PPTN không chỉ đơn thuần là làm thí nghiệm tác động vào tự nhiên để làm bộc lộ những tính chất của tự nhiên dưới dạng những dấu hiệu quan sát được mà còn có ý nghĩa khái quát, nêu lên được bản chất của sự vật hiện tượng. PPTN không đơn thuần là sự tập hợp những điều quan sát trong tự nhiên mà còn là một phương pháp sáng tạo khoa học, xây dựng những kiến thức mới để phản ánh tự nhiên dưới dạng khái quát. Nhờ có PPTN mà vật lý học thoát ra khỏi những đêm trường trung thế kỷ. Nhờ có PPTN mà vật lý học trong ba thế kỷ liền đã đạt được những thành tựu vĩ đại không những giúp cho con người hiểu biết về tự nhiên mà còn giúp cải tạo tự nhiên, phát triển sản xuất, nâng cao năng suất sản xuất lao động, tạo ra của cải vật chất cho đời sống của con người được nâng lên khá cao so với trước. 1.4.2. Nội dung của PPTN trong nghiên cứu khoa học và trong nghiên cứu vật lý [6], [7], [22], [27], [28] * Sự ra đời của PPTN Thời cổ đại khoa học chưa phân ngành, chưa tách khỏi triết học. Mục đích của nó là tìm hiểu và giải thích thiên nhiên một cách toàn bộ, chưa đi vào từng lĩnh vực, hiện tượng cụ thể. + Đến Thế kỷ 17 Galilee xây dựng PPTN: “Quan sát tự nhiên → xác định vấn đề cần nghiên cứu → đưa ra cách giải quyết lý thuyết có tính dự đoán → rút ra kết luận có thể kiểm tra được bằng thực nghiệm → làm thí nghiệm → đối chiếu kết quả thu được bằng thực nghiệm với lý thuyết → kết luận. * Nội dung PPTN [22] Quan s¸t tù nhiªn VÊn ®Ò cÇn nghiªn cøu C¸ch gi¶i thÝch lý thuyÕt KÕt luËn cã thÓ kiÓm tra b»ng thÝ nghiÖm Dù ®o¸n ThÝ nghiÖm KÕt luËn VÊn ®Ò cÇn nghiªn cøu míi PPTN không phải đơn thuần là làm thí nghiệm một cách mò mẫm, ngẫu nhiên. Trước khi làm thí nghiệm nhà khoa học phải dựa vào những quan sát ban đầu của mình hay của những nhà khoa học khác, nêu lên một số câu hỏi cần giải đáp, nghĩa là vạch rõ mục đích thí nghiệm: Thí nghiệm để làm sáng tỏ cái gì? Để hỏi thiên nhiên cái gì? Phải bố trí thí nghiệm như thế nào để thu được câu trả lời đơn giản? Kết quả của thí nghiệm là câu trả lời của thiên nhiên về các dấu hiệu bề ngoài của sự vật, có thể quan sát được. Cần phải phân tích, khái quát hóa kết quả đó như thế nào để thu được kết luận có giá trị tổng quát? Lời giải đáp thu được có thể áp dụng để giải quyết những vấn đề gì rộng rãi hơn nữa trong thực tế? [28] - PPTN đã thể hiện một quan điểm mới mẻ, sâu sắc và nhận thức tự nhiên, nhận thức chân lý. Newton tiếp tục phát triển phương pháp của Galilee lên mức độ đầy đủ và chặt chẽ hơn. Phương pháp của ông là kết hợp chặt chẽ giữa thí nghiệm và suy luận lý thuyết. Ông đã làm rõ quan điểm đó bằng 4 quy tắc : + Quy tắc 1: Đối với mỗi hiện tượng, không thừa nhận những nguyên nhân nào khác ngoài những nguyên nhân đủ để giải thích nó. Quy tắc này khẳng định lý trí của con người trong nhận thức, gạt bỏ luận điểm tôn giáo, kinh viện không liên quan đến khoa học. + Quy tắc 2: Bao giờ cũng quy những hiện tượng như nhau về cùng một nguyên nhân. Một nguyên nhân xác định phải gây ra một hệ quả xác định. Quy tắc này nêu rõ quan hệ nhân quả của các hiện tượng trong tự nhiên. + Quy tắc 3: Tính chất của tất cả các vật có thể đem ra thí nghiệm được, mà ta không thể làm cho nó tăng lên hoặc giảm xuống thì được coi là tính chất của mọi vật nói chung. Quy tắc này là sự quy nạp khoa học, cho phép ta khái quát những trường hợp riêng lẻ để tìm ra những định luật tổng quát. + Quy tắc 4: Bất kỳ khẳng định nào rút ra từ thực nghiệm, bằng phương pháp quy nạp đều là đúng chừng nào chưa có những hiện tượng khác giới hạn hoặc mâu thuẫn với khẳng định đó. Quy tắc này thể hiện quan điểm biện chứng về tính tương đối và tuyệt đối của chân lý. Trong toàn bộ quá trình đi tìm chân lý, phải phối hợp cả xây dựng lý thuyết và kiểm tra bằng thực nghiệm, nhưng trong hoạt động của mỗi nhà khoa học thì có thể thực hiện một trong hai khâu. Bởi vậy, ngày nay, vật lý phân thành hai ngành: vật lý lý thuyết và vật lý thực nghiệm. Theo cách phân chia này PPTN có thể hiểu theo nghĩa hẹp sau: Từ lý thuyết đã biết suy ra hệ quả và dùng thí nghiệm để kiểm tra hệ quả. Nhà vật lý thực nghiệm không nhất thiết phải xây dựng giả thuyết mà giả thuyết đó đã được người khác đề ra rồi nhưng chưa kiểm tra được. Nhiệm vụ của nhà vật lý thực nghiệm lúc này là từ giả thuyết đã suy ra một hệ quả có thể kiểm tra được và tìm cách bố trí một thí nghiệm khéo léo tinh vi để quan sát hiện tượng do lý thuyết dự đoán và thực hiện các phép đo chính xác. Ví dụ như Einsteins phát minh ra thuyết tương đối rộng từ năm 1916, nhưng phải mấy chục năm sau, người ta mới có thể tìm ra một số ít bằng chứng thực nghiệm để chứng tỏ sự đúng đắn của lý thuyết đó. 1.5. Sử dụng PPTN trong dạy học vật lý [22], [27], [28] 1.5.1 Tầm quan trọng của PPTN trong dạy học vật lý + Môc tiªu chiÕn l−îc cña ngμnh gi¸o dôc n−íc ta lμ “Hình thành và phát triển các năng lực chủ yếu đáp ứng yêu cầu phát triển con người Việt Nam trong thời kì công nghiệp hoá, hiện đại hoá: - Năng lực hành động có hiệu quả mà một trong những thành phần quan trọng, là năng lực tự học tự giải quyết vấn đề, mạnh dạn trong suy nghĩ, hành động trên cơ sở phân biệt được đúng, sai. - Năng lực thích ứng với sự thay đổi trong thực tiễn để có thể chủ động, linh hoạt và sáng tạo trong học tập, lao động ,… - Năng lực tự khẳng định, biểu hiện ở tinh thần phấn đấu học tập và lao động, không ngừng rèn luyện bản thân, có khả năng đánh giá và phê phán trong môi trường hoạt động.” + Chương trình vật lí phổ thông tiếp tục khẳng định “cần coi trọng đúng mức những kiến thức về phương pháp nhận thức đặc thù của vật lí học như PPTN, phương pháp mô hình” và “khối lượng kiến thức của mỗi tiết học cần được lựa chọn và cân đối với việc thực hiện đầy đủ các nhiệm vụ của việc dạy học vật lí, đặc biệt với việc tổ chức các hoạt động tích cực, tự lực và đa dạng của HS”. + Vật lí học ở trường phổ thông chủ yếu là vật lí thực nghiệm. Những kiến thức vật lí được xây dựng hầu hết dựa vào thí nghiệm hoặc được kiểm tra lại bằng thí nghiệm. Để hiểu rõ nội dung, ý nghĩa của các kiến thức đó thì tốt nhất là cho HS tái tạo lại những kiến thức bằng chính phương pháp mà các nhà vật lí đó dùng trong nghiên cứu – PPTN [22], [27]. + Trong gần nửa thế kỷ nay, khi mà nền giáo dục ở hầu hết các nước tiên tiến đều chú ý đến việc phát triển năng lực sáng tạo của HS thì người ta cũng phải tìm một phương pháp dạy học trong đó đòi hỏi phải hoạt động sáng tạo. PPTN là một trong những phương pháp được lựa chọn bởi vì trong quá trình áp dụng PPTN có hai giai đoạn đòi hỏi HS có suy nghĩ sáng tạo. Nếu có cách thức tổ chức, hướng dẫn thích hợp thì HS có khả năng thực hiện được hoạt động sáng tạo đó [22]. Vậy áp dụng được PPTN vào dạy học vật lí thì đạt được cả hai mục tiêu: Giúp HS nắm vững kiến thức và bồi dưỡng cho HS năng lực sáng tạo [22]. 1.5.2 Các giai đoạn của PPTN trong dạy học vật lý Để giúp HS tự tái tạo, chiếm lĩnh kiến thức vật lý thì tốt hơn hết là GV nên phỏng theo PPTN của các nhà khoa học mà tổ chức cho HS hoạt động theo các giai đoạn của PPTN. Có nhiều quan điểm khác nhau về việc phân chia và tên gọi các giai đoạn. Nhưng cơ bản vẫn là các giai đoạn sau: [22], [28] Giai đoạn 1: Đề xuất vấn đề. GV mô tả một hoàn cảnh thực tiễn hay biểu diễn một vài thí nghiệm và yêu cầu HS dự đoán diễn biến của hiện tượng, tìm nguyên nhân hoặc xác lập một mối quan hệ nào đó, tóm lại là nêu lên một câu hỏi mà HS chưa biết câu trả lời, cần phải tìm tòi suy nghĩ mới trả lời được. Giai đoạn 2: Xây dựng giả thuyết. GV hướng dẫn, gợi ý cho HS xây dựng một câu trả lời dự đoán ban đầu, dựa vào sự quan sát tỷ mỷ kỹ lưỡng, kinh nghiệm bản thân, những kiến thức đã có. Những dự đoán này có thể còn thô sơ, có vẻ hợp lý nhưng chưa chắc chắn. Giai đoạn 3: Suy ra một hệ quả có thể kiểm tra được bằng thực nghiệm từ giả thuyết. Hệ quả đó là dự đoán một hiện tượng trong thực tiễn, một mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý. Giai đoạn 4: Xây dựng và thực hiện phương án thí nghiệm để kiểm tra xem hệ quả cuả dự đoán có phù hợp với kết quả thực nghiệm hay không. Nếu phù hợp thì giả thuyết trên trở thành chân lý, nếu không phù hợp thì phải xây dựng giả thuyết mới. Giai đoạn 5: Ứng dụng kiến thức. HS vận dụng kiến thức để giải thích hay dự đoán một số hiện tượng trong thực tiễn, để nghiên cứu các thiết bị kỹ thuật. Qua đó có thể đi tới giới hạn áp dụng của kiến thức và xuất hiện mâu thuẫn nhận thức mới cần giải quyết. 1.5.3 Hướng dẫn hoạt động trong mỗi giai đoạn của PPTN [22], [28] Những bài học mà HS có thể tham gia đầy đủ vào cả năm giai đoạn trên không nhiều. Đó là những bài mà việc xây dựng giả thuyết không đòi hỏi một sự phân tích khá phức tạp và có thể kiểm tra giả thuyết bằng những thí nghiệm đơn giản, sử dụng những dụng cụ đo lường mà HS đã quen thuộc. Một số bài có thể đáp ứng được nhu cầu như: sự rơi tự do, định luật phản xạ ánh sáng… Trong nhiều trường hợp, HS gặp những khó khăn không vượt qua được thì có thể sử dụng PPTN ở các mức độ khác nhau thể hiện ở mức độ HS tham gia vào các giai đoạn của PPTN [22], [28]. Giai đoạn 1 GV mô tả một hoàn cảnh thực tiễn hay biểu diễn một vài thí nghiệm và yêu cầu HS dự đoán diễn biến của hiện tượng, tìm nguyên nhân hoặc xác lập mối quan hệ nào đó, tóm lại là nêu lên một câu hỏi mà HS chưa biết câu trả lời, phải suy nghĩ, tìm tòi. Mức độ2 GV tạo ra một hoàn cảnh thật đặc biệt trong đó xuất hiện một hiện tượng mới lạ, lôi cuốn sự chú ý của HS gây cho họ sự ngạc nhiên tò mò, từ đó HS nêu ra một vấn đề, một câu hỏi cần giải đáp. Mức độ 1 GV giới thiệu hiện tượng xảy ra đúng như trong tự nhiên, HS tự mình phát hiện vấn đề nêu câu hỏi. Mức độ3 GV nhắc lại một hiện tượng, một vấn đề mà HS đã biết, yêu cầu họ phát hiện xem trong vấn đề này có chỗ nào chưa hoàn chỉnh cần tiếp tục nghiên cứu. Giai đoạn 2 GV hướng dẫn, gợi ý HS xây dựng một câu trả lời dự đoán ban đầu, dựa vào sự quan sát tỉ mỉ, vào kinh nghiệm bản thân, vào những kiến thức đã có…(xây dựng giả thuyết). Mức độ2 Dự đoán định lượng: Những quan sát đơn giản khó có thể dẫn tới một dự đoán về mối quan hệ hàm số  việc dự đoán định lượng có thể dựa trên một số cặp số liệu. Mức độ 1 Dự đoán định tính: Trong những hiện tượng thực tế phức tạp, dự đoán về nguyên nhân chính, mối quan hệ chính chi phối hiện tượng. Có rất nhiều dự đoán mà ta sẽ phải lần lượt tìm cách bác bỏ Mức độ3 Những dự đoán đòi hỏi mức độ quan sát tỉ mỉ, chính xác, một sự tổng hợp nhiều sự kiện thực nghiệm không có điều kiện thực nghiệm trên lớp thì GV kể truyện lịch sử Giai đoạn 3 Từ giả thuyết dùng suy luận logic hay suy luận toán học suy ra một hệ quả: Dự đoán một hiện tượng trong thực tiễn, một mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý. Mức độ2 Hệ quả không thể quan sát, đo lường trực tiếp bằng các dụng cụ đo, phải tính toán gián tiếp thông qua các đại lượng khác. Mức độ 1 Hệ quả có thể quan sát, đo lường trực tiếp Mức độ3 Hệ quả suy ra trong điều kiện lí tưởng. Có nhiều trường hợp, hiện tượng thực tế bị chi phối bởi rất nhiều yếu tố không thể loại trừ được. Giai đoạn 4 Xây dựng và thực hiện một phương án thí nghiệm để kiểm tra xem hệ quả dự đoán ở trên có phù hợp với kết quả thực nghiệm hay không. Mức độ2 HS biết cách đo các đại lượng nhưng việc bố trí thí nghiệm cho với các điều kiện lý tưởng khó khăn GV phải giúp đỡ bằng cách giới thiệu. Mức độ 1 Thí nghiệm đơn giản, HS đã biết cách thực hiện phép đo. Mức độ3 Những trường hợp thí nghiệm kiểm tra là thí nghiệm kinh điển, phức tạp không thực hiện được thì GV phải mô tả thí nghiệm, thông báo kết quả. Giai đoạn 5 Ứng dụng kiến thức: HS vận dụng kiến thức để giải thích hay dự đoán một số hiện tượng trong thực tế, nghiên cứu các thiết bị kĩ thuật (có thể xuất hiện mâu thuẫn nhận thức mới). Mức độ2 Xét một ứng dụng kĩ thuật đã được đơn giản hóa để có thể chỉ áp dụng một vài định luật vật lí. Mức độ 1 HS chỉ cần vận dụng định luật vật lý để làm sáng tỏ nguyên nhân hoặc tính toán trong điều kiện lí tưởng. Mức độ3 Xét một ứng dụng kĩ thuật trong đó cần phải áp dụng nhiều kiến thức vật lí. Trong khi sử dụng PPTN, thường phối hợp với các phương pháp nhận thức khác như: phương pháp phân tích – tổng hợp, phương pháp quy nạp – diễn dịch… Trong dạy học có các định luật vật lý theo PPTN có hai trương hợp đáng lưu ý sau: - Có những định luật vật lý thực nghiệm nhưng việc suy luận khá phức tạp hoặc những thí nghiệm khá tinh vi, không có điều kiện thực hiện ở trường phổ thông, GV có thể dùng phương pháp kể chuyện lịch sử để cho HS có cách giải quyết của các nhà bác học. - Có những định luật trong lịch sử được phát minh bằng con đường thực nghiệm, nhưng ngày nay có thể coi như hệ quả của một luật, một lý thuyết khái quát hơn. Những suy luận này HS có thể hiểu được… Bởi vậy, để rèn luyện khả năng suy luận sắc bén cũng như giảm bớt khó khăn về tổ chức thực hiện các thí nghiệm phức tạp cho nên không dạy học những định luật đó hoàn toàn theo PPTN mà chỉ sử dụng một giai đoạn của PPTN là làm thí nghiệm kiểm tra, minh họa kết luận thu được bằng suy luận lý thuyết. Cũng có thể hiểu là sử dụng PPTN theo nghĩa hẹp. 1.5.4 Những sự chuẩn bị cần thiết để sử dụng PPTN trong dạy học vật lý [22] 1.5.2.1 Chuẩn bị về mặt nội dung dạy học * Lựa chọn một lôgic nội dung bài học thích hợp. Phân chia bài học thành những vấn đề nhỏ, phù hợp với trình độ xuất phát của học sinh, xác định hệ thống những hành động học tập mà học sinh có thể thực hiện đượcvới sự cố gắng vừa sức. * Xây dựng tình huống có vấn đề tương ứng với mỗi nội dung kiến thức cần xây dựng trong bài học. Thông thường căn cứ vào hoạt động tìm tòi nghiên cứu của các nhà vật lý học về mỗi kiến thức mà tạo ra những tình huống những điều kiện giúp HS có thể tự lực hoạt động giải quyết vấn đề. GV cÇn tự lực hoạt động, sáng tạo ra những tình huống thích hợp để h−íng dÉn HS tìm tòi khám phá theo khả năng của họ [22]. 1.5.2.2 Chuẩn bị về thí nghiệm và cơ sở vật chất * Nghiên cứu kỹ thuật sử dụng thí nghiệm trong dạy học theo PPTN. a) Sử dụng thí nghiệm để phát hiện vấn đề [22] - Dùng thí nghiệm để tạo ra vấn đề mới. + Thí nghiệm phải đơn giản, tạo ra hiện tượng dễ quan sát không bị nhiều yếu tố gây nhiễu. + Hiện tượng tạo ra trong thí nghiệm phải gây ấn tượng mạnh cho HS. + Hiện tượng tạo ra trong thí nghiệm phải chứa đựng yếu tố trái với suy nghĩ thông thường của HS. - Dẫn dắt HS phát hiện ra mâu thuẫn nhận thức. + GV phải nêu ra câu hỏi yêu cầu HS nhớ lại một kiến thức một hiện tượng nào đó nhằm khẳng định lại sự hiểu biết của HS sau đó đưa ra thí nghiệm tạo ra một hiện tượng mới trái với sự hiểu biết trước đó của HS, yêu cầu HS giải thích nguyên nhân. + GV yêu cầu HS nhắc lại kiến thức cũ, vận dụng kiến thức cũ để dự đoán kết quả hiện tượng sẽ xảy ra. Sau đó GV đưa ra thí nghiệm để HS thấy hiện tương không xảy ra như dự đoán, yêu cầu HS trả lời tại sao? b) Sử dụng thí nghiệm để giải quyết vấn đề [22] - Thí nghiệm có vai trò quyết định trong việc đánh giá một dự đoán là đúng hay sai. - Thí nghiệm trong giai đoạn này cần thỏa những yêu cầu sau: + Hiện tượng mà thí nghiệm tạo ra do nguyên nhân chính rõ rệt có thể dùng làm cơ sở để dự đoán. + Lập luận từ dự đoán đến hệ quả càng ít giai đoạn trung gian càng tốt. + Hiện tượng tạo ra trong thí nghiệm càng dễ quan sát trực tiếp càng tốt. * Lùa chän c¸c ®Ò tμi cã thÓ tæ chøc cho HS cã thÓ lμm ®−îc thÝ nghiÖm ®ång lo¹t. Sù lùa chän dùa trªn c¸c yªu cÇu: - Đề tài nghiên cứu đòi hỏi những thí nghiệm nghiên cứu đòi hỏi tương đối đơn giản phù hợp trình độ HS, thao tác dễ thực hiện, hiện tượng dễ quan sát, các phép đo không quá phức tạp. - Cần tận dụng tối đa những dụng cụ, thiết bị, vật liệu dễ kiếm trong đời sống hằng ngày quen thuộc với HS. - Chú trọng đến mặt định tính hay chỉ cần thực hiện các phép đo đơn giản nhằm giúp HS hiểu rõ bản chất của hiện tượng. - Thời gian tiến hành thí nghiệm không quá dài để HS có thể thực hiện giải quyết được nhiệm vụ đề ra của bài học trong thời gian tiết học. - Dụng cụ đến tay HS phải có độ bền cần thiết, đảm bảo an toàn. Tuy nhiên dụng cụ thí nghiệm cho HS không thể đòi hỏi độ chính xác cao mà chỉ yêu cầu sai số tương đối không quá 10%. * Tìm hiểu các phương án thí nghiệm có thể sử dụng trong bài học, lựa chọn phương án khả thi phù hợp với trình độ học sinh, với cơ sở vật chất hiện có cuả nhà trường. 1.5.2.3 Những kỹ năng cần thiết chuẩn bị cho HS [22] a) Kü n¨ng ®−a ra dù do¸n vμ kü n¨ng ®Ò xuÊt ph−¬ng ¸n thÝ nghiÖm b) Kỹ năng bố trí tiến hành thí nghiệm, thực hiện các phép đo cơ bản, thu thập thông tin cần thiết - Xác định mục đích thí nghiệm. - Dự kiến bố trí thí nghiệm. - Kỹ năng thực hiện các phép đo cơ bản. - Kỹ năng làm thay đổi các yếu tố tác động theo ý định có trước. - Kỹ năng thu thập thông tin. c) Kỹ năng xử lý thông tin - Sử dụng các phương pháp suy luận logic để xử lý thông tin. - Sử dụng suy luận toán học. 1.6. Thiết kế phương án dạy học 1.6.1 Tiến trình dạy học một kiến thức vật lý Để giúp HS tự tái tạo, chiếm lĩnh kiến thức vật lý thì tốt hơn hết là GV nên phỏng theo PPTN của các nhà khoa học mà tổ chức cho HS hoạt động theo các giai đoạn của PPTN. Có thể đề xuất tiến trình dạy học một kiến thức vật lý theo sơ đồ sau: Vấn đề sự kiện ban đầu Vấn đề cơ bản Mô hình giả thuyết Các hệ quả của giả thuyết Kết quả kiểm tra Kết luận kiến thức Vận dụng tìm giới hạn áp dụng kiến thức (nếu có) Tình huống vấn đề cơ bản Bài toán cơ bản Tình huống kiểm tra Bài toán thiết kế phương án kiểm tra Yêu cầu diễn đạt kiến thức Tình huống khởi đầu Bài tập vận dụng - Trước hết, tạo ra cho HS tình huống mở đầu. Tình huống này đặt ra vấn đề (câu hỏi) cần giải quyết. Tác dụng của tình huống này là tập cho HS hành động phát hiện vấn đề tạo động cơ nhận thức, kích thích HS tích cực tư duy [15]. Trong tình huống này, kiến thức đóng vai trò công cụ để giải quyết một vấn đề thực tiễn hoặc lý luận. Một số trường hợp có thể bỏ qua bước này. - Tiếp theo là tạo ra tình huống vật lý cơ bản. Tình huống này có tác dụng chỉ ra mục tiêu của hành động, làm cho HS tự hành động xây dựng tìm kiếm kiến thức mới. Đó là hành động sáng tạo cần rèn luyện nhất cho HS. - Bài toán cơ bản bổ sung dữ kiện còn thiếu cho vấn đề cơ bản trên. Với sự nỗ lực của cá nhân, sự sáng tạo trong phạm vi nhất định, qua bài toán cơ bản HS cần đưa ra được một mô hình giả thuyết, tức là đưa ra câu trả lời sơ bộ cho vấn đề nhận thức. - Để kiểm tra được tính đúng đắn của giả thuyết, cần xây dựng tình huống kiểm tra, tình huống này HS phải suy ra được các hệ quả của giả thuyết. Những hệ quả này có thể sử dụng thí nghiệm để kiểm tra được. - Tình huống để HS thiết kế phương án kiểm tra thể hiện dưới dạng “bài toán phương án kiểm tra”. HS phải vẽ ra sơ đồ thí nghiệm, nêu được những dụng cụ thí nghiệm cần thiết, chọn phương án thí nghiệm để phù hợp với thí nghiệm đó. Sau đó tiến hành thí nghiệm kiểm tra đối chiếu kết quả thí nghiệm với mô hình giả thuyết. Nếu đúng thì đi đến kết luận kiến thức. - Cung cấp các bài tập vận dụng kiến thức đã được hợp thức hóa. 1.6.2 Phương pháp soạn thảo tiến trình dạy học một kiến thức vật lý cụ thể 1.6.2.1 Xác định một mục tiêu dạy học của một kiến thức vật lý [6] a) Mục tiêu về kiến thức - Mục tiêu trong khi học - Mục tiêu sau khi học b) Mục tiêu về kỹ năng - Kỹ năng trong khi học - Kỹ năng sau khi học c) Mục tiêu về tình cảm thái độ 1.6.2.2 Lập sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức vật lý cụ thể Để thiết kế phương án dạy học một kiến thức vật lý cụ thể thì trước hết phải phân tích cấu trúc nội dung, tìm hiểu xem có thể chia nội dung kiến thức của bài học thành những đơn vị kiến thức nào? Mỗi đơn vị kiến thức sẽ được xây dựng tiến trình nhận thức như thế nào? Lập sơ đồ tiến trình xây dựng mỗi đơn vị kiến thức. Sơ đồ phải thể hiện được lời giải đáp cho bốn vấn đề cơ bản: [15] - Kiến thức cần xây dựng là gì? Được diễn đạt như thế nào? Nó là câu trả lời được rút ra từ việc giải bài toán cụ thể? - Lựa chọn giải pháp nào cho bài toán? - Chứng tỏ tính hợp thức khoa học của câu trả lời đó như thế nào. Có những vấn đề vận dụng cụ thể nào cho kiến thức được xây dựng nào? - Trình tự logic của các kiến thức đó như thế nào cho phù hợp với tiến trình nhận thức khoa học? Dưới đây là sơ đồ tiến trình xây dựng một kiến thức vật lý. BÀI TOÁN CƠ BẢN Phương pháp giải bài toán Kết quả và kết luận Kiến thức được xác lập Bài toán vận dụng kiến thức Bài toán giới hạn áp dụng kiến thức Vấn đề nhận thức cần giải quyết Dữ kiện 1.6.2.3 Xác định các phương tiện dạy học [22] Để dạy học theo tiến trình nhận thức khoa học thì vai trò của thiết bị dạy học vô cùng quan trọng. Các thiết bị dạy học chủ yếu là các thiết bị thí nghiệm. Trong tiến trình xây dựng kiến thức cần những dụng cụ thí nghiệm gì, mỗi dụng cụ cần bao nhiêu bộ. Những dụng cụ và phương án thí nghiệm có gì giống và khác so với SGK? Một số trường hợp dụng cụ và phương án thí nghiệm khó có điều kiện thực hiện thì cần sự hỗ trợ của các trang thiết bị khác như tranh vẽ, phần mềm mô phỏng, máy vi tính… 1.6.2.4 Những chuẩn bị phương tiện dạy học của GV và HS [22] a) Sự chuẩn bị của GV Sau khi đã xác định được những phương tiện dạy học cần thiết. GV cần chuẩn bị những bộ dụng cụ đó đảm bảo yêu cầu (như 1.5.5) GV có thể huy động sự giúp đỡ của HS bằng cách hướng dẫn các em tìm kiếm trước những dụng cụ dễ kiếm trong gia đình. Ngoài dụng cụ thí nghiệm GV còn cần chuẩn bị đầy đủ phiếu học tập cho HS (nếu cần). b) Sự chuẩn bị của HS Với sự hướng dẫn của GV phải tích cực cố gắng chuẩn bị những dụng cụ theo yêu cầu của GV (nếu có). HS cần ôn tập lại những kiến thức cũ có liên quan đến vấn đề sắp học. 1.6.2.5 Xây dựng các câu hỏi đề xuất vấn đề và kết luận tương ứng [22] - Xuất phát từ kiến thức cần dạy GV phải xây dựng các câu hỏi để đề xuất các câu hỏi gợi ý, hướng dẫn, nêu và giải quyết vấn đề. - GV dự đoán những câu trả lời hoặc câu hỏi của HS có thể có, từ đó đưa ra những câu hỏi mang tính hướng dẫn tiếp theo. - GV phải soạn sẵn những kết luận tương ứng cho mỗi vấn đề đã đưa ra. 1.6.2.6 Thiết kế tiến trình hoạt động dạy học cụ thể [6], [22] Đây chính là việc soạn thảo một giáo án chi tiết dựa trên sơ đồ tiến trình dạy học từng đơn vị kiến thức đã lặp. Giáo án chi tiết này phải thể hiện được ý định của GV trong việc tổ chức, kiểm tra, định hướng hành động của HS một cách chi tiết, từng bước cụ thể. Tiến trình này là một bảng hướng dẫn GV hành động, nhưng nó mang tính linh động và tùy theo diễn biến của tiết học mà GV có thể thay đổi các khâu cho phù hợp với từng đối tượng, từng điều kiện môi trường cụ thể… Vì vậy, việc dạy học cũng là một phần nghệ thuật đòi hỏi rất nhiều sự sáng tạo của mỗi GV. 1.7. Thực tiễn dạy học chương "Cảm ứng điện từ" ở một số trường THPT thành phố Hồ Chí Minh [9], [16], [33] 1.7.1. Mục đích điều tra Những khó khăn của HS và GV trong quá trình dạy học là một trong những cơ sở để soạn thảo tiến trình dạy học nhằm phát huy tính tích cực, chủ động, bồi dưỡng năng lực sáng tạo cho HS. Vì vậy, chúng tôi đã tiến hành tìm hiểu và thu thập một số thông tin về thực tế dạy học chương "Cảm ứng điện từ" ở một số trường THPT. - Những khó khăn chủ yếu, sai lầm phổ biến của HS khi học phần này. - Tình hình tổ chức hoạt động nhận thức cho HS khi dạy học phần này. - Cuộc điều tra cũng quan tâm đến việc soạn thảo một số giáo án của một số GV, phân tích những ưu, nhược điểm điểm của những giáo án đó và những khó khăn GV gặp phải khi dạy các kiến thức chương "Cảm ứng điện từ". Từ đó, bước đầu phân tích nguyên nhân, thu thập kinh nghiệm làm cơ sở soạn thảo tiến trình dạy học chương "Cảm ứng điện từ" với mong muốn phát huy được tính tích cực, chủ động, bồi dưỡng năng lực sáng tạo của HS. 1.7.2. Phương pháp điều tra Để đạt được mục đích nêu trên, chúng tôi đã tiến hành: - Điều tra GV: dùng phiếu điều tra, trò chuyện, tham khảo giáo án. - Điều tra HS: tham khảo các bài kiểm tra, trò chuyện, dự giờ. 1.7.3. Kết quả điều tra Qua bước đầu thăm dò ý kiến, tìm hiểu thực tiễn dạy học chương “cảm ứng điện từ” ở một số trường trung học phổ thông MĐC, NK tại thành phố Hồ Chí Minh, chúng tôi nhận thấy: 1.7.3.1. Về phương tiện dạy học (ở đây chủ yếu đề cập đến thiết bị thí nghiệm) Một số trường có từ 5 – 8 điện kế rất nhạy để phát hiện dòng điện cảm ứng nhưng các cuộn dây thì có số vòng không giống nhau. Các thanh nam châm có thể tạo ra từ trường rất yếu. Bộ thí nghiệm để nghiên cứu hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng trong đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường hầu như không thể thực hiện được. Lý do: không có bộ dụng cụ. GV còn ngại tự chế tạo bộ dụng cụ thí nghiệm hoặc nếu có thì từ trường đều giữa nam châm chữ U trong nhà trường không đủ để tạo ra hiện tượng. 1.7.3.2. Về phương pháp và quan điểm dạy học của GV - Còn nhiều GV thờ ơ với quan điểm cần bồi dưỡng phương pháp nhận thức khoa học cho HS. Trong đó, PPTN đã trở thành một yếu tố kiến thức cần phải trang bị cho HS. - GV toàn thành phố Hồ Chí Minh đã được học bồi dưỡng thường xuyên về các chuyên đề: “Tổ chức hoạt động nhận thức của HS theo hướng phát triển năng lực tìm tòi sáng tạo, giải quyết vấn đề và tư duy khoa học”; “Bồi dưỡng PPTN cho ….”. Sau những đợt bồi dưỡng thường xuyên chu kỳ III Sở Giáo Dục và Đào Tạo thành phố Hồ Chí Minh đã tổ chức kỳ thi ngày 11 tháng 1 năm 2009 để kiểm tra, đánh giá kết quả đợt bồi dưỡng GV. Tuy nhiên, sự vận dụng của GV vào thực tiễn dạy học còn rất hạn chế. Lý do: Vận dụng những phương pháp dạy học tích cực sẽ tốn rất nhiều thời gian chuẩn bị. Mặt khác, thời gian phân phối chương trình cho mỗi bài học hiện nay không dễ để tổ chức hoạt động cho HS. - Một lý do quan trọng nữa là nếu tổ chức hoạt động cho HS thì họ sẽ có rất ít thời gian luyện giải bài tập. Trong khi quá trình kiểm tra, đánh giá kết quả dạy học hiện nay vẫn mang nặng việc kiểm tra khả năng giải bài tập của HS. Hiện vẫn chưa có một quá trình nào kiểm tra, đánh giá tính tích cực, tự lực, sáng tạo của HS. - Chương “cảm ứng điện từ” được các GV đánh giá là chương khó. Nên đa số các GV chọn giải pháp dạy học bằng phương pháp thông báo những kiến thức trung tâm của chương. Từ đó rèn luyện kỹ năng giải bài tập cho HS để đáp ứng yêu cầu của các kì kiểm tra đánh giá kết quả học tập của HS. - Những dụng cụ, thiết bị thí nghiệm sử dụng cho chương "Cảm ứng điện từ" theo thiết kế hiện có nặng nề, cồng kềnh, khá phức tạp nên nhiều GV còn ngại mang lên lớp. Trong khi phòng thí nghiệm, phòng bộ môn ở các trường THPT chỉ có từ một đến hai phòng. 1.7.3.3. Về quan điểm và phương pháp học tập của HS Đa số trong quá trình học là nghe GV giảng bài. HS quen với việc nghe giảng, chép bài. Những giờ học có thí nghiệm (trừ những giờ thí nghiệm thực hành) HS thường theo dõi GV tiến hành thí nghiệm. Rất ít trường hợp HS tham gia nêu dự đoán, đề xuất thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm trực diện tại lớp. HS quen với việc sau khi học lí thuyết sẽ được hướng dẫn giải một số bài tập mẫu, sau đó làm những bài tương tự. HS chỉ chú trọng đến việc họ có giải đúng bài tập hay không. Một số trường hợp HS giải bài tập một cách máy móc, họ chỉ quan tâm đến đáp số mà ít chú trọng đến ý nghĩa vật lí của đáp số đó. 1.7.3.4. Những khó khăn chủ yếu, những sai lầm phổ biến của HS khi học chương “Cảm ứng điện từ” HS thường khó khăn trong việc nắm vững bản chất vật lí các hiện tượng. Các khái niệm trừu tượng và HS cần phải nắm vững bản chất vật lí kèm theo khả năng toán học tốt. Trong khi khả năng toán học của HS còn chưa tốt. HS còn gặp khó khăn trong việc áp dụng định luật Lenz để xác định chiều của dòng điện cảm ứng. HS thường nhầm lẫn khi phân biệt và sử dụng quy tắc bàn tay trái, quy tắc bàn tay phải, quy tắc nắm tay phải. Khi sử dụng quy tắc bàn tay phải, HS thường nhầm lẫn chiều từ cổ tay đến các ngón tay và chiều từ cực dương sang cực âm của nguồn điện. Thời điểm học gần Tết Nguyên Đán nên tâm lí HS có phần lơ là, khó tiếp thu. Kết luận chương 1 Qua việc nghiên cứu lí luận về dạy học và tổ chức hoạt động nhận thức cho HS phổ thông trong dạy học vật lí, đặc biệt là việc sử dụng PPTN trong dạy học vật lí ở trường phổ thông, chúng tôi nhận thấy: - Học là hành động của HS xây dựng kiến thức cho bản thân mình, dạy là dạy hành động cho HS. Có thể nói, dạy học là hoạt động. Trong đó dạy là dạy bằng hoạt động, thông qua hoạt động của HS, học là bằng hoạt động của HS, thông qua hoạt động của bản thân mà chiếm lĩnh, vận dụng kiến thức và phát triển năng lực trí tuệ cũng như quan điểm đạo đức, thái độ. - PPTN là một trong những phương pháp nhận thức khoa học phổ biến. Việc tổ chức cho HS hoạt động theo các giai đoạn của PPTN là giúp cho HS có thể bằng hoạt động của bản thân mà tái tạo, chiếm lĩnh các kiến thức vật lí. Với ý tưởng sử dụng các giai đoạn của PPTN vào dạy học, chúng tôi đã: - Nhận thấy và vạch ra những đặc điểm, yêu cầu đối với hoạt động của GV và HS trong mỗi giai đoạn của PPTN khi vận dụng vào dạy học. - Dự kiến những dấu hiệu của tính tích cực, tự lực, năng lực sáng tạo có thể biểu hiện ở HS trong từng giai đoạn dạy học khi phỏng theo PPTN. - Đưa ra được những dấu hiệu để phân chia và phân chia các mức độ yêu cầu đối với việc học của HS và hướng dẫn của GV trong mỗi giai đoạn của PPTN. Chương 2: XÂY DỰNG TIẾN TRÌNH DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC THUỘC CHƯƠNG "CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ" LỚP 11 THPT THEO CÁC GIAI ĐOẠN CỦA PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM NHẰM PHÁT HUY TÍNH TÍCH CỰC, TỰ CHỦ, BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC SÁNG TẠO CỦA HỌC SINH 2.1 Đặc điểm của chương “Cảm ứng điện từ” 2.1.1 Đặc điểm chung của chương “Cảm ứng điện từ” Hiện tượng cảm ứng điện từ là một trong những hiện tượng cơ bản nhất của điện động lực học. Việc nghiên cứu hiện tượng này không đơn thuần là tìm hiểu một hiện tượng, mà còn để tích lũy vốn tri thức, đảm bảo việc hiểu sâu sắc những ứng dụng vật lí của hiện tượng vào đời sống, kĩ thuật. Trong hệ thống cấu trúc chương trình vật lí: "Cảm ứng điện từ" là chương kết thúc phần điện học – điện từ học. Có thể nói, chương "Cảm ứng điện từ" là nhịp cầu nối giữa kiến thức về các hiện tượng điện từ đã nghiên cứu trước đó (dòng điện sinh ra từ trường, từ trường của một số dòng điện đơn giản) với những nội dung sẽ nghiên cứu (nguyên tắc sinh ra dòng điện xoay chiều; nguyên tắc hoạt động của máy phát điện một chiều và xoay chiều, máy biến thế, động cơ không đồng bộ ba pha…). HS có thể hiểu sâu sắc bản chất vật lí của những ứng dụng kĩ thuật sẽ học ở lớp 12 khi mà họ hiểu được bản chất hiện tượng cảm ứng điện từ và những quy luật tri phối hiện tượng này. Do đó, chương này cung cấp cho HS một vốn hiểu biết cơ bản về những hiện tượng, khái niệm, định luật, ứng dụng liên quan giữa hai hiện tượng: “điện” và “từ” thường gặp trong đời sống, khoa học kĩ thuật. Quá trình học tập các kiến thức ở chương này đòi hỏi và cho phép HS làm quen với các phương pháp nhận thức đặc thù của vật lí, đặc biệt là PPTN. Cùng với tác dụng giúp HS nắm vững những hiện tượng, khái niệm, định luật và nguyên lí vật lí của các ứng dụng, chương "Cảm ứng điện từ" còn là phương tiện để rèn luyện các kỹ năng thực hành, hoạt động trí óc và tay chân, qua đó mở rộng vốn hiểu biết cơ bản đồng thời phát huy năng lực sáng tạo của HS. 2.1.2 Phân phối chương trình chương "Cảm ứng điện từ" ở lớp 11 THPT của chương trình nâng cao Chương "Cảm ứng điện từ" gồm 8 tiết, bắt đầu từ tiết 58 đến tiết 65 trong chương trình vật lí 11 nâng cao, trong đó có 6 tiết nghiên cứu kiến thức mới. Nội dung các tiết như sau: STT Tiết trong phân phối chương trình Bài 1 58 Hiện tượng cảm ứng điện từ. Suất điện động cảm ứng 2 59 Hiện tượng cảm ứng điện từ. Suất điện động cảm ứng 3 60 Suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động 4 61 Bài tập 5 62 Dòng điện Fu – cô 6 63 Hiện tượng tự cảm 7 64 Năng lượng từ trường. Tổng kết chương 8 65 Bài tập về cảm ứng điện từ 2.1.3 Đặc điểm phương pháp dạy học Bồi dưỡng phương pháp nhận thức đặc thù của vật lí học là một trong những mục tiêu cần đạt đến trong chương trình vật lí THPT. Kiến thức không phải là mục đích cuối cùng và duy nhất của việc dạy học, kiến thức chỉ là phương tiện để nhận thức và tư duy [4]. Ở chương này, các kiến thức chủ yếu được xây dựng từ thực nghiệm, trong đó có một số kiến thức có thể xây dựng theo các giai đoạn của PPTN như: hiện tượng cảm ứng điện từ, định luật Lenz, hiện tượng tự cảm… Do đó, cần phải lựa chọn PPDH sao cho phù hợp với đặc điểm kiến thức và mức độ kiến thức cần giảng dạy của chương, đồng thời phải đóng vai trò quyết định trong việc hình thành vả phát triển năng lực trí tuệ cho HS. Thiết nghĩ, để làm được những yêu cầu trên, trước hết là tổ chức HĐNT cho HS theo các giai đoạn của PPTN – một trong những phương pháp nhận thức đặc thù của khoa học vật lí khi dạy học chương này. 38 2.2 Cấu trúc logic nội dung các kiến thức chương "Cảm ứng điện từ" 2.2.1 Vị trí chương "Cảm ứng điện từ" trong chương trình vật lí phổ thông Vật lý phổ thông Vật lý THPT Vật lý THCS Vòng 1 Vòng 2 Cơ lớp 6 Cơ lớp 8 Nhiệt lớp 6 Nhiệt lớp 8 Điện – từ lớp 9 Quang lớp 7 Quang lớp 9 Âm lớp 6 Điện lớp 7 Cơ lớp10 Nhiệt lớp 10 Điện – từ lớp 11 Quang lớp 11 Cảm ứng điện từ Quang lớp 12 Vật lí hạt nhân nguyên tử 12 Các máy điện: máy phát điện, động cơ điện, máy biến thế Điện – từ lớp 12 39 2.2.2 Sơ đồ logic trình bày các kiến thức trong chương "Cảm ứng điện từ" Từ thông - Là đại lượng đặc trưng cho số đường cảm ứng từ xuyên qua diện tích S. - Biểu thức  = BScos Hiện tượng cảm ứng điện từ: Khi có sự biến đổi từ thông qua mặt giới hạn bởi mạch điện kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng Chiều dòng điện cảm ứng Chiều dòng điện cảm ứng Năng lượng từ trường Định luật Len_xơ: Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân, đã sinh ra nó. Qui tắc bàn tay phải : Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón cái choãi ra 900 hướng theo chuyển động của đoạn dây, khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trò như một nguồn điện, chiều từ cổ tay đến 4 ngón tay chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện đó. Định luật Faraday: độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch. ce N t    Suất điện động trong 1 đoạn dây dẫn chuyển động | |ce Blv Năng lượng của ống dây có dòng điện W= 1 2 Li2 Năng lượng từ trường W= 7 21 10 8 B Định nghĩa dòng điện Fu-Cô: Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong khối vật dẫn khi nó chuyển động trong từ trường hay được đặt trong từ trường biến đổi theo thời gian, gọi là dòng điện Foucault. - Một vài ứng dụng của dòng điện Fu-cô: bộ phanh điện từ trong công tơ điện, nung nóng kim loại… - Một vài tác hại của dòng điện Fu-cô : chống lại sự quay của các động cơ điện, làm nóng lõi sắt trong máy biến thế… Dòng điện Fu-Cô Hiện tượng tự cảm Định nghĩa hiện tượng tự cảm: là hiện tượng cảm ứng điện từ trong một mạch điện do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch đó gây ra. - Biểu thức tính hệ số tự cảm của ống dây dài đặt trong không khí 7 24 .10L n Vp -= - Biểu thức xác định suất điện động tự cảm: tc ie L t D= - D Diễn giải sơ đồ: Từ thực nghiệm khi có sự chuyển động của nam châm và ống dây, ta thấy khi số đường sức từ của nam châm qua ống dây biến đổi ( hay từ thông qua diện tích S của ống dây biến đổi ) thì kim điện kế lệch khỏi vạch 0. Hiện tượng xuất hiện dòng điện trên được gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. Vậy, hiện tượng cảm ứng điện từ 40 có đặc điểm thế nào, dòng điện sinh ra có chiều ra sao? Hiện tượng cảm ứng điện từ là hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng khi có sự biến đổi từ thông ( là một đại lượng đặc trưng cho số đường cảm ứng từ xuyên qua diện tích S ) qua mặt giới hạn bởi một mạch điện kín. Khi nghiên cứu về hiện tượng cảm ứng điện từ, chương trình Vật Lý 11 – THPT đề cập 3 vấn đề: + Chiều dòng điện cảm ứng. + Suất điện động cảm ứng. + Năng lượng từ trường. Về chiều dòng điện cảm ứng: Chiều dòng điện cảm ứng được xác định bằng định luật Len-xơ hay quy tắc bàn tay phải. Cụ thể, trong trường hợp đưa nam châm lại gần, ra xa ống dây ta thấy từ trường của dòng điện cảm ứng trong ống dây như muốn ngăn cản nam châm lại gần hoặc ra xa nó, ở đây ta dùng định luật Len-xơ để xác định chiều dòng điện cảm ứng. Trong trường hợp khi một đoạn dây dẫn chuyển động cắt các đường sức từ trên 2 thanh ray dẫn điện, chiều dòng điện cảm ứng được xác định bằng quy tắc bàn tay phải. Về suất điện động cảm ứng: Khi có sự biến thiên của từ thông qua mặt giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng. Từ thực nghiệm, Faraday đã đưa ra định luật: Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỷ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch. Trường hợp suất điện động cảm ứng trong một đoạn dây dẫn chuyển động được tính bằng công thức: | | | |ce Blvt   . Về năng lượng từ trường: Khi có dòng điện cường độ i chạy qua ống dây có hệ số tự cảm L thì năng lượng trong ống dây là: 212W Li . Khi cho dòng điện chạy qua ống dây thì trong ống dây có từ trường. Vì vậy, người ta quan niệm năng lượng của ống dây chính là năng lượng từ trường trong ống dây đó. Trên cơ sở các vấn đề trên, chương “ cảm ứng điện từ ” – Vật Lý 11 THPT nghiên cứu các trường hợp cụ thể là: Dòng điện Fu-cô và hiện tượng tự cảm. Chương trình đã đưa ra định nghĩa dòng Fu-cô, một số ứng dụng của dòng Fu-cô. Định nghĩa hiện tượng tự cảm, biểu thức tính độ tự cảm và suất điện động tự cảm. 41 2.2.3 Sơ đồ phát triển mạch kiến thức chương “Cảm ứng điện từ” Từ thí nghiện Ơ – Xtét cho thấy dòng điện sinh ra từ trường. Ngược lại từ trường sinh ra dòng điện không? Từ thí nghiệm Fa – ra – day rút ra kết luận “Bản thân từ trường không sinh ra dòng điện nhưng từ trường qua 1 mạch điện kín thay đổi theo thời gian thì sinh ra dòng điện”. Phân tích các kết quả của một số thí nghiệm, theo mô hình của khái niệm từ thông, đi đến kết luận: “Mỗi khi từ thông qua một mạch điện kín biến thiên thì trong mạch xuất hiện dòng điện, gọi là dòng điện cảm ứng. * Dựa vào thuyết electron cổ điển và đặc điểm tác dụng lực lên hạt mang điện chuyển động từ trường, từ công thức c de N dt   và  = BS cos suy ra được: Đối với 1 đoạn dây dẫn chuyển động cắt các đường sức từ, mặc dù không có dòng điện cảm ứng nhưng vẫn có suất điện động cảm ứng | | since Bvl  * Coi đoạn dây như một nguồn điện, suy luận được qui tắc bàn tay phải. * Làm TN kiểm tra nhận định trên. Tìm hiểu qui luật về chiều dòng điện cảm ứng, từ thí nghiệm rút ra kết luận “Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra chống lại nguyên nhân sinh ra nó”. * Có thể suy luận: Khi dòng diện trong 1 mạch kín biến đổi thì  qua mạch đó biến đổi trong mạch đó xuất hiện dòng điện cảm ứng. Hiện tượng này gọi là hiện tượng tự cảm. * Làm 1 số thí nghiệm kiểm tra. Dựa trên suy luận tương tự: Nguồn điện 1 chiều sinh ra dòng điện 1 chiều. Đặc trưng cho khả năng sinh công của nguồn điện là suất điện động. Do đó có dòng điện cảm ứng thì phải có suất điện động cảm ứng và định nghĩa "Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín là suất điện động cảm ứng”. Khái quát " khi có sự biến thiên từ thông qua mặt giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng.” Trên cơ sở kết quả của các thí nghiệm, phân tích và rút ra được biểu thức tính độ lớn suất điện động cảm ứng trong mạch điện kín c de N dt   * Suất điện động cảm ứng sinh ra trong hiện tượng tự cảm gọi là suất điện động tự cảm. * Nguyên nhân trực tiếp gây ra hiện tượng tự cảm là sự biến thiên dòng điện trong mạch, nên cần thiết lập quan hệ giữa  và i =>  = Li =>  = Li * Thông báo L là hệ số tự cảm của mạch điện L= 410-7n2 V. * Suy luận được: e= iL t t     * Dòng điện cảm ứng xuất hiện trong các dây dẫn của mạch điện kín khi  qua mạch biến thiên, suy luận được: khi khối vật dẫn chuyển động trong từ trường hay từ trường qua nó biến thiên theo thời gian thì trong nó cũng xuất hiện dòng điện cảm ứng gọi là dòng Fu-cô. * Làm thí nghiệm minh hoạ * Nêu 1 số ví dụ sự xuất hiện dòng Fuco trong thực tế. * Suy luận từ các TN của hiện tượng tự cảm đi đến kết luận “Khi ống dây mang dòng điện thì trong ống có năng lượng” * Thông báo công thức tính : + Năng lượng của ống dây có dòng điện : 21 2 w Li +Mật độ năng lượng từ trường: 7 21 10 8 w B Trên cơ sở kiến thức “ Có thể mô tả từ trường bằng các đường sức từ. Từ trường qua diện tích S thay đổi thì số đường sức từ qua diện tích đó thay đổi. Quy ước về số đường sức từ qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với B bằng độ lớn của cảm ứng từ tại đó”, đưa ra khái niệm từ thông 42 2.3 Mục tiêu cần đạt được khi dạy chương “Cảm ứng điện từ.” [2], [5], [6], [17], [18] 2.3.1 Mục tiêu về nội dung kiến thức cần nắm vững 2.3.1.1 Các khái niệm, đại lượng - Từ thông: Đại lượng đặc trưng cho số đường cảm ứng từ xuyên qua diện tích S đặt vuông góc với đường sức từ: B.S.cos   (2.1) - Dòng điện cảm ứng: là dòng điện xuất hiện khi có sự biến đổi từ thông qua mạch kín. - Suất điện động cảm ứng: Là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín ce t    (2.2). Khi có sự biến đổi từ thông qua mặt giới hạn bởi một mạch kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng. - Suất điện động cảm ứng trong đoạn dây chuyển động trong từ trường: ce Bvlsin  (2.3). - Dòng điện Foucault: Là dòng điện cảm ứng được sinh ra trong khối vật dẫn khi vật dẫn chuyển động trong từ trường hay được đặt trong từ trường biến đổi theo thời gian. - Hệ số tự cảm: Là hệ số tỉ lệ trong biểu thức Li  (2.4) - Suất điện động tự cảm: là suất điện động được sinh ra do hiện tượng tự cảm tc ie L t    (2.5) - Năng lượng từ trường: Năng lượng của ống dây khi có dòng điện i chạy qua chính là năng lượng từ trường của ống dây đó 21W Li 2  (2.6). Năng lượng từ trường là một trong những tính chất cơ bản của từ trường. - Mật độ năng lượng từ trường: 7 21w 10 B 8   (2.7) 2.3.1.2 Các hiện tượng, định luật, quy tắc - Hiện tượng cảm ứng điện từ: là hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng. 43 - Hiện tượng tự cảm: là hiện tượng cảm ứng điện từ trong một mạch điện do chính sự biến đổi của dòng điện trong mạch đó gây ra. - Định luật Lenz: Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân đã sinh ra nó. - Định luật Faraday: độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch ce t    . - Quy tắc bàn tay phải: Đặt bàn tay phải hứng các đường sức từ, ngón cái choãi ra 900 hướng theo chiều chuyển động của đoạn dây, khi đó đoạn dây dẫn đóng vai trò như một nguồn điện, chiều từ cổ tay đến bốn ngón tay chỉ chiều từ cực âm sang cực dương của nguồn điện đó. 2.3.1.3 Các ứng dụng - Đoạn dây dẫn chuyển động trong từ trường được ứng dụng chế tạo máy phát điện. - Tác dụng của dòng Foucault, giải thích nguyên tắc hoạt động của phanh điện từ ở xe tải, công tơ điện dùng trong gia đình, giải thích nguyên nhân lõi sắt của máy biến thế có nhiều nhiều lá thép kỹ thuật có lớp sơn cách điện ghép với nhau. - Giải thích nguyên nhân làm hư bóng đèn khi bật tắt công tắc điện liên tục. 2.3.1.4 Phương pháp nhận thức đặc thù của khoa học vật lý trong chương - Phương pháp nhận thức đặc thù của khoa học vật lý trong chương là PPTN. 2.3.2 Mục tiêu về kỹ năng 2.3.2.1 Trong khi học - Dự đoán được câu trả lời sơ bộ (nêu được giả thuyết) cho vấn đề nhận thức đã đưa ra. - Thiết kế phương án thí nghiệm kiểm tra. - Tiến hành thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ và xử lí kết quả thu được. 2.3.2.2 Sau khi học - Vận dụng được công thức B.S.cos   để tính từ thông qua một diện tích S trong các trường hợp khác nhau. 44 - Vận dụng được các hệ thức ce t    , ce Bvlsin  trong những trường hợp khác nhau. - Xác định được chiều dòng điện cảm ứng theo định luật Lenz và theo quy tắc bàn tay phải. - Tính được suất điện động tự cảm trong ống dây khi dòng điện chạy qua nó có cường độ biến đổi đều theo thời gian. - Tính được năng lượng từ trường trong ống dây. - Kỹ năng giải thích ý nghĩa vật lí các kết quả thu được. 2.3.3 Mục tiêu về hình thành và rèn luyện các thái độ tình cảm, năng lực nhận thức - Có hứng thú học vật lí, yêu thích tìm tòi khoa học, trân trọng đối với những đóng góp của vật lí học cho sự tiến bộ của xã hội và đối với công lao của các nhà khoa học. Đặc biệt công lao và tấm gương của nhà bác học Faraday. - Có thái độ khách quan, trung thực; có tác phong tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác, tinh thần hợp tác trong việc học tập nói chung, tiến hành thí nghiệm nói riêng cũng như trong việc áp dụng các kết quả đạt được. - Có ý thức vận dụng những hiểu biết vật lí vào đời sống nhằm cải thiện điều kiện sống, bảo vệ và giữ gìn môi trường sống. 2.4 Thiết kế phương án dạy học các bài học cụ thể 2.4.1 Hiện tượng cảm ứng điện từ. Suất điện động cảm ứng 2.4.1.1 Mục tiêu của bài học [1], [2], [17], [18] a) Kiến thức - Trong khi học: + Nêu được dự đoán cho vấn đề “Từ trường có sinh ra dòng điện không”. + Đề xuất được phương án thí nghiệm, bố trí, tiến hành thí nghiệm để kiểm tra dự đoán đã nêu. + Từ kết quả thí nghiệm, dự đoán được nguyên nhân xuất hiện dòng điện cảm ứng trong cuộn dây. 45 + Từ hiện tượng cảm ứng điện từ, đề xuất vấn đề cần nghiên cứu tiếp theo. + Đề xuất được giả thuyết về chiều của dòng điện cảm ứng + Đề xuất được phương án thí nghiệm để xác định chiều của dòng điện cảm ứng. + Tự lực phát biểu được định luật Lenz. + Tham gia trả lời được các câu hỏi trong SGK. - Sau khi học: + Phát biểu được định nghĩa, ý nghĩa của từ thông. + Phân biệt được hiện tượng cảm ứng điện từ, dòng điện cảm ứng, suất điện động cảm ứng trong mạch điện kín. + Nêu được điều kiện để từ thông biến thiên. + Phát biểu được định luật Lenz theo các cách khác nhau. + Phát biểu được định luật Faraday b) Kỹ năng + Đề xuất phương án thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm để xuất hiện dòng điện cảm ứng theo các cách khác nhau để xây dựng định luật Lenz. + Xử lí kết quả của các thí nghiệm để rút ra được quy luật tổng quát. + Vận dụng định luật Lenz để xác định chiều dòng điện cảm ứng trong những trường hợp cụ thể. + Vận dụng định luật Faraday để xác định suất điện động cảm ứng, tốc độ biến thiên từ thông qua các mạch điện kín. + Vận dụng kết hợp các công thức tính từ thông, định luật Lenz, định luật Faraday để giải một số bài tập tổng hợp. c) Tình cảm, thái độ + Thái độ hợp tác với bạn, với GV khi làm việc nhóm. + Rèn luyện tính tích cực, thái độ trung thực khi làm việc. + Rèn luyện thái độ khách quan, trung thực, tác phong tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác, tinh thần hợp tác khi tiến hành thí nghiệm, xử lí các kết quả thí nghiệm. 46 2.4.1.2 Sơ đồ cấu trúc nội dung và tiến trình xây dựng kiến thức Đơn vị kiến thức 1: Khái niệm từ thông và hiện tượng cảm ứng điện từ. Phủ nhận Vấn đề: Từ trường có thể sinh ra dòng điện được không? Phán đoán ngược Thí nghiệm Kinh nghiệm đã biết Giả thuyết 1: Từ trường có thể sinh ta được dòng điện Hệ quả 1: Mọi chuyển động tương đối giữa nam châm và ống dây đều sinh ra dòng điện trong ống dây. Hệ quả 2: Khi không có chuyển động tương đối giữa nam châm và ống dây thì trong ống dây không có dòng điện. Giả thuyết 3: Dòng điện trong ống dây xuất hiện khi có sự thay đổi số dường sức từ xuyên tiết diện S của ống dây. Các hệ quả:Dòng điện trong ống dây xuất hiện khi có: 1.sự biến đổi B (sự biến đổi I). 2.sự biến đổi S. ế ổ  Thí nghiệm kiểm tra: S N S N S N Thí nghiệm kiểm tra: K E Dòng điện sinh ra từ trường Giả thuyết 2: Dòng điện trong ống dây xuất hiện khi có chuyển động tương đối giữa nam châm và ống dây Khẳng định Thí nghiệm kiểm tra: 1 2 giảm số vòng dây 3. quay khung dây trong từ trường (biến đổi  ) K E Khẳng định Khái niệm từ thông Mô hình đường sức từ Sn S Khái niệm: - Dòng điện cảm ứng. - Suất điện động cảm ứng. - Hiện tượng cảm ứng điện từ 47 Đơn vị kiến thức 2: Chiều của dòng điện cảm ứng. Định luật Lenz. Địng luật Lenz: Dòng điện cảm ứng trong mạch kín phải có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân đã sinh ra nó. Vấn đề: Dòng điện cảm ứng trong mạch có chiều như thế nào? Giả thuyết 1: Chiều dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào chiều Br qua ống dây? Cần quan tâm đến yếu tố nào của một dòng điện? Sự xuất hiện dòng điện cảm ứng và số đường sức từ qua ống dây có mối quan hệ gì? Chiều dòng điện cảm ứng có thể phụ thuộc yếu tố nào? Thí nghiệm kiểm tra: Yêu cầu HS quan sát sự sáng của các bóng đèn trong các trường hợp: - Nam châm và ống dây chuyển động tương đối. - Thay đổi từ trường trong lòng ống dây. Vận dụng các kiến thức: đường sức từ, quy tắc nắm tay phải, khái niệm từ thông… để tìm ra quy luật xác định chiều dòng điện cảm ứng. 3. Nam châm ra xa ống dây: cB B   r r S N cB r B r 2. Nam châm lại gần ống dây: cB B   r r S N B r cB r 4. Mở K: cB B   r r K E cB r B r 5. Đóng K: cB B   r r K E B r cB r 1. Xác định mối quan hệ giữa chiều dòng điện trong cuộn dây và sự sáng của hai loại đèn: 48 Đơn vị kiến thức 3: Định luật Faraday về cảm ứng điện từ. Khi nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ ngoài vấn đề điều kiện xuất hiện chiều của dòng điện cảm ứng, cần nghiên cứu tiếp vấn đề gì Vấn đề: Suất điện động cảm ứng sinh ra dòng điện cảm ứng phụ thuộc vào yếu tố nào? Định luật Faraday: Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch. Biểu thức tính suất điện động trong một mạch kín: + 1 vòng dây: ce t    + N vòng dây: ce N t    2.4.1.3 Xác định các phương tiện, đồ dùng dạy học cần thiết a) Bộ thí nghiệm theo đề xuất của SGK - Dụng cụ: Một ống dây, một thanh nam châm, một điện kế rất nhạy, một vòng dây hoặc một cuộn dây phẳng, một biến trở, một ngắt điện, một bộ pin hay acquy. 0 mA S N - Mục đích thí nghiệm: Đơn vị kiến thức 1: Nêu trường hợp trong đó xuất hiện dòng điện trong mạch kín. Đơn vị kiến thức 2: Chiều của dòng điện cảm ứng. Định luật Lenz: phát biểu được định Lenz. - Các bước tiến hành: + Đơn vị kiến thức 1: Thí nghiệm như hình 38.1.a SKG: giữ nam châm đứng yên, ống dây chuyển động thì thấy kim điện kế lệch khỏi 0. 49 Thí nghiệm như hình 38.1.b SGK: giữ ống dây đứng yên, nam châm chuyển động thì thấy kim điện kế lệch khỏi 0. Thí nghiệm như hình 38.2 SGK: cả vòng dây và ống dây đứng yên, điều chỉnh biến trở để ống dây thay đổi. Nghĩa là, từ trường trong ống dây thay đổi dẫn đến số đường sức từ trường qua vòng dây thay đổi. Kết quả: kim điện kế cũng lệch khỏi 0. + Đơn vị kiến thức 2: Thông qua nguồn điện một chiều, xác định mối quan hệ giữa chiều lệch của kim điện kế với chiều của dòng điện trong ống dây. Thí nghiệm hình 38.5 (a và b) SGK ; đưa nam châm lại gần hay ra xa ống dây thì thấy kim điện kế lệch sang trái hoặc phải, từ đó rút ra cách xác định chiều dòng điện cảm ứng trong ống dây. b) Bộ thí nghiệm cải tiến [13], [22], [35] - Cơ sở của việc cải tiến: dạy học cho HS đóng vai trò của nhà bác học, sử dụng PPTN để họ hoạt động tích cực, tự lực đòi hỏi phải chuẩn bị cho HS những phương tiện hoạt động thích hợp. Ở đây là trang thiết bị thí nghiệm. Trong việc dạy học theo hướng đưa HS vào vị trí chủ thể hoạt động nhận thức, thí nghiệm đồng loạt có vai trò rất quan trọng, dần dần thay thế cho thí nghiệm biểu diễn của GV. Để thực hiện được loại thí nghiệm này, một trong những yêu cầu là sử dụng càng nhiều càng tốt những dụng cụ, thiết bị, vật liệu dễ kiếm, quen thuộc với HS. Trong khi đó, nếu sử dụng bộ thí nghiệm như SGK đề xuất thì rất khó để HS tiến hành thí nghiệm đồng loạt. Lí do: vì điện kế dùng để phát hiện dòng điện cảm ứng phải là điện kế rất nhạy. Mà dụng cụ càng chính xác càng dễ hư hỏng. Mặt khác, điện kế nhạy ở trường phổ thông chỉ có tủ rất ít, khó có thể đủ số lượng cung cấp cho HS làm thí nghiệm đồng loạt. Trước những khó khăn đó, chúng tôi cải tiến bộ thí nghiệm bằng cách thay thế điện kế bằng bộ hệ thống đèn Led, vừa gọn nhẹ, vừa dễ kiếm lại có thể nhìn thấy ngay chiều dòng điện cảm ứng theo chiều quấn của các đèn. 50 S N Như vậy, so với bộ thí nghiệm SGK đề xuất, bộ thí nghiệm cải tiến có ưu điểm gọn nhẹ, HS dễ kiếm, trực quan hơn, không những giúp phát hiện ra dòng điện cảm ứng còn nhận biết chiều của dòng cảm ứng qua mạch dễ dàng hơn, giúp tiết kiệm thời gian, đơn giản việc dạy học. c) Phương tiện dạy học cần thiết 10 Bộ thí nghiệm gồm: ống dây, đèn Led, pin, nam châm thẳng có thể quay quanh trục thẳng đứng. 2.4.1.4 Những chuẩn bị về phương tiện, đồ dùng dạy học cần thiết của GV, HS a) GV Hướng dẫn, yêu cầu HS quấn dây dẫn thành ống, mắc các bóng đèn led thành 2 dãy song song mổi dãy một màu có chiều ngược nhau. Cách kiểm tra sự thành công: nối hai dầu dây với 2 cực của pin có dãy đèn thứ nhất sáng đảo cực ở hai đầu dây, dãy đèn thứ hai sáng. Chuẩn bị phiếu học tập cho HS với nội dung sau: Phiếu học tập cá nhân (phiếu số 1) I. Hiện tượng cảm ứng điện từ 1. Thí nghiệm: a) Phán đoán 1: (Giả thuyết 1) Thí nghiệm kiểm tra:................................................................... Kết quả:....................................................................................... b) Phán đoán 2: (Giả thuyết 2) Thí nghiệm kiểm tra:................................................................... Kết quả:....................................................................................... 51 c) Phán đoán 3: (Giả thuyết 3) Thí nghiệm kiểm tra: .................................................................. Kết quả: ...................................................................................... 2. Từ thông: a. Định nghĩa:.............................................................................. b. Ý nghĩa của từ thông:.............................................................. c. Đơn vị của từ thông: ............................................................... 3. Hiện tượng cảm ứng điện từ. a. Dòng điện cảm ứng: ............................................................... b. Suất điện động cảm ứng: ....................................................... c. Hiện tượng cảm ứng điện từ: .................................................. II. Chiều của dòng điện cảm ứng. Định luật Lenz 1. Vấn đề cần nghiên cứu: .............................................................................. 2. Giả thuyết: ................................................................................................... 3. Thí nghiệm kiểm tra: ................................................................................... 4. Kết luận........................................................................................................ III. Định luật Faraday: ............................................................................................................................. Phiếu học tập nhóm (phiếu số 2). Câu 1: Xác định chiều dòng điện cảm ứng trong một số trường hợp sau: Nam châm quay 900 đến vị trí sao cho cực nam hướng vào (C) S N (C) Nam châm quay 900 đến vị trí sao cho cực bắc hướng vào (C) S N (C) Nam châm quay đều xung quanh trục song song với mặt phẳng chứa (C) Nam châm quay đều xung quanh trục vuông góc với mặt phẳng chứa (C) 52 S N (C) S N (C) Câu 2: Định luật Lenz là hệ quả của định luật bảo toàn công, định luật bảo toàn động lượng hay định luật bảo toàn năng lượng? ............................................................................................................................................ Câu 3: Có thể áp dụng định luật bảo toàn chuyển hóa năng lượng cho hiện tượng cảm ứng điện từ được không? Nếu có thì năng lượng được chuyển hóa như thế nào? ............................................................................................................................................ Phiếu học tập nhóm (phiếu số 3). [19] Trong khoảng thời gian t 0.05s  , độ lớn của cảm ứng B qua một khung dây dẫn hình vuông có cạnh a = 10cm tăng đều từ 0 đến 0,5 T. Vector cảm ứng từ B r vuông góc với mặt khung. Tính suất điện động cảm ứng. ............................................................................................................................................ b) HS Chuẩn bị 8 bộ thí nghiệm theo yêu cầu, hướng dẫn của GV. - Thí nghiệm Orstert (học ở chương IV) cho biết điều gì? Có thể rút ra kết luận ngược lại được không? - Ôn lại hiện tượng cảm ứng điện từ đã học ở lớp 9. 2.4.1.5 Các câu hỏi cơ bản và kết luận tương ứng với từng đơn vị kiến thức cần dạy a) Đơn vị kiến thức 1: Khái niệm từ thông và hiện tượng cảm ứng điện từ Câu hỏi 1: Dòng điện sinh ra từ trường. Vậy từ trường có thể sinh ra dòng điện được không? Kết luận: - Bản thân từ trường không sinh ra dòng điện, nhưng từ trường qua một mạch điện kín thay đổi theo thời gian thì sinh ra dòng điện. 53 - Mô tả từ trường bằng các đường sức từ thì có thể diễn đạt câu trả lời trên bằng cách “ Bản thân từ trường không sinh ra dòng điện, nhưng khi số đường sức từ qua diện tích S giới hạn mạch điện kín thay đổi thì sinh ra dòng điện trong mạch. Câu hỏi 2: Từ thông là gì? Từ thông phụ thuộc vào những yếu tố nào? Kết luận: - Từ thông qua diện tích S là đại lượng xác định bằng công thức: cosBS   . - Đơn vị từ thông: Webe (Wb) - Từ thông qua diện tích S bằng số đường sức từ qua diện tích S được đặt vuông góc với đường sức từ. - Từ thông phụ thuộc 3 yếu tố: B, S,  Câu hỏi 3: Dòng điện cảm ứng là gì? Hiện tượng cảm ứng điện từ là gì? Kết luận:- Dòng điện xuất hiện khi có sự biến đổi từ thông quan mạch điện kín gọi là dòng điện cảm ứng. - Mỗi khi từ thông qua mạch điện kín biến thiên thì trong mạch xuất hiện một dòng điện cảm ứng. Hiện tượng này gọi là hiện tượng cảm ứng điện từ. b) Đơn vị kiến thức 2: Chiều của dòng điện cảm ứng. Định luật Lenz Câu hỏi 1: Chiều của dòng điện cảm ứng tuân theo quy luật nào? Kết luận: - Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại nguyên nhân đã sinh ra nó. c) Đơn vị kiến thức 3: Suất điện động cảm ứng. Định luật Faraday về cảm ứng điện từ Câu hỏi 1: Suất điện động cảm ứng là gì? Kết luận: - Suất điện động sinh ra do dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín gọi là suất điện động cảm ứng. Câu hỏi 2: Suất điện động cảm ứng phụ thuộc vào yếu tố nào? Có thể tính độ lớn của suất điện động cảm ứng bằng công thức nào? Kết luận: - Độ lớn của suất điện động cảm ứng trong mạch điện kín tỷ lê với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch. - Công thức tính suất điện động cảm ứng trong mạch kín. 54 ce N t    ( N là số vòng dây ) Dấu (-) biểu thị định luật Len-Xơ: Chiều suất điện động cảm ứng ngược với chiều biến thiên từ thông. 2.4.1.6 Thiết kế tiến trình hoạt động dạy học cụ thể Bài học được chia làm 3 đơn vị kiến thức: - Khái niệm từ thông và hiện tượng cảm ứng điện từ - Chiều dòng điện cảm ứng điện từ. Định luật Lenz. - Độ lớn suất điện động cảm ứng. Định luật Faraday về cảm ứng điện từ. Đơn vị kiến thức thứ nhất được xây dựng theo con đường thực nghiệm. Đơn vị kiến thức thứ hai được xây dựng theo con đường thực nghiệm. Đơn vị kiến thức thứ ba được xây dựng theo con đường thông báo đến HS. a) Đơn vị kiến thức 1: Khái niệm từ thông và hiện tượng cảm ứng điện từ Hoạt động1: Phát hiện vấn đề cần nghiên cứu: Từ trường có thể sinh ra dòng điện được không? Hoạt động của GV Hoạt động của HS * Thí nghiệm Oresst