mô hình và phương pháp mô hình trong nghiên cứu và dạy học môn vật lý

Mở đầu
1. Lý do chọn đề tài
Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nớc là mục tiêu hàng đầu trong đờng lối
xây dựng phát triển của nớc ta, "Đến năm 2020 đất nớc ta về cơ bản phải trở
thành nớc công nghiệp"[27]. Muốn thực hiện thành công sự nghiệp này, chúng ta
phải thấy rõ nhân tố quyết định thắng lợi chính là nguồn nhân lực con ngời Việt
Nam. Nền giáo dục của ta không chỉ lo đào tạo cho đủ về số lợng mà cần quan
tâm đặc biệt đến chất lợng đào tạo.
Trớc tình hình đó, nhiệm vụ quan trọng đề ra cho các môn học trong trờng
phổ thông là phải làm sao cho khi vào đời, bắt tay tham gia vào lao động sản
xuất hoặc lao động trong một ngành khoa học kỹ thuật nào đó, học sinh có thể
nhanh chóng tiếp thu đợc cái mới, mau chóng thích ứng với trình độ hiện đại của
khoa học và kỹ thuật. Để làm đợc điều đó, ngoài việc trang bị cho học sinh vốn
kiến thức, kỹ năng tối thiểu cần thiết, các môn học cần phải tạo ra cho họ một
tiềm lực để họ có thể đi xa hơn những hiểu biết mà họ đã thu lợm đợc trong nhà
trờng. Tiềm lực đó chính là khả năng giải quyết những vấn đề mà sản xuất và đời
sống đặt ra cho họ, là khả năng tự vạch ra đờng đi để đạt tới những nhận thức
mới. Tiềm lực đó nằm trong phơng pháp t duy và hành động một cách khoa học.
Do đó vấn đề bồi dỡng cho học sinh các phơng pháp nhận thức khoa học đã trở
thành nhiệm vụ quan trọng của các môn học trong nhà trờng phổ thông.
Chỉ trên cơ sở dạy cho các em các phơng pháp nhận thức khoa học chúng ta
mới có thể làm cho các em biết học tập một cách chủ động, mới rèn luyện đợc trí
thông minh, sáng tạo ở các em. Nhng việc rèn luyện trí thông minh sáng tạo
trong dạy học ở trờng phổ thông nớc ta hiện nay còn mới mẻ, đang còn nhiều
khó khăn cả về lý luận lẫn thực tiễn.
Để đạt đợc mục đích đó, chúng ta cần phải nghiên cứu, áp dụng và liên tục
cải tiến các phơng pháp giảng dạy. Nền giáo dục của nớc ta hiện nay đã sử dụng
một số phơng pháp dạy học mang lại những hiệu quả nhất định nh phơng pháp
thực nghiệm, phơng pháp đàm thoại nêu vấn đề, phơng pháp diễn giảng
Phơng pháp mô hình (PPMH) là một trong những phơng pháp nhận thức
khoa học và đã đợc vận dụng vào trong dạy học. Khi nghiên cứu những hiện tợng

Vật lý xảy ra trong thế giới vi mô, nhất là trong dạy học vật lý, chúng tôi đặc
biệt quan tâm tới PPMH.
PPMH ngày càng trở nên quan trọng không những trong Vật lý mà cả trong
những ngành khoa học tự nhiên và xã hội khác. Chính vì vậy, chúng tôi chọn đề
1
tài: Nghiên cứu sử dụng phơng pháp mô hình trong dạy học chơng Thuyết
động học phân tử và chất khí lý tởng vật lý lớp 10 trung học phổ thông .
2. Mục đích nghiên cứu
Sử dụng PPMH trong dạy học chơng Thuyết động học phân tử và chất khí
lý tởng nhằm góp phần nâng cao chất lợng dạy học vật lý trong trờng THPT.
3. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu
- PPMH: Trong nghiên cứu vật lý và trong dạy học vật lý.
- Hoạt động dạy và học vật lý của giáo viên và học sinh ở trờng THPT.
- Quá trình dạy học vật lý chơng Thuyết động học phân tử và chất khí lý t-
ởng lớp 10 THPT Tĩnh gia II.
4. Giả thuyết khoa học
- Có thể sử dụng PPMH ở các mức độ khác nhau để dạy học chơng Thuyết
động học phân tử và chất khí lý tởng.
- Việc dùng PPMH dạy học chơng Thuyết động học phân tử và chất khí lý t-
ởng sẽ mang lại kết quả học sinh không những nắm vững sâu sắc kiến thức của
mình mà còn đợc bồi dỡng PPMH của nhận thức vật lý.
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu lý thuyết về MH và PPMH trong nghiên cứu vật lý và trong dạy học
vật lý.
- Nghiên cứu chơng trình và sách giáo khoa vật lý phần nhiệt học.
- Tìm hiểu thực trạng nhận thức về PPMH và sử dụng PPMH trong dạy học vật lý
ở trờng phổ thông.
- Thiết kế các phơng án dạy học chơng Thuyết động học phân tử và chất khí lý
tởng theo PPMH.
- Thực nghiệm s phạm các phơng án đã xây dựng.

6. Phơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý luận:
+ Các văn kiện của Đảng và Nhà nớc, của Bộ giáo dục và đào tạo có liên
quan đến vấn đề nghiên cứu.
+ Các tài liệu, công trình liên quan đến hớng nghiên cứu.
2
- Nghiên cứu tình hình thực trạng trên đối tợng cụ thể: Dự giờ, quan sát việc
dạy của giáo viên và việc học của học sinh trong quá trình thực nghiệm s phạm.
- Thực nghiêm s phạm: Thực hiện các bài dạy đã thiết kế, so sánh với lớp đối
chứng để rút ra những cần thiết, chỉnh lý thiết kế đề xuất hớng áp dụng vào thực
tiễn, mở rộng kết quả nghiên cứu.
7. Kết quả nghiên cứu
Qua quá trình triển khai đề tài: Nghiên cứu sử dụng phơng pháp mô hình
trong dạy học chơng Thuyết động học phân tử và chất khí lý tởng vật lý lớp
10 THPT, chúng tôi đã thu đợc một số kết quả nh sau:
- Về mặt lý luận:
+ Nhận thức đợc cấu trúc của PPMH, vai trò của PPMH trong nghiên cứu vật
lý và trong dạy học vật lý.
+ Nắm đợc các bớc cơ bản vận dụng PPMH trong dạy học vật lý.
- Về mặt nghiên cứu ứng dụng:
+ Sắp xếp lại nội dung một số vấn đề chơng Thuyết động học phân tử và
chất khí lý tởng để thực hiện dạy học theo PPMH.
+ Xây dựng, thiết kế các giáo án chơng Thuyết động học phân tử và chất khí
lý tởng theo PPMH.
+ Thực nghiệm s phạm: chúng tôi nhận thấy, có thể tiến hành dạy học chơng
Thuyết động học phân tử và chất khí lý tởng theo PPMH, nhờ đó học sinh làm
quen với PPMH -phơng pháp nhận thức quan trọng của vật lý học.
8. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ lục và tài liệu tham khảo, luận văn
có 3 chơng sau:

Chơng 1: Cơ sở lý luận của đề tài
Chơng 2: Tổ chức dạy học chơng Thuyết động học phân tử và chất khí lý tởng
vật lý lớp 10 THPT theo PPMH.
Chơng 3: Thực nghiệm s phạm
3
Chơng 1.
Cơ sở lý luận của đề tài
1.1. Mô hình
1.1.1. Khái niệm về mô hình
Khái niệm mô hình đợc sử dụng rộng rãi trong ngôn ngữ thông dụng hàng
ngày với những ý nghĩa rất khác nhau. Trong các môn khoa học tự nhiên học
sinh thờng gặp mô hình tế bào, mô hình lò cao, mô hình động cơ đốt trong, tức là
vật chất có cấu tạo không gian giống nh vật mà ta cần nghiên cứu. Mô hình phân
tử, mô hình nguyên tử lại mô tả những vật thể mà ta chỉ biết đợc những tính chất
của chúng chứ không quan sát trực tiếp đợc. Mô hình quá trình dạy học, mô hình
bài học lại không phản ánh một vật thể nào cả mà phản ánh một sự kiện trừu t-
ợng. Mô hình con ngời mới, mô hình nhà trờng phổ thông đợc hiểu là mẫu mực
mà ta phải vơn tới chứ không phải là phỏng theo một thực thể đang tồn tại.
Trong vật lý học, V.A Stôphơ đã định nghĩa mô hình nh sau: Mô hình là một
hệ thống đợc hình dung trong óc hay đợc thực hiện một cách vật chất, hệ thống
đó phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tợng nghiên cứu hoặc tái tạo nó,
bởi vậy việc nghiên cứu mô hình sẽ cung cấp cho ta những thông tin mới về đối t-
ợng [33].
Theo định nghĩa này, cần đặc biệt chú ý đến sự khác biệt giữa mô hình với đối
tợng vật chất. Một mô hình chỉ phản ánh một số tính chất của đối tợng vật chất.
Cùng một đối tợng vật chất nhng có thể có nhiều mô hình khác nhau. Nh vậy mô
hình không đồng nhất với đối tợng mà nó phản ánh.
Còn theo Halbwachs thì định nghĩa Những dấu hiệu bao gồm trong các hình
vẽ, các giản đồ, các ký hiệu toán học hay đơn giản hơn, những mệnh đề đợc
thành lập bởi các từ, những hệ thống sẽ đợc dùng để biểu diễn cảnh huống. Với

một hệ thống các dấu hiệu nh thế, chúng ta gọi là một mô hình[29].
Khái niệm mô hình, theo định nghĩa chung nhất của nó thì là một cái gì đó
(một vật thể, một sự biểu đạt hình tợng, một phơng trình ) thay thế cho cái
nguyên gốc, nó cho phép thay thế cái nguyên gốc này bởi sự trung gian giúp cho
dễ hiểu hơn, dễ đạt tới hơn đối với nhận thức. Quan hệ giữa mô hình với thực tế
4
có thể hoặc là sự tơng tự về hình thức bề ngoài hoặc là sự tơng tự của cái cấu trúc
bị che khuất, hoặc là sự tơng tự chức năng, hiệu quả.
1.1.2. Các chức năng của mô hình
Nh chúng ta đã thấy, vai trò của một mô hình vật lý nhằm đảm bảo cho sự thấu
hiểu khoa học một đối tợng vật lý nào đó. Nh vậy, trong vật lý học mô hình có ba
chức năng chính sau đây:
a) Mô tả sự vật, hiện tợng.
b) Giải thích các sự kiện và hiện tợng có liên quan tới đối tợng.
c) Tiên đoán các sự kiện và hiện tợng mới.
Một mô hình không phải chỉ dùng để mô tả và giải thích các hiện tợng vật lý
mà hơn thế nữa, nó còn đợc dùng để tiên đoán những hiện tợng mới. Không có
chức năng tiên đoán này, mô hình mất đi vai trò quan trọng của nó trong khoa
học.
Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng mô hình đờng cảm ứng từ trong dạy học về từ
trờng và hiện tợng cảm ứng điện từ (lớp 11). Mô hình đờng cảm ứng từ không
những biểu diễn đợc hớng mà còn cả độ lớn của lực từ ở mỗi điểm xung quanh
nam châm. Sử dụng mô hình đờng cảm ứng từ giúp ta phát hiện ra định luật cảm
ứng điện từ: dòng điện cảm ứng xuất hiện trong một khung dây dẫn kín khi từ
thông qua thiết diện của khung dây biến thiên. Bằng mô hình đờng cảm ứng từ ta
còn có thể phát hiện ra một điều quan trọng là: không gian xung quanh dòng
điện cũng tồn tại từ trờng.
1.1.3. Tính chất của mô hình
Với t cách là một hệ thống phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tợng
nghiên cứu, một mô hình có những tính chất cơ bản sau đây:

a) Tính tơng tự với vật gốc:
Một hệ thống chỉ có thể đợc coi là mô hình của vật gốc khi có thể chuyển đợc
những kết quả nghiên cứu trên mô hình sang vật gốc. Nghĩa là nó có sự tơng tự
giữa mô hình và vật gốc. Sự tơng tự đó có thể là đồng cấu hoặc đẳng cấu.
Sự tơng tự có thể thuộc loại cấu trúc, khi đó sự tơng tự chủ yếu ở mối quan hệ
giữa các phần tử của hai hệ thống. Ví dụ mô hình ảnh của một vật trên võng
mạc: quan hệ giữa phần này và phần kia của ảnh phản ánh đúng quan hệ giữa hai
phần tơng ứng của vật. Cũng có thể là sự tơng tự về chức năng, nghĩa là các phân
tử tơng ứng của hai hệ thống có chức năng giống nhau nhng cấu trúc có thể khác
nhau. Ví dụ mô hình ảnh tạo bởi thấu kính hội tụ và gơng cầu lõm dới những
5
điều kiện giống nhau là giống nhau và lại biết: có thể sử dụng một thấu kính hội
tụ làm vật kính trong chế tạo kính thiên văn. Từ đó, cũng có thể sử dụng gơng
cầu lõm làm vật kính trong mô hình kính thiên văn. Sự tơng tự cũng có thể giống
nhau hay na ná giống nhau ở kết quả các quá trình trong hai hệ thống. Thuộc
loại cuối cùng thờng thấy khi so sánh một hệ thống vật chất thực và sự diễn tả
toán học của nó. Các phần tử thuộc hai hệ thống này không có điểm nào giống
nhau nhng kết quả thu đợc trong quá trình biến đổi toán học lại phù hợp với kết
quả thu đợc bằng thực nghiêm. Ví dụ mô hình toán học diễn tả dao động điều
hoà: sự tơng tự giữa quy luật biến đổi của điện tích q trong mạch cũng giống nh
quy luật biến đổi của ly độ x trong dao động của con lắc lò xo.
Trong dạy học vật lý, tính chất tơng tự với vật gốc của mô hình có ý nghĩa
quan trọng: sử dụng tính chất này khi xây dựng mô hình, học sinh đợc rèn luyện
một loạt các thao tác t duy, đợc phát triển niềm tin vào mối liên hệ có tính khái
quát, có tính quy luật của các sự vật, hiện tợng tự nhiên đa đạng, phong phú. Sử
dụng tính chất này còn góp phần nâng cao hiệu quả giờ học, thể hiện trớc hết ở
tính sâu sắc, tính hệ thống của các kiến thức vì nó tạo điều kiện cho học sinh liên
hệ cái cha biết với cái đã biết, phát hiện những mối liên hệ giữa các hệ thống
khác nhau ở các phần khác nhau của vật lý cũng nh những dấu hiệu giống nhau
và khác nhau của chúng.

b) Tính đơn giản:
Nh ta đã biết, thực tế khách quan vô cùng đa dạng và phong phú. Mỗi mô hình
chỉ phản ánh đợc một mặt nào đó của thực tế. Nhiều khi một hệ thống thực thể
khách quan phải dùng đến nhiều mô hình để phản ánh. Trong khi xây dựng mô
hình ta phải thực hiện các thao tác trừu tợng hóa, khái quát hóa những thao tác
ấy bao giờ cũng dẫn đến một sự đơn giản hóa vì rằng ta đã tớc bỏ những chi tiết
thứ yếu, chỉ còn lại những thuộc tính và những mối liên hệ bản chất. Nh vậy tính
đơn giản của mô hình là một tất yếu khách quan.
Mặt khác cũng nhờ tính đơn giản này của mô hình mà nhà nghiên cứu có thể
nắm chắc những vấn đề cơ bản nhất của thực tế khách quan, khái quát hóa chúng
mà rút ra những quy luật. Nếu không dùng những mô hình đơn giản để nghiên
cứu mà nghiên cứu ngay những hiện tợng thực tế phức tạp thì nhiều trờng hợp
quy luật bị lu mờ và nhà nghiên cứu có thể bị nhầm lẫn.
c) Tính trực quan:
Trớc hết tính trực quan của mô hình thể hiện ở chỗ dễ dàng nhận biết bằng các
giác quan. Ta có thể cảm giác, tri giác trực tiếp trên mô hình, nhng nhiều khi
không làm đợc việc đó trên các hiện tợng thực tế.
6
Tính trực quan cũng thể hiện ở chỗ ta đã vật chất hóa những tính chất, những
quan hệ không thể trực tiếp tri giác đợc. Thí dụ lực hút, lực đẩy giữa các phân tử
đợc biểu diễn trên mô hình bằng cách gạch nối đậm hay mảnh, hoặc quy luật
chuyển động đợc biểu diễn bằng đồ thị vận tốc.
Khái niệm trực quan còn đợc mở rộng trong trờng hợp mô hình không trực tiếp
diễn tả hiện tợng thực tế mà so sánh với một hiện tợng thực tế khác mà ta có thể
tri giác bằng giác quan đợc. Ví dụ nh dùng mô hình sóng nớc để diễn tả sự giao
thoa của sóng ánh sáng mặc dù sóng ánh sáng hoàn toàn khác sóng nớc. Rõ ràng
mức độ trực giác gián tiếp loại này còn phụ thuộc vào vốn hiêủ biết của chính
chủ thể, do chủ thể đã tích lũy đợc từ trớc.
ý nghĩa của tính trực quan của mô hình trong dạy học thể hiện ở chỗ, làm cho
học sinh dễ hình dung các hiện tợng vật lý không thể quan sát trực tiếp đợc (Ví

dụ sử dụng con lắc lò xo để trực quan hoá quá trình xảy ra và sự biến đổi của các
đại lợng vật lý trong mạch dao dộng điện LC), dễ hiểu hơn các khái niệm trừu t-
ợng (ví dụ khi minh hoạ các khái niệm dòng điện và hiệu điện thế, có thể dùng
dùng hình ảnh dòng nớc chảy để trực quan hoá các kiến thức trên).
d) Tính quy luật riêng:
Khi xây dựng mô hình, ngời ta dựa vào sự tơng tự của nó với tình huống vật lý
mà nó phản ánh. Nhng bản thân mô hình có những tính chất riêng của nó đợc
quy định bởi tính chất của các phần tử của nó và mối quan hệ giữa các phần tử
ấy. Mối quan hệ ấy tuân theo quy luật riêng, nhiều khi không còn giống những
quy luật chi phối mối quan hệ giữa các phần tử trong tình huống vật lý nữa.
Chẳng hạn nh mô hình ký hiệu toán học tuân theo những quy luật toán học. Từ
sự vận động của những quy luật riêng này có thể rút ra những kết luận mới có
khả năng chuyển tải sang tình huống vật lý (vật gốc). Đơng nhiên rằng sự tiên
đoán nàycó tính chất giả thuyết, cần đợc kiểm tra lại.
Đây là giá trị nhận thức của mô hình. Nhờ tính chất này mà với mô hình ta
không chỉ dừng lại ở sự mô tả, tìm hiểu các tình huống vật lý mà còn phát hiện
ra những tính chất mới, cung cấp những thông tin mới.
e) Tính lý tởng:
Mô hình xuất phát từ thực tiễn, phản ánh thực tiễn. Nhng khi ta mô hình hóa
một vật, một mối quan hệ nào đó ta đã thực hiện một sự trừu tợng hóa, khái quát
hóa, phản ánh các thuộc tính của vật thể, hiện tợng khách quan ở mức độ hoàn
thiện cao, loại bỏ tất cả những ảnh hởng nhiễu trong nhận thức. Nh vậy mô hình
nào cũng có tính chất lý tởng ít hay nhiều. Nói cách khác không có mô hình nào
giống hệt thực tiễn bởi nếu mô hình hoàn toàn giống thực tế khách quan thì nó
7
không còn tính cách là vật đại diện, thay thế nữa. Một mô hình vật lý chỉ phản
ánh đến một mức độ nhất định một vài mặt của một tình huống vật lý.
Tính chất lý tởng của mô hình ngày càng cao thì mô hình càng khái quát và
giúp ta nhận thức đợc những nét chung nhất của hiện tợng và bao trùm đợc một
số càng lớn hiện tợng. Nhng càng khái quát, càng có tính lý tởng cao thì khi sử

dụng mô hình để nghiên cứu thực tế càng gặp nhiều khó khăn vì ta phải bổ sung
vào cấu trúc chung của mô hình rất nhiều yếu tố cụ thể phù hợp với các tính chất
đối tợng nghiên cứu.
1.1.4. Các loại mô hình sử dụng trong vật lý học
Ta có thể phân các mô hình vật lý ra làm hai loại [25, 130], [22, 27].
A) Mô hình vật chất:
Là mô hình trên đó phản ánh đặc trng cơ bản về mặt hình học, vật lý, động lực
học, chức năng học của đối tợng nghiên cứu.
Thí dụ: Mô hình máy bay, mô hình lò cao, mô hình động cơ đốt trong Loại
mô hình này chỉ sử dụng ở giai đoạn thấp của quá trình nhận thức khi cần hình
thành những biểu tợng hoặc thu thập kiến thức có tính chất kinh nghiệm. Những
kiến thức thu đợc trên mô hình là những tính chất bên ngoài của hiên tợng, của
đối tợng thực.
B) Mô hình lý tởng ( hay mô hình lý thuyết)
Là những mô hình trừu tợng, trên đó về nguyên tắc ngời ta chỉ áp dụng những
thao tác t duy lý thuyết. Các phần tử của mô hình và đối tợng nghiên cứu thực tế
có thể có bản chất vật lý hoàn toàn khác nhau nhng hoạt động theo những quy
luật giống nhau. Các mô hình lý thuyết có thể có rất nhiều loại tùy theo mức độ
trừu tợng khác nhau.
a) Mô hình ký hiệu:
Là dạng cụ thể nhất của mô hình lý tởng. Đó là hệ thống những ký hiệu dùng
với t cách là mô hình: hình vẽ, sơ đồ, đồ thị, chữ cái, các công thức, phơng trình
toán học. Chúng tôi chú ý đặc biệt đến hai loại mô hình ký hiệu là mô hình toán
học và mô hình đồ thị.
a
1
) Mô hình toán học: Là những mô hình có bản chất khác với vật gốc, chúng
diễn tả những đặc tính của vật gốc bằng một hệ thức toán học. Chẳng hạn nh tất
cả những đại lợng q biến thiên thỏa mãn phơng trình: q+

2
q = 0 đều biến thiên
theo một quy luật dao động điều hòa. Bởi vậy có thể dùng công thức đó là mô
hình của mọi dao động điều hòa không phụ thuộc vào bản chất của dao động.
Mục đích của mô hình hóa là thay thế đối tợng nghiên cứu bằng phơng trình sao
8
cho có thể thu đợc những thông tin cần thiết một cách dễ dàng nhất. Bởi vậy có
thể ở giai đoạn đầu của quá trình nhận thức xuất phát từ những yếu tố quan sát đ-
ợc (lực đàn hồi) để xây dựng mô hình dao động cơ học, sau đó dùng mô hình để
nghiên cứu dao động điện không quan sát trực tiếp đợc.
Tuy mô hình toán có u điểm về sự chặt chẽ của toán học, có thể xét tới những
yếu tố ảnh hởng nhỏ nhất tham dự vào quá trình thực nghiệm, song sự chặt chẽ
này đồng thời lại là nhợc điểm của mô hình toán, vì nó có khoảng cách khá xa
với tính linh hoạt của các quá trình thực, nhất là các quá trình xã hội [4].
a
2
) Mô hình đồ thị: Chúng tôi đặc biệt quan tâm đến mô hình đồ thị, là một
loại mô hình rất thông dụng trong nghiên cứu vật lý, đặc biệt là trong nghiên cứu
thực nghiệm, nhng cha đợc hiểu và sử dụng đúng mức.
Vai trò của đồ thị thể hiện rất rõ: Đồ thị biểu diễn một mối quan hệ giữa hai
hoặc ba đại lợng vật lý mô tả hiện tợng tự nhiên.
Nếu chỉ dừng lại ở việc giải thích hiện tợng theo quan điểm vĩ mô (theo hiện t-
ơng luận) thì trong nhiều trờng hợp, có thể dựa vào đồ thị để giải thích sự diễn
biến của hiện tợng. Chẳng hạn, ngời ta thờng dựa vào đặc tuyến vôn- ampe của
tranzito để chọn điểm làm việc của nó. Ngợc lại với một điểm làm việc nhất
định, thì dựa vào đặc tuyến vôn- ampe ta có thể biết trazito hoạt động ở chế độ
tuyến tính hay không tuyến tính.
Mỗi đồ thị không những chỉ phản ánh đơn thuần mối liên hệ hàm số giữa hai
đại lợng vật lý, mà nó mang nhiều thông tin quý báu ngoài mối liên hệ đó. đó
chính là chức năng tiên đoán của đồ thị. Đồ thị của đờng đẳng tích và đờng đẳng

áp đã cho ta tiên đoán sự tồn tại của độ không tuyệt đối.
Nếu một đồ thị có một cực đại (hay một cực tiểu) thì nó sẽ cho ta thấy có hai
yếu tố trái ngợc nhau chi phối hiện tợng mà ta xét. Đó chẳng hạn là trờng hợp đồ
thị thực nghiệm của sự phụ thuộc năng suất phát xạ đơn sắc của vật đen tuyệt đối
và bớc sóng.
Nh vậy, đồ thị vật lý hoàn toàn có đủ t cách là một mô hình lý thuyết của hiện
tợng vật lý.
Để cho đồ thị có ý nghĩa nh một mô hình độc lập chứ không phải chỉ là một
dạng để biểu diễn một công thức toán học, cần nói rõ cách xây dựng và sử dụng
riêng của đồ thị.
a
3
) Mô hình lôgic- toán: Mô hình này dựa trên ngôn ngữ toán học. Mô hình
này đợc sử dụng rộng rãi trên các máy tính điện tử. Có thể coi mô hình dùng
trong máy tính điện tử là mô hình ký hiệu đã đợc vật chất hóa. Những hiện tợng
hoặc quá trình cần nghiên cứu đợc mô hình hóa dới dạng chơng trình của maý
9
tính, nghĩa là hệ thống quy luật đã đợc mã hóa theo ngôn ngữ của máy, chơng
trình này có thể coi nh algorit của các hành vi của đối tợng nghiên cứu.
b) Mô hình biểu tợng:
Mô hình biểu tợng là dạng trừu tợng nhất của mô hình lý tởng. Những mô hình
biểu tợng không tồn tại trong không gian, trong thực tế mà chỉ có trong t duy của
ta. Ta chỉ nêu algôrit đã tạo ra mô hình rồi hình dung nó trong óc chứ không cần
làm ra mô hình cụ thể. Với sự hình dung đó ngời ta có thể hiểu đợc hành vi của
mô hình (và do đó của đối tợng cần nghiên cứu) bằng cách suy luận lôgic. Thí dụ
mô hình phân tử trong thuyết động học phân tử của chất khí. Mô hình này mang
nhiều đặc tính không thể diễn tả bằng một vật cụ thể hay một ký hiệu (quả cầu
đàn hồi, có lực hút, lực đẩy, chuyển động hỗn loạn v.v ).
Mô hình lý thuyết nhiều khi đợc vật chất hóa dới một dạng nào đó để hỗ trợ
cho quá trình t duy. Ví dụ mô hình cấu tạo chất: vật chất đợc cấu tạo từ những

hạt nhỏ bé, riêng biệt, giữa các hạt có khoảng cách. Hiện tợng quan sát đợc trên
mô hình ngô-vừng khi chúng đợc trộn lẫn vào nhau có thể chuyển sang vật gốc
rợu-nớc.
Trong vật lý học những mô hình lý thuyết có tác dụng to lớn đối với quá trình
nhận thức nên chúng giữ một vị trí quan trọng. Mô hình ký hiệu và mô hình biểu
tợng trong sáng tạo khoa học vật lý liên quan mật thiết với nhau và có ảnh hởng
đến sự phát triển của nhau.
Tóm lại, chúng ta có thể xây dựng sơ đồ các loại mô hình nh ở hình 1 sau đây:
1.2. Phơng pháp mô hình trong vật lý học
10
MÔ hình
MH lý thuyếtMH vật chất
MH ký hiệu
MH biểu t ợng
MH đồ thị MH lôgic toánMH toán học
Hình 1: Các loại MH sử dụng trong vật lý học
MH chức năng
MH cấu trúc
Trong phơng pháp mô hình, ngời ta dựng lại những tính chất cơ bản của vật
thể, hiện tợng, quá trình và mối quan hệ giữa chúng dới dạng mô hình. Việc
nghiên cứu trên mô hình sẽ thay thế cho việc nghiên cứu trên chính đối tợng
thực tiễn, những kết quả nghiên cứu trên mô hình sẽ chuyển sang cho những đối
tợng gốc cho phép ta thu đợc những thông tin mới về đối tợng gốc .
1.2.1 Cơ sở lý thuyết của phơng pháp mô hình
Cơ sở lý thuyết của phơng pháp mô hình là lý thuyết tơng tự. Theo phơng
pháp này ta dựa vào sự giống nhau một phần về các tính chất hay về các mối
quan hệ mà chuyển những thông tin thu thập đợc từ một đối tợng này sang một
đối tợng khác. Thuật ngữ đối tợng ở đây dùng theo nghĩa rộng chỉ một vật thể
(hoặc hệ vật thể) hoặc một hình ảnh (hoặc một hệ hình ảnh) trừu tợng hay một sơ
đồ lôgic.

Giả sử có một đối tơng A mà ta biết có những tính chất a
1
, a
2
, a
3
a
n+1
còn khi
nghiên cứu một đối tợng B ta chỉ mới thấy B có những tính chất a
1
, a
2
, a
3
a
n
giống nh đối tợng A ta có thể suy ra rằng B cũng có tính chất a
n+1
nh đối tợng A
nếu nh giữa a
1
, a
2
, a
3
a
n+1
có một quy luật lôgic gắn bó.
Rõ ràng sự suy luận tơng tự trên chỉ có tính chất là một giả thuyết, là nguồn

gốc trí thức mới. Những giả thuyết đó chỉ trở thành nhận thức khoa học khi
chúng đợc kiểm tra và xác nhận bằng thực nghiệm.
Sở dĩ sự suy luận bằng phép tơng tự đạt đợc những kết quả đáng tin cậy trở
thành một phơng pháp có hiệu lực trong khoa học vì theo Kedrốp: Sự tơng tự có
nguyên nhân sâu xa là sự thống nhất bản chất bên trong của những hiện tợng
khác nhau, sự thống nhất có tính tổng quát của các định luật chung chi phối
những định luật riêng.
Trớc hết chúng tơng tự với nhau vì chúng tuân theo những mối quan hệ nhân
quả. Dựa trên sự tơng tự giữa các hệ quả mà ngời ta có thể đa ra sự tơng tự giữa
các nguyên nhân và ngợc lại. D.Didorot đã viết Trong vật lý học, tất cả những
hiểu biết của chúng ta đều dựa vào sự tơng tự nếu sự giống nhau về hệ quả mà
không cho phép ta kết luận về sự giống nhau về nguyên nhân thì khoa học vật lý
sẽ ra sao? Có cần phải đi tìm nguyên nhân của tất cả các hiên tợng tơng tự
không loại trừ gì hết? Liệu điều đó có thực hiện đợc không? Y học và những lĩnh
vực thực nghiệm của vật lý sẽ nh thế nào nếu không có nguyên lý tơng tự đó Có
thể rút ra đợc kết luận gì từ rất nhiều sự kiện, thực nghiệm và quan sát?.
Trong lịch sử khoa học, phơng pháp tơng tự đã dẫn đến nhiều phát minh vĩ đại.
Đa số những giả thuyết khoa học ngày nay đều đợc đề xuất dựa trên sự tơng tự
11
với những nguyên lý, những tiên đề hoặc những kết quả đã có từ trớc trong khoa
học và đã đợc thực nghiệm xác nhận là đúng đắn.

1.2.2. Cấu trúc của phơng pháp mô hình trong vật lý học
Trong vật lý, phơng pháp mô hình có cấu trúc gồm 4 giai đoạn sau đây:
a) Nghiên cứu tính chất của đối tợng gốc:
Bằng quan sát thực nghiệm, ngời ta xác định đợc một tập hợp những tính chất
của đối tợng nghiên cứu. Giai đoạn này còn gọi là tập hợp các sự kiện ban đầu
làm cơ sở để xây dựng mô hình.
b) Xây dựng mô hình:
Thông thờng do kết quả của sự tơng tự ngời ta đi đến hình dung sơ bộ về sự

vật, hiện tợng cần nghiên cứu, tức là đi đến một mô hình sơ bộ, cha đầy đủ.
Trong giai đoạn này trí tởng tợng và trực giác giữ vai trò quan trọng. Nhờ có trí t-
ởng tợng và trực giác mà ngời ta mới trừu xuất đợc những tính chất và những
mối quan hệ thứ yếu của đối tợng nghiên cứu, thay nó bằng mô hình chỉ mang
tính chất và những mối quan hệ chính mà ta quan tâm. Mô hình lúc đầu mới có ở
trong óc nhà nghiên cứu. Nó trở thành mẫu dựa vào đó nhà nghiên cứu xây dựng
những mô hình thật (nếu nhà nghiên cứu dùng phơng pháp mô hình vật chất).
Trong trờng hợp mô hình lý tởng thì ngời ta đem đối chiếu trong óc mô hình với
những vật, những hiện tợng mà ngời ta đã quen biết, chẳng hạn nh trong thuyết
động học chất khí, ngời ta đã trừu xuất những chi tiết về cấu trúc của những phân
tử của chất khí, chỉ còn giữ lại những đặc điểm về mặt động học của các phân tử
và thay thế những phân tử khí bằng những hạt. Những hạt này giống với những
quả cầu va chạm tuyệt đối đàn hồi mà ta đã biết rõ những quy luật chi phối
chúng.
c) Thao tác trên mô hình suy ra hệ quả lý thuyết:
Sau khi xây dựng mô hình, ngời ta áp dụng những phơng pháp lý thuyết hoặc
thực nghiệm khác nhau từ t duy trên mô hình và thu đợc kết quả, những thông tin
mới. Đối với các mô hình vật chất thì ngời ta làm thí nghiệm thực trên mô hình .
Còn đối với mô hình lý tởng thì thao tác trên mô hình trong óc, tức là áp dụng
những phép tính hay những phép phân tích suy luận lôgic dựa trên các mệnh đề
của mô hình nh các tiên đề. Ngời ta coi công việc này nh làm một thí nghiệm
đặc biệt gọi là thí nghiệm tởng tợng. Thí nghiệm tởng tợng tuy không có thật nh-
ng có thể thực hiện đợc và có vai trò rất lớn trong khoa học. Theo Heisenberg:
những thí nghiệm đó đợc sáng tạo để giải thích những vấn đề đặc biệt quan
trọng, bất kể là thực tế ta có thể thực hiện đợc thí nghiệm đó hay không. Dĩ
12
nhiên, điều quan trọng là thí nghiệm đó có thể thực hiện về nguyên tắc, mặc dù
kỹ thuật thực hiện của nó có thể rất phức tạp.
Trong phơng pháp mô hình lý tởng ngời ta đã biết trớc hành vi của mô hình
trong những điều kiện xác định. Điều ngời ta muốn biết thêm là hệ quả của

những hành vi đó nh thế nào.
Thí nghiệm tởng tợng thực chất là một thao tác lôgic chứ không phải là một
phơng pháp nghiên cứu khách quan, những kết quả trên mô hình phải đợc
chuyển đổi về đối tợng nghiên cứu (đối tợng gốc) xem có phù hợp.
d) Thực nghiệm kiểm tra:
- Nếu bản thân mô hình là một phần tử cấu tạo của nhận thức thì cần phải kiểm
tra sự đúng đắn của nó bằng cách đối chiếu kết quả thu đợc từ mô hình với
những kết quả thu đợc trực tiếp từ đối tợng gốc. Nếu sai lệch thì phải điều chỉnh
ngay chính mô hình, có trờng hợp phải bỏ hẳn mô hình đó và thay bằng một mô
hình khác. Thí dụ mô hình cấu tạo phân tử khí lý tởng vừa là đối tợng của nhận
thức vừa là phơng tiện nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu trên mô hình đó đem áp
dụng vào khí thực có sai lệch với thực tế. Bởi vậy phải chỉnh lý mô hình khí lý t-
ởng và phải xây dựng mô hình khí thực.
- Nếu bản thân mô hình không phải là đối tợng của nhận thức mà chỉ là phơng
tiện để nghiên cứu thì việc xử lý kết quả, hợp thức mô hình là phải phân tích
những kết quả thu đợc trên mô hình thành những thông tin về đối tợng nghiên
cứu (thí dụ nh mô hình kỹ thuật, mô hình toán học ) nếu những thông tin ấy
không phù hợp cũng phải chỉnh lý lại mô hình.
Trong nhiều trờng hợp mô hình chỉ phản ánh đợc một hay một số mặt của đối
tợng nghiên cứu, còn nhiều mặt khác thì không phản ánh đợc, thậm chí phản ánh
sai lệch.
Những mô hình đã đợc kiểm nghiệm trong thực tế là những mô hình hợp thức
và dùng để phản ánh một số mặt của thực tế khách quan. Nó có thể thay đổi,
hoàn chỉnh thêm hoặc bị bác bỏ khi ngời ta có thêm thông tin chính xác hơn về
đối tợng gốc.
Tóm lại, ta có thể xây dựng sơ đồ cấu trúc của phơng pháp mô hình nh ở hình
2 dới đây.
13
Kết quả nghiên cứu
trên mô hình

Mô hình
Đối t ợng của
nhận thức
Nhận thức về
đối t ợng
Thuyết
(mô hình hoàn chỉnh)
Nghiên
cứu trên
MH
PP thực nghiệm
các pp lôgic toán
Xây dựng
mô hình:
-PP t ơng tự
-Trừu t ợng toán
Hợp thức
hoá mô
hình
PP thực nghiệm
quan sát so sánh
Hình 2: Sơ đồ cấu trúc của PPMH

1.2.3. Vai trò của phơng pháp mô hình trong lịch sử vật lý
Trong lịch sử vật lý, PPMH đóng vai trò rất quan trọng trong việc xây dựng
và hoàn chỉnh các thuyết [18]. Không có mô hình về ête vũ trụ thì trong bối cảnh
lịch sử khoa học thế kỷ 19 không thể xây dựng đợc lý thuyết về các hiện tợng
điện từ. Macxoen dùng mô hình ête vũ trụ để xây dựng các phơng trình
Macxoen, Mặc dù đợc xây dựng từ mô hình cơ học là ête giả định nhng không
mang trong chúng một hệ số đặc trng nào cho môi trờng đó; trong những trờng

hợp này mô hình là phơng tiện, công cụ nhận thức tơng tự nh bộ giàn giáo để
xây dựng toà nhà, khi xây xong thì bộ giàn giáo bị dỡ bỏ, không cần quan tâm.
Lý thuyết Macxoen chính là các phơng trình Macxoen[16, 163].
Những mô hình đợc sử dụng đầu tiên trong vật lý học là mô hình vĩ mô (đơn
giản hoá các đối tợng vĩ mô cần nghiên cứu) (ví dụ chất điểm là mô hình trái đất
chuyển động quanh mặt trời); Từ giữa thế kỷ 19 xuất hiện rộng rãi các mô hình
vi mô (mô hình mô tả các đối tợng vi mô không quan sát trực tiếp đợc). Thế kỷ
20 xuất hiện mô hình lợng tử. Ví dụ sự phát triển của các mô hình về cấu tạo
nguyên tử. Đầu tiên là mẫu cổ điển do Thômsơn đa ra vào năm 1906: Nguyên tử
gồm các electrôn nằm trong một môi trờng điện tích dơng, electrôn bơi trong
môi trờng điện tích dơng hình cầu có đờng kính cỡ và các electrôn phân bố
thành từng lớp. Mẫu này giải thích đợc định tính một số tính chất của các
nguyên tử nhng không đợc thành công lắm. Năm 1908, Rơzơfo làm thí nghiệm
kiểm tra mẫu Thômsơn về cấu tạo hạt nhân. Mẫu Thômsơn không giải thích đợc
sự tán xạ của chùm hạt trên lá vàng. Mẫu Thômsơn thất bại. Rơzơfo bổ sung
mẫu nguyên tử có đờng kính cỡ 10
-4
. Mẫu này giải thích hoàn hảo các thí
nghiệm của Rơzơfo cả về mặt định tính lẫn định lợng, đồng thời tiên đoán năng
lợng ion hoá của hyđrô, đã đợc thí nghiệm kiểm chứng. Tuy nhiên mẫu trên
14
không giải thích đợc tính bền vững của nguyên tử và sự tạo thành quang phổ
vạch của hyđrô. Đến năm 1913 Borh bổ sung thêm hai tiên đề về các trạng thái
dừng và về sự hấp thụ, bức xạ năng lợng của nguyên tử. Năm 1915, Somefod cho
rằng electrôn chuyển động theo quỹ đạo elip, mô men động lợng của electrôn
trên quỹ đạo cũng khác nhau. Mẫu này không giải thích đợc sự tách vạch quang
phổ trong từ trờng ngoài. Đến năm 1916, ông đa thêm vào mẫu của mình: hình
chiếu của mô men từ lên phơng của từ trờng ngoài cũng đợc lợng tử hoá. Năm
1925, Gao Smit và Ulnibec lại bổ sung: mỗi electrôn có mô men quay riêng gọi
là Spin. Tiếp đó, Pauli đa ra mẫu: mỗi electrôn đợc đặc trng bởi bốn số lợng tử.

Trong một nguyên tử không có hai electrôn có trạng thái lợng tử giống nhau
(nguyên lý cấm Pauli). Mẫu này gặp khó khăn là không giải thích đợc quang phổ
của các nguyên tử có cấu tạo phức tạp ( do mâu thuẫn ngay trong các mệnh đề: l-
ợng tử- quỹ đạo). Cuối cùng là mẫu nguyên tử theo cơ học lợng tử.
Nhờ áp dụng PPMH mà trong nhiều trờng hợp đã làm xuất hiện những lý
thuyết mới. Chẳng hạn mô hình sóng Đơbrơi đã dẫn đến cơ học lợng tử.
1.2.4.Ưu - nhợc điểm của PPMH trong vật lý học
a) Những u điểm:
Trớc hết, PPMH giúp ta hiểu rõ đối tợng nghiên cứu. Mô hình là vật đại diện,
trên đó ta sẽ tác động các thao tác lôgic và thực nghiệm. Rất nhiều hiện tợng và
quá trình đợc giải thích rõ ràng thông qua mô hình. Ví dụ nh mô hình khí lý tởng
giải thích các định luật thực nghiệm về chất khí (định luật Bôilơ-Mariôt, định
luật Gayluyxac, định luật Saclơ).
Sự giải thích bằng mô hình là một hình thức cổ xa nhất trong khoa học. Ngời
ta coi những quy luật chi phối mô hình cũng là những quy luật của chính đối t-
ợng nghiên cứu. Ngày nay, khi khoa học đi sâu vào thế giới vi mô không trực
tiếp quan sát đợc thì chức năng mô tả giải thích của mô hình càng có hiệu lực.
Nhiều khi cùng một đối tợng phải dùng đến nhiều mô hình mới giải thích đ-
ợc. Những mô hình này có thể có những tính chất trái ngợc nhau. Chẳng hạn nh
để giải thích sự truyền ánh sáng, trong vật lý học cổ điển, ngời ta dùng mô hình
hạt ánh sáng, nhng sau đó khi phát hiện ra hiện tợng giao thoa ánh sáng thì lại
dùng mô hình sóng ánh sáng để giải thích. Đối với vật lý cổ điển thì hai khái
niệm sóng và hạt là hoàn toàn khác biệt. Chỉ mãi đến đầu thế kỷ XX sau khi xây
dựng cơ học lợng tử, mô hình lỡng tính sóng hạt mới xoá bỏ đợc sự không tơng
thích đó.
15
Có trờng hợp một mô hình có thể dùng cho nhiều hiện tợng khác nhau về bản
chất. Ví dụ phơng trình sóng có thể là mô hình của sự lan truyền âm trong không
khí, của sự lan truyền sóng điện từ trong chân không, của chuyển động của
electron trong nguyên tử. Điều đó nói lên một lần nữa sự thống nhất của vật chất.

Xu hớng hiện đại của vật lý học là xây dựng những mô hình khái quát phản
ánh nhiều mặt của thế giới khách quan.
PPMH trong nhiều trờng hợp đã làm xuất hiện những lý thuyết mới. Chẳng
hạn mô hình sóng Đơbrơi đã dẫn đến cơ học lợng tử.
PPMH có thể giúp ta phát hiện ra những sự kiện mới cha biết. Đặc biệt, mô
hình toán học nhiều khi có tác dụng tiên đoán rất lớn. Chẳng hạn dựa vào phơng
trình năng lợng của electron : E
2
=p
2
c
2
+m
0
2
c
2
, Đirắc đã tiên đoán đợc: ngoài
electron có năng lợng dơng, còn tồn tại một hạt khác có năng lợng âm: E =-
22
0
22
cmcp +
. Điều này về sau đợc thực nghiệm xác nhận là đúng. Hạt có năng
lợng âm đó chính là positron.
Cơ học lợng tử không chỉ nói đến ánh sáng mà còn chứng minh bằng lý
thuyết rằng các hạt vi mô đều có tính chất sóng. Điều tiên đoán này đã đợc thực
nghiệm xác nhận.
b) Những nhợc điểm:
Các nhà khoa học đều công nhận tác dụng lớn lao của phơng pháp mô hình,

nhng đồng thời cũng nhấn mạnh tính gần đúng, tính tạm thời của nó. Các mô
hình tuy phản ánh thế giới khách quan nhng không thể thay thế hoàn toàn hiện
thực khách quan đợc. Thậm chí nhiều mô hình chỉ có giá trị nh một công cụ, ph-
ơng tiện. Ví dụ Macxoen dùng mô hình ête vũ trụ để xây dựng các phơng trình
Macxoen về từ trờng, nhng ngay trong các phơng trình đó cũng không có dấu
hiệu nào đặc trng cho ête vũ trụ. Trong thuyết của Macxoen không nói gì đến vai
trò của ête vũ trụ trong các hiện tợng điện từ. Vì vậy, chính Macxoen cũng coi
ête vũ trụ nh một bộ giàn giáo để xây dựng một toà nhà, và khi toà nhà đã xây
dựng xong thì bộ giàn giáo cũng bị giỡ bỏ đi.
Mặt khác, mặc dù mỗi mô hình chỉ phản ánh đợc một mặt nào đó của thế giới
khách quan, nhng khi sử dụng một mô hình ngời ta thờng gán cho nó một tầm
khái quát rộng hơn. Và, có khi vì quá tin vào một mô hình đã đợc xác lập mà ng-
ời ta đi đến sự bảo thủ, không thừa nhận những sự kiện thực tế trái với mô hình
đó. Ví dụ nh vì quá tin vào mô hình cơ học của thế giới (theo Niutơn) nên các
nhà khoa học phải trải qua một thời kỳ dài dằn vặt và đấu tranh mới xác lập đợc
16
những quan điểm lợng tử và tơng đối tính là những mô hình mới phản ánh sâu
sắc, đầy đủ hơn thế giới vật chất.
1.3. Phơng pháp mô hình trong dạy học vật lý
1.3.1.Vai trò của mô hình trong dạy học vật lý
ở nhà trờng phổ thông, chúng ta có thể sử dụng PPMH nh một phơng pháp
độc lập trong dạy học một số kiến thức vật lý. Việc giảng dạy vật lý không chỉ
giới hạn trong việc truyền thụ cho học sinh những tri thức của bộ môn này, mà
điều quan trọng hơn là qua đó hình thành ở họ năng lực nhận thức sáng tạo đối
với thế giới tự nhiên, năng lực phản ánh thế giới hiện thực [13]. Theo Jacques
Desautels: Ngời thầy dạy khoa học không chỉ truyền cho học sinh một số vốn
liếng lý thuyết mà còn hợp thức hoá và giá trị hoá ngay chính hoạt động khoa
học[29]. Do đó cần phải tạo điều kiện để cho hoạt động học tập càng giống
càng tốt đối với tiến trình xây dựng tri thức của các nhà khoa học vật lý. Làm đ-
ợc nh vậy, học sinh sẽ vừa tiếp nhận đợc tri thức, vừa tiếp nhận con đờng và nhập

cuộc vào con đờng xây dựng tri thức vật lý. Họ sẽ không mơ hồ trong việc phải
vợt qua những trở lực khoa học để hiểu đúng đắn bản chất và vai trò của các lý
thuyết khoa học và biết kiến tạo lý thuyết đó, nhằm hiểu đợc thế giới xung
quanh. Xuất phát từ những quan niệm trên đây, các nhà khoa học cho rằng cần
vận dụng PPMH đã và đang đợc dùng trong các lý thuyết bộ môn vật lý vào việc
giảng dạy bộ môn này trong nhà trờng[13].
Trong nghiên cứu khoa học vật lý, mô hình và PPMH có chức năng nhận
thức, nó giúp ta phát hiện ra những đặc tính mới, hiện tợng mới, quy luật mới.
Nếu xem xét quá trình học tập của học sinh là một quá trình hoạt động nhận thức
thì mô hình cũng có chức năng nh trong nghiên cứu khoa học vật lý. Ngoài ra
trong dạy học, nhiều khi học sinh không đủ khả năng xây dựng mô hình để thay
thế vật gốc trong nghiên cứu nhng giáo viên có thể sử dụng mô hình với mục
đích s phạm nh một phơng tiện trực quan nhằm làm cho học sinh hiểu rõ một vấn
đề nào đó.
Ví dụ nh trong nghiên cứu khoa học, những mô hình vật chất có vai trò rất
hạn chế vì nó ít mang lại những thông tin mới khi thao tác trên mô hình. Nhng
trong dạy học, nhiều mô hình lại có tác dụng quan trọng làm cho học sinh hiểu
đợc những cái không quan sát trực tiếp đợc, ví dụ nh mô hình cấu tạo bên trong
của động cơ nổ, mô hình chuyển động Braonơ. Dù ta có cho học sinh trực tiếp
quan sát một động cơ nổ còn nguyên vẹn thì họ cũng không thể thấy đợc cấu tạo
17
bên trong của nó và hoạt động của các van và bugi trong khi động cơ vận hành.
Bởi thế trong dạy học, ta dùng mô hình động cơ đốt trong bổ dọc. Còn với
chuyển động Braonơ, vừa không quan sát đợc các phân tử nớc chuyển động va
chạm vào các hạt phấn hoa, vừa khó hình dung tại sao hạt phấn hoa lại chuyển
động hỗn loạn. Mô hình chuyển động Braonơ dùng các viên bi sắt nhỏ đợc một
cơ chế làm cho bắn lung tung hỗn loạn trong một hộp thuỷ tinh, còn hạt phấn
hoa là một vật tròn lớn. Quan sát vật tròn bị các viên bi nhỏ đập vào hỗn loạn
theo mọi phía, học sinh dễ dàng hiểu cơ chế chuyển động Braonơ, do đó hình
dung đợc cấu tạo phân tử của nớc. Nh vậy mô hình vật chất cũng có vai trò quan

trọng trong dạy học, đặc biệt là các mô hình vật thể động, mô hình vẽ nhiều giai
đoạn liên tiếp hay mô hình trên phim ảnh (đợc sử dụng ngày càng rộng rãi).
Còn đối với các mô hình lý tởng, tuy rất có tác dụng trong hoạt động nhận
thức nhng nhiều khi đòi hỏi ở học sinh một trình độ t duy trừu tợng cao, một cơ
sở thực nghiệm phong phú và kinh nghiệm bản thân dồi dào mới có thể xây dựng
đợc mô hình. V.G.Razumôpxki khi bàn về phơng pháp mô hình trong dạy học
cũng nhận định rằng: ở giai đoạn xây dựng mô hình, vì việc tìm ra những đối t-
ợng trừu tợng thích hợp có thể thay thế cho sự vật, quá trình, hiện tợng nghiên
cứu là rất khó, nên thông thờng thì học sinh không thể tự làm đợc việc đó, tính tự
lực của họ trong giai đoạn này bị hạn chế.
Bởi vậy, trong dạy học ở trờng phổ thông, trong khuôn khổ bài học không cho
phép chúng ta tổ chức quá trình học tập sao cho học sinh hoàn toàn tự lực
khám phá lại các định luật vật lý, xây dựng các mô hình, nhng cũng hoàn toàn
đủ để cho họ đợc trải qua những giai đoạn của sự phát minh khoa học, hiểu đ-
ợc ý nghĩa của các sự kiện xuất phát, vai trò của mô hình, tầm quan trọng của sự
kiểm tra bằng thực nghiệm những hệ quả lý thuyết. Nói cách khác, trong dạy học
vật lý ở trờng phổ thông, ta ít có điều kiện áp dụng đầy đủ các giai đoạn của
PPMH để giải quyết một vấn đề nhận thức. Tuỳ theo hoàn cảnh cụ thể về trình
độ học sịnh, nội dung vấn đề, phơng tiện thí nghiệm mà định ra mức độ tham gia
của học sinh một cách hợp lý vào các giai đoạn của PPMH.
1.3.2. Tổ chức dạy học theo phơng pháp mô hình
Nghiên cứu đặc điểm của hoạt động sáng tạo, chúng tôi thấy cần phải chuẩn
bị cho học sinh những điều kiện sau đây khi dạy học theo PPMH:
- Về mặt tâm lý: gây hứng thú, nhu cầu nhận thức, sẵn sàng đem hết sức mình
vào giải quyết nhiệm vụ nhận thức. Trong lý luận dạy học ta nói là đa học sinh
18
vào tình huống có vấn đề. Vấn đề này đợc đề cập đến nhiều trong những công
trình về dạy học nêu vấn đề.
- Về mặt vốn hiểu biết: xây dựng mô hình thực tế là dùng một hệ thống đã biết
để mô tả những đặc tính của đối tợng gốc. Nh vậy muốn xây dựng đợc mô hình

học sinh không thể không có một vốn hiểu biết cần thiết về những vấn đề có liên
quan. Chính giáo viên là ngời đã biết trớc muốn xây dựng mô hình cần phải có
những vật liệu nào, do đó có thể có biện pháp hợp lý để chuẩn bị trớc cho học
sinh đến mức cần thiết nhng tuyệt đối không phải là chuẩn bị một mô hình đã có
sẵn hoàn chỉnh.
Tập dợt cho học sinh vợt qua những khó khăn trong khi áp dụng PPMH là
một điều cần đặc biệt quan tâm. ở đây, chúng ta có thể vận dụng lý thuyết về
vùng phát triển gần của Lép Vgôtxki (1896-1934). Ông cho rằng, chỗ tốt nhất
của sự phát triển của trẻ em là vùng phát triển gần. Vùng đó là khoảng cách giữa
trình độ hiện tại của học sinh và trình độ phát triển cao hơn cần vơn tới. Nói một
cách hình ảnh là chỗ trống giữa nơi mà con ngời cần giải quyết vấn đề đang
đứng và nơi mà họ phải đạt đến và có thể thực hiện đợc với sự cố gắng nỗ lực
của bản thân dới sự giúp đỡ của ngời lớn hay của những ngời ngang hàng nhng
có khả năng hơn một chút. Không có con đờng lôgic để vợt qua chỗ trống đó,
nhng hoàn toàn có khả năng thu hẹp chỗ trống đó đến mức thích hợp để mỗi ng-
ời có thể thực hiện một bớc nhảy vợt qua đợc. Tuy nhiên cũng phải dũng cảm tự
lực thực hiện một số lần (có thể thất bại), sau đó mới có kinh nghiệm thực hiện
đợc mau lẹ, vững chắc hơn, thực hiện những bớc nhảy xa hơn.
1.3.3.Các mức độ sử dụng phơng pháp mô hình
Nh đã phân tích ở trên, phơng pháp mô hình đợc sử dụng rộng rãi trong nghiên
cứu vật lý, nhng đồng thời cũng còn rất nhiều khó khăn đòi hỏi ở học sinh một
trình độ t duy phát triển, một vốn hiểu biết rộng rãi. V.G.Razumopxki nhận xét
rằng Trong khuôn khổ bài học, không cho phép tổ chức quá trình học tập sao
cho học sinh hoàn toàn tự lực khám phá lại các định luật vật lý, xây dựng các
mô hình, nhng cũng hoàn toàn đủ để cho họ đợc trải qua những giai đoạn của
những phát hiện khoa học, hiểu đợc ý nghĩa của những sự kiên xuất phát, vai trò
của các mô hình, tầm quan trọng của việc kiểm tra bằng thực nghiệm những hệ
quả lý thuyết. Lời nhận định đó cho đến nay vẫn còn nguyên giá trị. Vấn đề là ở
chỗ vận dụng những lý thuyết mới về sự phát triển tâm lý học sinh và những kỹ
19

thuật dạy học mới, chúng ta có thể nâng cao dần mức độ học sinh tham gia vào
các quá trình trên.
Khi đa vào dạy học ở trờng phổ thông, ta thờng không áp dụng đầy đủ các
khâu của phơng pháp mô hình để giải quyết trọn vẹn một vấn đề . Trong trờng
hợp này, ta chỉ quan tâm đến việc xây dựng mô hình của một hiện tợng và dừng
lại ở việc sử dụng mô hình để giải thích hiện tợng đó. Trong trờng hợp khác, ta
lại chú ý đến việc giải thích một hiện tợng mới dựa vào một mô hình đã có sẵn
mà học sinh không có khả năng xây dựng đợc. Sở dĩ ta phải làm nh vậy là vì:
a) Có sự khác nhau cơ bản giữa mục đích nghiên cứu của nhà vật lý và mục
đích dạy học của ngời giáo viên. Mục đích nghiên cứu của nhà vật lý là phải tìm
cho đợc cái mới, còn mục đích dạy học là bớc đầu tập luyện cho học sinh cách
suy nghĩ sáng tạo, rèn luyện kỹ năng, giáo dục thái độ v.v Cho nên có thể làm
từng bớc, từng phần tùy theo hoàn cảnh cụ thể.
b) Do sự khống chế của thời gian, điều kiện trang bị vật chất của nhà trờng,
trình độ khoa học của giáo viên và học sinh.
Bởi vậy chúng tôi nêu ra những hình thức khác nhau sử dụng phơng pháp mô
hình trong dạy học vật lý phổ thông theo mức độ yêu cầu cần đạt đối với học
sinh từ thấp đến cao.
Mức độ 1: Giáo viên trình bầy các sự kiện thực tế mà học sinh không thể
giải thích đợc bằng kiến thức cũ của họ, sau đó đa ra mô hình mà các nhà khoa
học đã xây dựng và vận dụng mô hình để giải thích các sự kiện trên. Học sinh có
phần thụ động tiếp thu, chỉ yêu cầu họ biết phân biệt mô hình với thực tế và làm
quen với cách sử dụng mô hình để giải thích thực tế. Ví dụ nh ở lớp 9 khi học về
điện, sau khi nêu một số hiện tợng gọi là nhiễm điện, giáo viên giới thiệu một số
điểm sơ bộ về mô hình cấu tạo nguyên tử và sử dụng mô hình đó để giải thích
hiện tợng nhiễm điện và dẫn điện.
Mức độ 2: Học sinh sử dụng mô hình mà giáo viên đã đa ra để giải thích một
số hiện tợng đơn giản tơng tự với hiện tợng đã biết. Thí dụ : sau khi đã biết mô
hình hai loại điện tích dơng và âm, sự tơng tác giữa chúng, giáo viên có thể hớng
dẫn học sinh vận dụng để giải thích vì sao hai lá của điện nghiệm lại xòe ra khi

tích điện cho điện nghiệm hoặc hiện tợng nhiễm điện do hởng ứng, bản chất của
dòng điện
Mức độ 3: Học sinh sử dụng mô hình mà giáo viên đã đa ra để dự đoán hiện
tợng mới và đề xuất phơng án thí nghiệm kiểm tra.Thí dụ học sinh có thể sử
dụng mô hình cấu tạo chất, có thể tiên đoán nguyên nhân gây ra áp suất của chất
khí và làm đợc thí nghiệm để kiểm tra. Hoặc, khi vận dụng mô hình về áp lực lên
20
một mặt ở trong lòng chất lỏng, học sinh có thể tính đợc lực đẩy của chất lỏng
tác dụng lên một hình hộp chữ nhật nằm trong đó và tổ chức thí nghiệm để kiểm
tra lực đó.
Mức độ 4: Học sinh dới sự hớng dẫn của giáo viên tham gia vào cả bốn giai
đoạn của phơng pháp mô hình, do đó nắm vững tính năng của mô hình và sử
dụng đợc mô hình để giải quyết nhiệm vụ nhận thức.
Ví dụ, học sinh có thể tham gia xây dựng mô hình cấu tạo phân tử của chất và
vận dụng nó để giải thích một số hiện tợng về chất khí, chất lỏng và chất rắn.
Đầu tiên giáo viên cho học sinh quan sát một số hiện tợng thực tế không thể giải
thích đợc bằng tính chất cấu tạo liên tục của các chất, gợi cho học sinh ý tởng về
cấu tạo gián đoạn của chúng, chẳng hạn nh hiện tợng khuyếch tán của chất khí,
chất lỏng, chất rắn. Đặc biệt là chuyển động Braonơ chỉ có thể giải thích đợc nếu
ta thừa nhận chất lỏng đợc cấu tạo bởi một số lớn các phân tử nhỏ bé, luôn
chuyển động hỗn loạn đến va chạm vào hạt phấn hoa từ mọi phía. Những sự kiện
đó dẫn đến ý tởng xây dựng một mô hình để phản ánh hai đặc tính của các chất:
các chất có cấu tạo từ những hạt vô cùng nhỏ bé chuyển động hỗn loạn không
ngừng. Giáo viên thông báo thêm là các nhà bác học giả định thêm rằng: các hạt
nhỏ bé gọi là phân tử đó chuyển động và tơng tác với nhau theo các định luật của
cơ học Niutơn. Tiếp tục quan sát chuyển động Braonơ, học sinh thấy rằng các hạt
Braonơ chuyển động nhanh hơn khi ta tăng nhiệt độ; hiện tợng khuyếch tán cũng
xảy ra nhanh hơn khi ta tăng nhiệt độ. Học sinh có thể phát hiện ra một đặc tính
mới của các chất và thể hiện trên mô hình: vận tốc chuyển động của các phân tử
tăng lên khi nhiệt độ tăng. Một hiện tợng khác chỉ có thể giải thích đợc nếu ta

thừa nhận giữa các phân tử có lực tơng tác: nếu ta nén một chất để thu nhỏ thể
tích lại thì gặp phải một lực đẩy chống lại lực nén. Ngợc lại nếu ta kéo dãn một
vật thì gặp phải một lực kéo lại. Tổng hợp tất cả các sự kiện trên đây dẫn đến mô
hình cấu tạo phân tử của chất. Mô hình này mới chỉ phản ánh đợc bốn tính chất
(cấu tạo gián đoạn, chuyển động hỗn loạn không ngừng, có khoảng cách và lực
tơng tác, vận tốc tăng theo nhiệt độ). Rõ ràng còn nhiều tính chất khác của chất
cha đợc phản ánh trong mô hình trên.
Sau khi xây dựng xong mô hình (đợc phát biểu dới dạng thuyết động học
phân tử), giáo viên hớng dẫn học sinh vận dụng mô hình để giải thích hoặc dự
đoán một số hiện tợng mới. Điều đó có tác dụng khẳng định thêm giá trị nhận
thức, phát hiện cái mới của PPMH. Ví dụ nh: chất khí và chất lỏng gây áp suất
lên mọi phía của thành bình, sự giãn nở của các chất theo nhiệt độ, các định luật
21
về khí lý tởng Trong nhiều trờng hợp, có thể tổ chức cho học sinh quan sát thí
nghiệm kiểm tra những dự đoán trên.
Mức độ 5: Học sinh tự lực xây dựng lấy mô hình để giải quyết nhiệm vụ
nhận thức của mình. Thí dụ nh học sinh tự lực xây dựng mô hình đồ thị để xác
định công của lực đàn hồi, nhờ thế mà lập đợc công thức tính thế năng trong tr-
ờng hợp lực đàn hồi trong khi cha biết phép tính vi phân, tích phân.
1.3.4. Cấu trúc tài liệu giáo khoa theo phơng pháp mô hình
Việc học sinh thông hiểu, áp dụng sáng tạo các kiến thức vào tình huống mới,
phụ thuộc trớc hết là nội dung của chính môn học. Cấu trúc tài liệu giáo khoa và
phơng pháp trình bày tài liệu đó cũng có một ý nghĩa to lớn. Vấn đề lựa chọn nội
dung tài liệu giáo khoa , cấu trúc của tài liệu đó và phơng pháp trình bầy phải tùy
theo mục đích dạy học. Nếu chúng ta chỉ đơn thuần cho học sinh làm quen với
những nguyên lý mới, những định luật mới thì ta chỉ thông báo cho học sinh
những kết luận lý thuyết có sẵn mà các em sẽ phải sử dụng. Còn nếu chúng ta
đặt vấn đề không những thông báo mà cả giúp học sinh bồi dỡng phẩm chất đặc
trng của năng lực sáng tạo là thông hiểu kiến thức và áp dụng kiến thức vào tình
huống mới, tức là phát triển trí tuệ của học sinh trong quá trình dạy học thì

không phải bắt đầu việc trình bày tài liệu giáo khoa từ những lý thuyết có sẵn mà
không giải thích rằng chúng đợc rút ra từ những sự kiện ban đầu nào và tính chất
đúng đắn của lý thuyết đợc khẳng định bằng những thực nghiệm nào.
Chẳng hạn nh, khi dạy bài Dòng điện trong kim loại, giáo viên thờng bắt đầu
từ việc giải thích cơ cấu bên trong của các dây dẫn bằng kim loại. Các kim loại ở
thể rắn có cấu trúc tinh thể, chúng có thể đợc coi nh là một mạng không gian ion
chứa đầy các electron không liên kết với các hạt nhân nhất định. Tiếp theo đó
toàn bộ sách giáo khoa đợc xây dựng một cách suy diễn trên cơ sở của mô hình
đó.Cách trình bầy nh vậy dẫn đến tri thức của học sinh bị thiếu sót nhiều. Một
trong những thiếu sót chủ yếu là học sinh tiếp nhận mô hình cấu trúc kim loại
nh một cấu trúc trừu tợng nào đó đối với đối tợng thực mà nh chính bản thân đối
tợng đợc một ngời nào đó nhìn thấy và miêu tả lại. Điều đó lại dẫn tới chỗ học
sinh tuyệt đối hóa hình thức mà không biết đến cơ sở thực nghiệm của mô hình
đó. Kết quả là các em không đợc tự do nắm tài liệu và không thể giải thích đợc
mối mâu thuẫn với quan niệm đã miêu tả về cấu trúc của kim loại.
Chúng tôi cho rằng việc trình bầy của sách giáo khoa theo phơng pháp mô
hình: Những sự kiện khởi đầu

mô hình giả thiết

những hệ quả đợc rút ra
22
một cách lôgic

kiểm tra bằng thực nghiệm các kết quả sẽ có tác dụng tốt trong
việc phát huy năng lực t duy sáng tạo của học sinh.
Trớc hết học sinh phải biết đợc những sự kiện ban đầu nào đợc dùng làm cơ sở
để xây dựng nên mô hình vật lý này hay khác. Từ những sự kiện ban đầu đó
bằng cách trực giác ngời ta chuyển sang xây dựng mô hình với t cách ban đầu là
một giả thuyết. Từ mô hình này bằng cách suy diễn ngời ta rút ra đợc những hệ

quả, những hệ quả này đợc kiểm tra bằng thực nghiệm. Giả thuyết biến thành lý
thuyết khi ngời ta thu đợc những chứng minh bằng thực nghiệm tính đúng đắn
của những hệ quả đợc rút ra từ những giả thuyết đó. Những sự kiên thực nghiệm
nào mâu thuẫn với lý thuyết sẽ đợc dùng làm nền tảng để xây dựng một mô hình
vật lý trừu tợng mới.
1.3.5. Thực trạng sử dụng phơng pháp mô hình trong dạy học vật lý
1.3.5.1. Nhận thức của giáo viên về mô hình và phơng pháp mô hình
Chúng tôi đã tìm hiểu thực sử dụng PPMH trong dạy học vật lý ở trờng phổ
thông bằng phiếu tìm hiểu (phụ lục1).
Kết quả thống kê các phiếu điều tra này nh sau:
1) Tổng số giáo viên đợc hỏi ý kiến là 43 ngời, trong đó:
Thâm niên dạy học hơn 10 năm: chiếm 60 % tổng số giáo viên đợc hỏi ý
kiến.
Thâm niên dạy học ít hơn 10 năm: chiếm 40 % tổng số giáo viên đợc hỏi ý
kiến.
Số giáo viên nữ đợc hỏi: chiếm 63 % tổng số giáo viên đợc hỏi ý kiến.
2) Quan niệm mô hình theo nghĩa hẹp (chỉ là mô hình vật chất): 20/43 (chiếm
47%).
3) Quan niệm mô hình theo nghĩa đầy đủ (vừa là mô hình vật chất, vừa là mô
hình t duy: 23/43 (chiếm 53%).
4) Quan niệm mô hình chỉ là phơng tiện nhận thức: 22/43 (chiếm 51%).
5) Quan niệm mô hình chỉ là nội dung nhận thức: 7/43 (chiếm 16%).
6) Quan niệm mô hình vừa là phơng tiện, vừa là nội dung nhận thức: 14/43
(chiếm 33%).
7) Các mô hình thờng đợc giáo viên sử dụng trong dạy học: Mô hình chuyển
động Braonơ, mô hình đờng cảm ứng từ của nam châm thẳng, mô hình máy phát
điện xoay chiều 3 pha, mẫu nguyên tử Rơzơfo, mô hình đờng sức, mô hình đờng
cảm ứng từ và mô hình thuyết động học phân tử về cấu tạo chất.
23
Từ các kết quả điều tra nh trên, chúng ta có thể thấy rằng:

- Có gần tới một nửa trong tổng số giáo viên đợc hỏi cho rằng mô hình là một
sự vật hiện tợng cụ thể nhằm minh hoạ cho ta hiểu rõ hơn một hiện tợng khác
nào đó.
- Họ cho rằng mô hình là phơng tiện dạy học, phơng tiện nhận thức mà không
thấy đợc rằng mô hình vừa là nội dung nhận thức, vừa là phơng tiện nhận thức.
- Chỉ có 25% hiểu đợc đầy đủ vai trò của mô hình trong dạy học vật lý và
trong nghiên cứu vật lý.
1.3.5.2. Thực tế sử dụng phơng pháp mô hình trong dạy học vật lý
Qua phiếu tìm hiểu nh ở phụ lục 1, chúng ta thấy đợc rằng:
- Chỉ một số ít giáo viên giảng dạy PPMH một cách tờng minh.
- Các mô hình đợc họ sử dụng chủ yếu vẫn là mô hình vật chất (mô hình
chuyển động Braonơ, mô hình máy phát điện xoay chiều ba pha). Một số mô
hình hình lý thuyết cũng đã đợc sử dụng nhng còn rất hạn chế.
Kết luận chơng 1
Trên đây, chúng tôi đã trình bày những cơ sở lý luận của việc dạy học theo
phơng pháp mô hình. Từ những vấn đề đó, có thể rút ra một số kết luận sau đây:
- Bồi dỡng cho học sinh phơng pháp nhận thức bộ môn là nhiệm vụ dạy học ở
trờng phổ thông. PPMH là phơng pháp đặc thù của nhận thức vật lý, cần thiết
phải đa vào nội dung của dạy học vật lý. Dạy học theo PPMH sẽ nâng cao đợc
chất lợng nắm vững kiến thức, tạo cơ sở ban đầu cho việc phát triển năng lực
sáng tạo của học sinh.
- Phân tích vai trò của PPMH trong sự phát triển của vật lý học và trong dạy
học vật lý.
- Phân tích cấu trúc của PPMH, bao gồm các hành động và thao tác t duy,
thao tác thực hành. Đa ra đợc sơ đồ cấu trúc của PPMH phù hợp với năng lực
nhận thức của học sinh THPT, xem đó là nội dung của PPMH cần dạy học trong
trờng phổ thông.
- Chúng tôi đã đa ra 5 mức độ sử dụng PPMH trong dạy học vật lý phổ thông,
có thể áp dụng linh hoạt theo trình độ của học sinh.
- Chứng tỏ rằng đồ thị vật lý có thể coi nh một mô hình lý thuyết đợc sử dụng

rộng rãi trong vật lý học, cần đợc nghiên cứu và sử dụng rộng rãi với t cách là
một mô hình.
24
Chơng 2
Tổ chức dạy học chơng Thuyết động học
phân tử và chất khí lý tởng vật lý lớp 10 Trung học
phổ thông theo phơng pháp mô hình
2.1. Quan điểm về phơng pháp nhận thức trong xây dựng chơng trình vật lý
phổ thông
Phơng pháp, từ gốc tiếng Hy Lạp methodos có thể hiểu theo nghĩa chung là
tập hợp những thủ pháp, những cách thức, những con đờng bao gồm các thao tác
thực hành hay lý thuyết để đạt đến mục đích nào đó.[19]
Tuỳ thuộc vào mục đích của hành động mà phơng pháp có những nghĩa hẹp
khác nhau.
Nếu mục đích của hành động là tìm ra những chân lý khách quan thì tập hợp
các cách thức, con đờng, phơng tiện và các bớc mà trí tuệ phải đi theo để đạt đến
mục đích đó gọi là phơng pháp nhận thức khoa học.
25