Luận văn Thạc sĩ Giáo dục học: Thiết kế bộ thí nghiệm cơ học dùng cảm biến Sonar và sử dụng trong dạy học chương “Các định luật bảo toàn” lớp 10 trung học phổ thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Lê Hồng Anh Linh

THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG
CẢM BIẾN SONAR VÀ SỬ DỤNG TRONG DẠY
HỌC CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN”
LỚP 10 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHAN GIA ANH VŨ

Thành phố Hồ Chí Minh – 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Lê Hồng Anh Linh

THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG
CẢM BIẾN SONAR VÀ SỬ DỤNG TRONG DẠY
HỌC CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN”
LỚP 10 TRUNG HỌC PHỔ THƠNG
Chun ngành: Lí luận và phương pháp dạy học mơn Vật lí
Mã số: 60.14.10
LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. PHAN GIA ANH VŨ

Thành phố Hồ Chí Minh – 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và
chưa từng được ai công bố trong bất kỳ luận văn nào khác.
Người viết cam đoan

Lê Hoàng Anh Linh


LỜI CẢM ƠN
Trong q trình thực hiện và hồn thành luận văn này, tác giả đã nhận được
sự quan tâm và giúp đỡ rất lớn từ quý Thầy cô, đồng nghiệp và gia đình. Tơi xin
được bày tỏ lịng biết ơn chân thành của mình đến:
Thầy TS. Phan Gia Anh Vũ – người trực tiếp hướng dẫn về mặt chuyên môn,
đã rất tận tâm chỉ dạy, truyền đạt kinh nghiệm và giúp đỡ tơi vượt qua những khó
khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Thạc sĩ Phan Minh Tiến – người đóng góp ý kiến, giúp đỡ và tạo mọi điều
kiện thuận lợi về cơ sở vật chất để tơi hồn thành luận văn này.
Q Thầy cơ phản biện và hội đồng chấm luận văn đã đọc và có những nhận
xét cũng như những góp ý quý giá về luận văn.
Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đối với gia đình, đồng nghiệp đã động
viên, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn.
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013
LÊ HOÀNG ANH LINH

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt trong luận văn
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị trong luận văn
MỞ ĐẦU ............................................................................................................1
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN .......................................................................5
1.1. Tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học Vật lí ..........................5
1.1.1. Cơ sở tâm lí học của hoạt động nhận thức ..............................................5
1.1.2. Cơ sở khoa học của việc tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh
trong dạy học Vật lí ...........................................................................................8
1.2. Những vấn đề lí luận về thí nghiệm Vật lí ..................................................12
1.2.1. Thí nghiệm Vật lí ..................................................................................12
1.2.2. Vai trị của thí nghiệm Vật lí trong dạy học Vật lí ................................13
1.2.3. Quy trình xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lí
.........................................................................................................................14
1.2.3.1. Quy trình xây dựng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lí............14
1.2.3.2. Qui trình sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lý ...............17
1.2.4. Sử dụng máy vi tính hỗ trợ TN Vật lí [2] ..............................................21
1.2.5. Thí nghiệm vật lí trong tiến trình dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề
.........................................................................................................................24
1.3. Kết luận chương 1 .......................................................................................29
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG CẢM BIẾN
SONAR VÀ THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC
CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” LỚP 10 THPT ..................31

2.1. Nội dung kiến thức phần cơ học trong chương trình Vật lí THPT .............31
2.2. Thực trạng của việc sử dụng thí nghiệm và thực trạng dạy học phần Cơ học
ở trường THPT ...................................................................................................32
2.2.1. Thuận lợi................................................................................................32
2.2.2. Khó khăn ...............................................................................................33
2.2.3. Ưu điểm của bộ thí nghiệm Cơ học dùng cảm biến SONAR ...............35
2.3. Xây dựng bộ thí nghiệm Cơ học dùng cảm biến SONAR ..........................36
2.3.1. Giới thiệu về cảm biến Go! Motion của Vernier...................................37
2.3.2. Xây dựng các thí nghiệm cơ học dùng cảm biến SONAR với xe động
lực ....................................................................................................................41
2.3.3. Xây dựng các thí nghiệm cơ học dùng cảm biến SONAR với bộ thí
nghiệm đệm khơng khí ....................................................................................54


2.3.4. Xây dựng thí nghiệm sự rơi tự do dùng cảm biến SONAR ..................64
2.3.5. Xây dựng các thí nghiệm về dao động của con lắc lò xo và con lắc đơn
dùng cảm biến SONAR ...................................................................................65
2.4. Thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức thuộc chương “Các định luật
bảo tồn” – Vật lí 10 THPT ...............................................................................77
2.4.1. Phân tích cấu trúc và nội dung kiến thức của chương “Các định luật bảo
tồn”. ...............................................................................................................77
2.4.2.Tiến trình dạy học bài “Động lượng. Định luật bảo tồn động lượng”..81
2.4.3. Tiến trình dạy học bài “Cơ năng”..........................................................86
2.5. Kết luận chương 2 .......................................................................................92
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM .................................................94
3.1. Mục đích, đối tượng, phương pháp và nội dung thực nghiệm ....................94
3.1.1. Mục đích thực nghiệm ...........................................................................94
3.1.2. Đối tượng thực nghiệm sư phạm ...........................................................94
3.1.3. Phương pháp thực nghiệm .....................................................................95
3.1.4. Nội dung thực nghiệm ...........................................................................95

3.2. Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm ..................................95
3.2.1. Đánh giá tính khả thi của tiến trình dạy học đã thiết kế được ...............96
3.2.2. Phân tích định lượng kết quả kiểm tra.................................................104
3.2.2.1.Tính tốn các số liệu cần thiết [12] ...................................................104
3.2.2.2.Kết quả tính tốn ...............................................................................105
3.2.3. Kiểm định giả thuyết thống kê ............................................................108
3.2.4. Bước đầu đánh giá hiệu quả của tiến trình dạy học đã thiết kế được
trong việc nâng cao tính hứng thú, tích cực, sáng tạo của HS trong học tập 109
3.2.5. Ưu điểm, nhược điểm của bộ TN cơ học dùng cảm biến SONAR trong
dạy học chương “ Các định luật bảo toàn”. ...................................................110
3.3. Kết luận chương 3 .....................................................................................110
KẾT LUẬN....................................................................................................112
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................114


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
VIẾT ĐẦY ĐỦ

VIẾT TẮT

Giáo viên

GV

Học sinh

HS

Thí nghiệm

TN

Trung học phổ thơng

THPT

Thực nghiệm

TN

Đối chứng

ĐC


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 3.1. Bảng thống kê điểm kiểm tra của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng
.............................................................................................................................. 107
Bảng 3.2. Bảng phân phối tần suất của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng ........
.............................................................................................................................. 107
Bảng 3.3. Bảng phân phối tần suất tích lũy của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng
.............................................................................................................................. 108
Bảng 3.4. Bảng xác định các tham số cần tìm của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng
.............................................................................................................................. 108


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ
Trang
Hình 1.1. Chu trình sáng tạo khoa học ................................................................. 9

Hình 1.2. Sơ đồ tiến trình xây dựng, bảo vệ tri thức mới trong nghiên cứu khoa học
..................................................................................................................... 10
Hình 1.3. Dạng khái quát của sơ đồ biểu đạt lơgic của tiến trình khoa học giải quyết
vấn đề khi xây dựng, kiêm nghiệm, ứng dụng một giá trị cụ thể .......................... 11
Hình 1.4. Sơ đồ TN vật lí với sự hỗ trợ của máy vi tính ...................................... 22
Hình 1.5. Sơ đồ khái qt của tiến trình xây dựng kiến thức theo kiểu DH PH &
GQ VĐ ................................................................................................................... 24
Hình 1.6. Sơ đồ khái quát tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường lí thuyết của
kiểu DH PH & GQ VĐ ............................................................................................... 25
Hình 1.7 . Sơ đồ khái quát tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường thực nghiệm
của kiểu DH PH & GQ VĐ ......................................................................................... 26

Hình 2.1. Ngun lí TOF ....................................................................................... 38
Hình 2.2. Cảm biến Go! Motion của Vernier ........................................................ 38
Hình 2.3. Giao diện phần mềm Logger Pro .......................................................... 39
Hình 2.4. Góc qt của cảm biến ......................................................................... 29
Hình 2.5. Các ưu điểm của Go! Motion ................................................................ 40
Hình 2.6. Xe động lực và vật nặng ........................................................................ 41
Hình 2.7. Bộ TN xe động lực ................................................................................ 41
Hình 2.8. Sơ đồ bố trí TN chuyển động thẳng đều của xe động lực ..................... 42
Hình 2.9. Đồ thị tọa độ và vận tốc của vật chuyển động thẳng đều theo thời....... 43
Hình 2.10. Cửa sổ Cruve Fit .................................................................................. 44
Hình 2.11. Kết quả phân tích đồ thị của vật chuyển động thẳng đều .................... 44
Hình 2.12. Bố trí TN của vật chuyển động thẳng biến đổi đều ............................. 45
Hình 2.13. Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều
theo thời gian .......................................................................................................... 46
Hình 2.14. Bố trí TN của vật chuyển động thẳng biến đổi đều ............................. 47


Hình 2.15. Đồ thị tọa đơ, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều

theo thời gian .......................................................................................................... 48
Hình 2.16. Sơ đồ bố trí TN va chạm mềm của hai xe cùng khối lượng ................ 49
Hình 2.17. Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe va chạm mềm trước và sau tương tác ....... 50
Hình 2.18. Sơ đồ bố trí TN 2 xe động lực cùng khối lượng va chạm đàm hồi ..... 51
Hình 2.19. Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe trước và sau tương tác đàn hồi ................. 52
Hình 2.20. Sơ đồ bố trí TN 2 xe động lực đứng yên, sau đó tương tác với nhau . 52
Hình 2.21. Đồ thị vận tốc hai xe trước và sau tương tác ....................................... 53
Hình 2.22. Ray đệm khơng khí ............................................................................. 54
Hình 2.23. Bộ cấp khí ........................................................................................... 54
Hình 2.24. Xe trượt ............................................................................................... 54
Hình 2.25. Các phụ kiện của bộ đệm khí .............................................................. 54
Hình 2.26. Bố trí TN chuyển động thẳng đều trên đệm khơng khí của xe trượt ... 55
Hình 2.27 Đồ thị tọa độ và vận tốc của vật chuyển động thẳng đều theo thời gian
................................................................................................................................ 56
Hình 2.28 Bố trí TN xe trượt chuyển động trên mặt phẳng nghiêng của đệm khí 57
Hình 2.29 Đồ thị tọa độ và vận tốc theo thời gian của xe trượt trên mặt phẳng
nghiêng ................................................................................................................... 58
Hình 2.30. Bố trí TN xe trượt chuyển động thẳng biến đổi đều trên đệm khí ..... 59
Hình 2.31. Đồ thị tọa đơ, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều
theo thời gian .......................................................................................................... 60
Hình 2.32. Bố trí TN hai xe trượt cùng khối lượng va chạm mềm trên đệm khơng
khí ........................................................................................................................... 61
Hình 2. 33. Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe trượt trước và sau tương tác..................... 62
Hình 2.34. Bố trí TN hai xe trượt cùng khối lượng va chạm đàn hồi trên đệm khơng
khí ........................................................................................................................... 62
Hình 2. 35. Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe trước và sau tương tác ............................. 63
Hình 2.36. Sơ đồ bố trí TN rơi tự do ..................................................................... 64
Hình 2.37. Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật rơi tự do theo thời gian ........... 65

Hình 2.38. Sơ đồ bố trí TN con lắc lị xo dao động thẳng đứng ........................... 66
Hình 2.39. Đồ thị tọa đơ, vận tốc của con lắc lị xo dao động thẳng đứng theo thời
gian ......................................................................................................................... .67
Hình 2.40. Cửa sổ phần mềm Calculated Column Options .................................. 68
Hình 2.41. Mục Option ở cửa sổ phần mềm Calculated Column Options........... 69
Hình 2.42. Mục Column Option ở cửa sổ phần mềm Calculated Column Options
khi thiết lập hàm động năng ................................................................................... 69
Hình 2.43. Mục Column Option ở cửa sổ phần mềm Calculated Column Options
khi thiết lập hàm cơ năng ....................................................................................... 70
Hình 2.44. Đồ thị động năng, thế năng và cơ năng theo thời gian của con lắc lò xo
dao động theo phương thẳng đứng ......................................................................... 70
Hình 2.45. Bố trí TN con lắc lị xo dao động theo phương ngang ........................ 71
Hình 2.46. Bố trí TN con lắc lò xo dao động trên mặt phẳng nghiêng ................. 72
Hình 2.47. Đồ thị li độ, vận tốc của con lắc lò xo dao động theo phương nằm ngang
theo thời gian .......................................................................................................... 73
Hình 2.48. Đồ thị li độ, vận tốc của con lắc lò xo dao động theo phương nghiêng
theo thời gian .......................................................................................................... 73
Hình 2.49. Sơ đồ bố trí TN dao động của con lắc đơn .......................................... 74
Hình 2.50. Đồ thị li độ và vận tốc của con lắc đơn dao động theo thời gian ....... 75
Hình 2.51. Đồ thị động năng, thế năng và cơ năng của con lắc đơn dao động theo
thời gian .................................................................................................................. 76
Hình 2.52. Sơ đồ cấu trúc kiến thức chương “Các định luật bảo tồn” ................ 77
Hình 3.1. Đồ thị vận tốc theo thời gian của hệ hai vật cùng khối lượng va chạm
mềm ........................................................................................................................ 97
Hình 3.2. Đồ thị vị trí và vận tốc theo thời gian của vật rơi tự do ........................ 101
Hình 3.3. Đồ thị vị trí và vận tốc theo thời gian của con lắc lò xo dao động thẳng
đứng ........................................................................................................................ 101
Hình 3.4. Đồ thị cơ năng theo thời gian của con lắc lò xo dao động thẳng đứng .
................................................................................................................................ 102

Hình 3.5. Đồ thị phân bố tần suất của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng ............ 106
Hình 3.6. Đồ thị phân bố tần suất tích lũy của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng
................................................................................................................................ 106


1

MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Hiện nay, chúng ta đang thực hiện việc đổi mới toàn diện nội dung và
phương pháp dạy học ở trường trung học phổ thông. Đối với các mơn khoa học thực
nghiệm nói chung và mơn Vật lí nói riêng thì việc đổi mới đó phải gắn liền với việc
phải tăng cường sử dụng thí nghiệm trong quá trình dạy học.
Cơ học, nội dung đầu tiên được đưa vào giảng dạy ở cấp Trung học phổ
thơng, khảo sát những q trình đơn giản nhất của Vật lí học: chuyển động cơ.
Chuyển động cơ có mặt ở khắp mọi nơi trong thực tiễn cuộc sống. Do đó, các hiện
tượng của phần cơ học gắn liền với thực tế một cách sâu sắc và có tính trực quan rất
cao nhưng các đại lượng vật lý trong cơ học lại rất trừu tượng và khó tiếp thu đối
với học sinh. Do đó, việc dùng thí nghiệm trong tiến trình dạy các kiến thức của
phần cơ học là rất cần thiết, nhằm phát triển tư duy và năng lực sáng tạo cho học
sinh. Khi tìm hiểu cấu trúc, nội dung kiến thức và thực trạng dạy học phần kiến thức
cơ học trong chương trình Vật lí phổ thơng hiện nay, tơi nhận thấy việc sử dụng các
thí nghiệm trong các tiết học còn hạn chế. Kết quả thu được từ các thí nghiệm này
có sai số khá lớn và cần phải có khá nhiều thời gian để thực hiện nên làm ảnh
hưởng đến tiến trình dạy học. Vì vậy, một thực tế đặt ra là cần cải tiến hoặc xây
dựng mới các thí nghiệm cơ học có độ chính xác cao hơn và tốn ít thời gian hơn để
giúp giáo viên có điều kiện để tiến hành thí nghiệm khi giảng dạy các kiến thức cơ
học.
Ngày nay, trong nghiên cứu và giảng dạy Vật lí, ta có thể sử dụng các cảm

biến để thu thập các số liệu thực nghiệm một cách nhanh chóng và chính xác. Các
số liệu thực nghiệm và kết quả xử lí được hiển thị trên bộ chỉ thị hiện số hoặc được
kết nối với máy vi tính để hiển thị, phân tích trên màn hình. Các cảm biến và bộ
ghép nối hiện số được coi như các dụng cụ đo hiện số có độ nhạy tốt, độ chia nhỏ và
thang đo rộng. Một trong các loại cảm biến thường dùng trong các thí nghiệm cơ
học nhưng ít được sử dụng trong chương trình vật lý phổ thông là cảm biến
SONAR.


2

Xuất phát từ những phân tích trên, tơi nhận thấy: Nếu xây dựng bộ thí
nghiệm cơ học trong chương trình Vật lí phổ thơng dùng cảm biến SONAR sẽ
khắc phục được các hạn chế về độ chính xác và thời gian thí nghiệm của các bộ thí
nghiệm đã có. Nếu xây dựng thành cơng bộ thí nghiệm cơ học này thì có thể sử
dụng nó một cách hiệu quả trong q trình dạy học chương trình Vật lí trung học
phổ thơng.
Với các lí do trên, tơi lựa chọn và nghiên cứu đề tài: Thiết kế bộ thí nghiệm
cơ học dùng cảm biến SONAR và sử dụng trong dạy học chương “Các định luật
bảo tồn” lớp 10 trung học phổ thơng.
2. Mục đích nghiên cứu
- Thiết kế một số bài thí nghiệm cơ học trong chương trình Vật lí phổ thơng
có sử dụng cảm biến SONAR.
- Thiết kế tiến trình dạy học có sử dụng bộ thí nghiệm đã xây dựng trong dạy
học chương “Các định luật bảo toàn” lớp 10 trung học phổ thông.
3. Giả thuyết nghiên cứu
Nếu thiết kế được bộ thí nghiệm cơ học dùng cảm biến SONAR đáp ứng
các yêu cầu về mặt sư phạm và sử dụng các thí nghiệm một cách hợp lí vào q
trình dạy học nội dung “Các định luật bảo toàn”, lớp 10, chương trình vật lí phổ
thơng thì có thể nâng cao hiệu quả của việc dạy học.

4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu lí luận dạy học hiện đại về các phương pháp, hình thức dạy
học nhằm tăng cường tính tích cực, sáng tạo của học sinh trong học tập.
- Phân tích nội dung phần “Các định luật bảo tồn” trong Vật lý 10 Trung
học phổ thơng nhằm tìm hiểu nội dung và đặc điểm các kiến thức cần xây dựng.
- Tìm hiểu thực tế dạy học phần “Các định luật bảo tồn” ở lớp 10, trường
trung học phổ thơng nhằm làm rõ những khó khăn và nguyên nhân của những khó
khăn ấy trong việc tổ chức hoạt động nhận thức của học sinh theo hướng tích cực,
sáng tạo.


3

- Nghiên cứu các thí nghiệm cơ học đã có trong phịng thí nghiệm Vật lí phổ
thơng để tìm ra những ưu điểm và nhược điểm của chúng.
- Tìm hiểu cảm biến sonar để đo khoảng cách, bộ ghép nối và các phần mềm
tương ứng.
- Thiết kế các thí nghiệm cơ học trong chương trình Vật lí phổ thơng dùng
cảm biến sonar.
- Thiết kế tiến trình dạy học các kiến thức của chương “Các định luật bảo
tồn” Vật lí 10 trung học phổ thơng có dùng các thí nghiệm mới xây dựng.
- Thực nghiệm sư phạm để đánh giá tính khả thi, hiệu quả của tiến trình dạy
học đã thiết kế và phân tích các ưu nhược điểm của các thí nghiệm mới xây dựng.
5. Đối tượng nghiên cứu
- Nội dung và phương pháp dạy học phần cơ học trong chương trình Vật lí
phổ thơng.
- Các cảm biến sonar dùng trong các thí nghiệm cơ học của chương trình
Vật lí phổ thông.
6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý luận: nghiên cứu lí luận dạy học, tâm lí học, cơ sở lý luận

về đổi mới phương pháp dạy học, các tài liệu, sách, báo, các văn kiện, các nghị
quyết của Trung ương Đảng về lĩnh vực giáo dục.
- Nghiên cứu thực tiễn: sử dụng phương pháp phỏng vấn, điều tra ngắn
nhằm thu thập thơng tin về tính hiệu quả của việc sử dụng thí nghiệm trong dạy
học mơn Vật lí ở trường trung học phổ thơng, nghiên cứu trong phịng thí nghiệm
về thiết kế chế tạo và hồn thiện một số thí nghiệm.
- Thực nghiệm sư phạm: tổ chức hoạt động dạy và học, ghi chép, chụp ảnh,
quay phim, khảo sát kết quả học tập, rút kinh nghiệm giờ dạy, phân tích diễn biến
q trình thực nghiệm.
- Thống kê tốn học: tổng hợp, phân tích và xử lí số liệu thống kê kết quả
thực nghiệm.


4

7. Đóng góp của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là nguồn tư liệu dạy học bổ sung cho
chương “ Các định luật bảo toàn”. Đồng thời, đây sẽ là cơ sở cho các đề tài nghiên
cứu xây dựng và sử dụng hiệu quả các thí nghiệm trong dạy và học Vật lí trong
tương lai.


5

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN
1.1. Tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học Vật lí
Trong quá trình dạy học, mục tiêu, nội dung, phương pháp và phương tiện
dạy học có mối quan hệ biện chứng với nhau. Các chuyên gia sư phạm xác định
mục tiêu dạy học và đề ra nội dung dạy học tương ứng. Trên cơ sở nội dung và mục
tiêu đã đề ra, GV phải lựa chọn, vận dụng các phương pháp và sử dụng phương tiện

thích hợp sao cho có thể phát huy tích cực và phát triển được năng lực sáng tạo của
HS.[1]
Mục tiêu giáo dục không chỉ dừng lại ở việc truyền thụ những kiến thức, rèn
luyện những kỹ năng có sẵn cho HS mà quan trọng là phải bồi dưỡng cho họ năng
lực sáng tạo, năng lực giải quyết vấn đề, để từ đó có thể sáng tạo ra những trí thức
mới, phương pháp mới, cách giải quyết vấn đế mới, góp phần làm giàu thêm nền
kiến thức của bản thân HS. Vì vậy, dạy học nói chung và dạy học vật lí nói riêng
cần phải tiến hành đổi mới nội dung và phương pháp, nhất là đổi mới phương pháp
dạy và học sao cho vai trò tự chủ của HS trong hoạt động xây dựng kiến thức ngày
một nâng cao, để từ đó năng cao năng lực sáng tạo của HS.[2]
Để quá trình đổi mới phương pháp dạy và học đạt hiệu quả, các nhà giáo dục
phải trên cơ sở nghiên cứu tâm lí học để từ đó xây dựng tiến trình dạy học phù hợp.
Hoạt động học tập của HS thực chất là hoạt động nhận thức. Thông qua hoạt động
của bản thân mà HS tự chiếm lĩnh kiến thức, hình thành và phát triển năng lực trí
tuệ, cũng như quan điểm, đạo đức, thái độ. Vì vậy, trong quá trình dạy học, GV cần
tổ chức, kiểm tra, định hướng hoạt động học tập của HS theo một chiến lược hợp lí
sao cho HS tự chủ chiếm lĩnh, xây dựng tri thức. HS là chủ thể của hoạt động nhận
thức.[3]
1.1.1. Cơ sở tâm lí học của hoạt động nhận thức
Chúng ta biết rằng quá trình nhận thức bao giờ cũng diễn ra theo hai giai
đoạn: nhận thức cảm tính và nhận thức lí tính.


6

Giai đoạn nhận thức cảm tính bao gồm các hoạt động cảm giác, tri giác và
hình thành biểu tượng về đối tượng cần nhận thức. Chỉ thông qua các hoạt động
cảm giác, tri giác đối tượng cần nhận thức có thể hình thành biểu tượng về đối
tượng đó một cách chân thực và đúng đắn. Nhờ đó mới có được những thao tác tư
duy (nhận thức lý tính) như: phân tích, tổng hợp, so sánh, khái qt hóa đạt độ

chính xác khoa học cần thiết, qua đó HS lĩnh hội được kiến thức một cách sâu sắc,
có được những thao tác tư duy đúng đắn, có khả năng vận dụng những tri thức đã
học, có điều kiện để xây dựng kiến thức mới.
Những thành tựu của tâm lí học nhận thức và tâm lí học sư phạm đã khẳng
định vai trò và tác dụng của các phương tiện trực quan trong việc kích thích hứng
thú nhận thức, tạo cơ sở cho nhu cầu nhận thức xuất hiện và động lực của quá trình
nhận thức được duy trì và phát triển. Do đó làm cho người học đạt kết quả cao trong
việc chiếm lĩnh tri thức lẫn hình thành năng lực tư duy sáng tạo và kĩ năng thực
hành.[4]
Theo quan điểm của tâm lí học liên tưởng, khi sự vật, hiện tượng tác động
vào giác quan thì cảm giác sẽ được hình thành. Những cảm giác này sẽ làm xuất
hiện những ý tưởng có liên quan. Những ý tưởng được hình thành này sau đó lại
kích thích sự ra đời của những ý tưởng khác. Vì vậy, hoạt động học thực chất là quá
trình hình thành các liên tưởng, phát triển trí nhớ của người học. Hoạt động học sẽ
có hiệu quả nếu người học có thể hình thành cho mình những mối liên hệ giữa các
khái niệm, quy luật, cách thức…để từ đó ghi nhớ và tái hiện tài liệu học tập tốt hơn.
Tương tự như vậy, hoạt động dạy cần phải hình thành ở người học càng nhiều càng
tốt những mối liên hệ giữa những tri thức riêng lẻ, giữa những kiến thức của một
phần hay một phạm vi khoa học nhất định nào đó cũng như giữa các ngành khoa
học khác nhau.
Khi sử dụng TN với sự hỗ trợ của máy vi tính vào dạy học, HS có điều kiện
quan sát trực tiếp hiện tượng và quá trình vật lí xảy ra trong thí nghiệm, đồng thời
có thể quan sát được số liệu thu được từ thí nghiệm thơng qua màn hình máy vi
tính. Các số liệu đó được thu thập, được sắp xếp, xử lí và hiển thị theo ý đồ sư phạm


7

của giáo viên. Nhờ đó, có thể giúp HS dễ dàng xác định được những mối liên hệ
giữa những thuộc tính khác nhau của sự vật hiện tượng, giữa cái chung và cái riêng,

giữa hình thức và nội dung của các đối tượng nghiên cứu.[4]
Khi đó, nếu có được sự hướng dẫn, gợi ý cần thiết của giáo viên thì HS có
thể chuyển hóa vấn đề nhận thức từ cụ thể sang trừu tượng, rồi từ đó chuyển lên cái
cụ thể ở mức cao hơn. Lúc này tính trực quan được dùng để vạch ra mối quan phổ
biến của các đối tượng, hiện tượng, hiện tượng và q trình.
Lí thuyết kiến tạo của Bruner cho rằng học tập là một q trình tích cực,
trong đó người học kiến tạo các ý tưởng mới dựa trên các kiến thức hiện có. Người
dạy có thể làm cho việc học hiệu quả hơn bằng cách cung cấp tư liệu để giúp cho
người học xây dựng kiến thức từ những gì họ đã biết để biết nhiều hơn và tự họ
khám phá ra chân lí. Hoạt động học sẽ hiệu quả hơn nếu người học có thể tham gia
tích cực vào việc điều khiển q trình học. Chính vì vậy, HS cần phải có những lựa
chọn, tự kiểm soát kế hoạch học tập và tự đưa ra mục đích cho mỗi hành động học
của mình, tăng cường sự hợp tác và ý thức cộng đồng, hình thành những phương
pháp học tập phù hợp với hoàn cảnh, tăng cường tự đánh giá, tự nhận xét.[4]
Theo Vưgôtxky, sử dụng phương tiện chẳng qua là sử dụng các đối tượng
nào đó làm phương thức, phương tiện thực hiện hành vi của bản thân mình. Theo
đó, sự phát triển, hiện đại hóa các phương tiện dạy học sẽ góp phần phát triển, hồn
thiện các hành vi của học sinh, góp phần phát triển các thao tác tư duy, năng lực
sáng tạo của người học. Trong giai đoạn đầu của việc giải quyết vấn đề, HS khuyến
khích, hỗ trợ, hướng dẫn lẫn nhau, trong giai đoạn sau HS đưa ra kết luận dựa trên
các bằng chứng thực nghiệm và giải quyết các bất đồng ý kiến bằng cách dung hịa
các lập luận khác nhau. Từ đó có thể kết luận rằng HS có thể đạt được mục tiêu học
tập thông qua hợp tác với nhau bằng các bài thuyết trình, phát biểu, tranh luận.[2]
Vưgơtxky cịn cho rằng dạy học sẽ có hiệu quả hơn khi HS tham gia các hoạt
động với môi trường hỗ trợ học tập và khi họ nhận được những hướng dẫn gián tiếp
của các công cụ học tập. Những công cụ này được định nghĩa như là các chiến lược
nhận thức, người cố vấn, bạn cùng học, máy tính, tư liệu hoặc bất kí dụng cụ nào


8

cung cấp thơng tin cho người học. Vai trị của các công cụ này là chủ động hỗ trợ
người học hoàn thành nhiệm vụ học tập gần với giới hạn trên của vùng phát triển
gần và thoát khỏi sự trợ giúp khi người học đạt được mức tự tin cao hơn.[2]
Như vậy, trong q trình dạy học vật lí ở trường phổ thơng, giáo viên cần
phải biết sử dụng thí nghiệm vật lí hỗ trợ cho q trình dạy học. Đồng thời, giáo
viên cần phải tổ chức các hoạt động dạy học và hướng dẫn HS tham gia vào quá
trình thảo luận đưa ra các phán đoán (giả thuyết) sau đó xây dựng và tiến hành các
thí nghiệm kiểm chứng nhằm khẳng định hay bác bỏ giả thuyết đã đưa ra. Từ đó,
HS tự chiếm lĩnh và hình thành nên tri thức cho bản thân.
Quá trình dạy học các tri thức thuộc một môn khoa học cụ thể được hiểu là
những hoạt động của giáo viên và của HS trong sự tương tác thống nhất biện chứng
của ba thành phần: GV, HS và tư liệu học tập. Hệ thống hoạt động dạy học bao gồm
các hành động có mục đích của GV, tổ chức hoạt động trí óc và tay chân của HS,
đảm bảo cho HS chiếm lĩnh được nội dung dạy học, đạt được mục tiêu xác định.
GV tổ chức định hướng hành động chiếm lĩnh tri thức vật lí của HS phỏng theo tiến
trình của chu trình sáng tạo khoa học. Như vậy chúng ta có thể hình dung diễn biến
của hoạt động dạy học như sau:
- GV tổ chức tình huống, HS chấp nhận tình huống, nhận nhiệm vụ, nảy sinh
vấn đề cần tìm tịi giải quyết. Dưới sự chỉ đạo của GV, vấn đề được diễn đạt chính
xác hóa, phù hợp với mục tiêu dạy học và các nội dung cụ thể đã xác định.
- HS tự chủ tìm tịi, giải quyết vấn đề đặt ra với sự theo dõi, định hướng, giúp
đỡ của GV.
- GV chỉ đạo sự trao đổi, tranh luận của HS, bổ sung, tổng kết, khái quát hóa,
thể chế hóa tri thức, kiểm tra kết quả học tập phù hợp với mục tiêu dạy học các nội
dung cụ thể đã xác định.
1.1.2. Cơ sở khoa học của việc tổ chức hoạt động nhận thức cho
học sinh trong dạy học Vật lí
Q trình sáng tạo khoa học gồm các giai đoạn chính: Từ những sự kiện khởi
đầu đi đến xây dựng mơ hình trừu tượng của hiện tượng, tức là đề xuất giả thuyết,

9

từ giả thuyết suy ra các hệ quả logic; từ hệ quả đi đến thiết kế và tiến hành kiểm tra
bằng thực nghiệm; nếu các sự kiện thực nghiệm phù hợp với hệ quả logic thì giả
thuyết trở thành chân lí khoa học từ đó hình thành định luật, thuyết vật lí. Cho đến
khi xuất hiện những sự kiện thực nghiệm mới không phù hợp với các hệ quả rút ra
từ lí thuyết dẫn tới phải xem lại lí thuyết cũ, cần phải chỉnh lí lại hoặc phải thay đổi
mơ hình giả thuyết, và bắt đầu xây dựng những giả thuyết mới, thiết kế những thiết
bị mới để kiểm tra và như vậy mà kiến thức của nhân loại ngày một phong phú
thêm.[5]

Các hệ quả logic

Mơ hình – Giả thuyết
trừ tượng

Các sự kiện xuất phát

Thực nghiệm

Hình 1.1. Chu trình sáng tạo khoa học [5]
Từ chu trình sáng tạo khoa học trên, tiến trình hoạt động giải quyết vấn đề
được mơ tả như sau: “ Đề xuất vấn đề - suy đốn giải pháp – khảo sát lí thuyết và
(hoặc) thực nghiệm – kiểm tra, vận dụng kết quả”.
- Đề xuất vấn đề: Từ những lí thuyết, sự kiện thực tế đã biết và nhiệm vụ cần
giải quyết nảy sinh nhu cầu tìm hiểu một vấn đề cịn chưa biết, về một cách giải
quyết khơng có sẵn, nhưng hi vọng có thể tìm tịi, xây dựng được và diễn đạt nhu
cầu đó thành câu hỏi.

- Suy đốn giải pháp: Để giải quyết vấn đề đặt ra, từ điểm xuất phát cho phép
đi tìm lời giải: chọn hoặc đề xuất mơ hình có thể vận hành được để đi tới cái cần
tìm; hoặc phỏng đốn các biến cố thực nghiệm có thể xảy ra mà nhờ đó có thể khảo
sát thực nghiệm để xác định được vấn đề cần tìm.


10

- Khảo sát lí thuyết hoặc thực nghiệm, vận hành mơ hình rút ra kết luận logic
về cái cần tìm hoặc có thể thiết kế phương án thí nghiệm, tiến hành thực nghiệm,
thu lượm các dữ liệu cần thiết và xen kẽ, rút ra kết luận về vấn đề cần tìm hiểu.
- Kiểm tra, vận dụng kết quả: xem xét khả năng chấp nhận được của các kết
quả tìm được, trên cơ sở vận dụng chúng để giải thích hoặc tiên đoán các sự kiện và
xem xét sự phù hợp của lí thuyết và thực nghiệm. Xem xét sự cách biết giữa kết
luận có được nhờ sự suy luận lí thuyết với kết luận có được từ các dữ liệu thực
nghiệm để quy nạp chấp nhận kết quả tìm được khi có sự phù hợp giữa lí thuyết và
thực nghiệm, hoặc để xét lại, bổ sung, sửa đổi đối với thực nghiệm hoặc đối với sự
xây dựng và vận hành mơ hình xuất phát khi chưa có sự phù hợp giữa lí thuyết và
thực nghiệm, nhằm tiếp tục tìm tịi xây dựng điều cần tìm.[5]
Việc xây dựng tri thức khoa học như trên không phải là công việc chỉ của
riêng một nhà khoa học mà là một quá trình mang tính xã hội. Nhận thức của mỗi cá
nhân, thành viên xã hội, tiến triển trong sự tương tác xã hội và xung đột xã hội –
nhận thức. Kết quả nghiên cứu của mỗi cá nhân nhà khoa học có sự hỗ trợ của
người khác. Kết quả đó được thơng báo và trải qua sự tranh luận phản bác, bảo vệ
trong cộng đồng các nhà khoa học. Nhờ đó, kết quả nghiên cứu được chỉnh lí bổ
sung, hồn thiện và được cộng đồng khoa học chấp nhận. Chính vì vậy, q trình
xây dựng tri thức có thể minh họa bằng sơ đồ hình 1.2
Tình huống có tiềm ẩn vấn đề
Phát biểu vấn đề - Bài toán
Giải quyết vấn đề

Kiểm tra xác nhận kết quả
Trình bày, thơng báo, thảo luận và bảo vệ kết quả
Vận dụng tri thức mới để giải quyết vấn đề
Hình 1.2. Sơ đồ tiến trình xây dựng, bảo vệ tri thức mới trong nghiên cứu khoa học


11

Trong q trình dạy học Vật lí ở trường trung học phổ thông, GV cần phải
biết vận dụng các quan điểm của lí luận dạy học hiện đại theo chiến lược dạy học
giải quyết vấn đề cho từng kiến thức trong từng bài học cụ thể.
Theo GS.TS Phạm Hữu Tòng, có thể khái qt tiến trình khoa học
giải quyết vấn đề khi xây dựng, kiểm nghiệm hoặc ứng dụng thực tiễn một kiến
thức cụ thể bởi sơ đồ 1 và sơ đồ 2 hình 1.3.[5]
Vấn đề
(Địi hỏi tìm kiếm xây dựng kiến thức)
Điều kiện cần sử dụng để đi tìm câu trả lời
cho vấn đề đặt ra
BÀI TOÁN

Giải quyết bài tốn
KẾT LUẬN / NHẬN ĐỊNH

(Sơ đồ 1)
Vấn đề
(Địi hỏi kiểm nghiệm/ứng dụng thực tiễn kiến thức)

Điều kiện cần sử dụng để đi tìm câu trả lời cho vấn đề đặt ra, một mặt
nhờ suy luận, mặt khác nhờ thí nghiệm và quan sát

BÀI TỐN
Giải bài tốn bằng
suy luận lí thuyết

KẾT LUẬN
(Thu được nhờ suy luận lí thuyết)

Giải bài tốn bằng thí
nghiệm và quan sát

KẾT LUẬN
(Thu được nhờ quan sát và thí nghiệm)

(Sơ đồ 2)
Hình 1.3. Dạng khái qt của sơ đồ biểu đạt logic của tiến trình khoa học
giải quyết vấn đề khi xây dựng, kiêm nghiệm, ứng dụng một giá trị cụ thể [5]


12

1.2. Những vấn đề lí luận về thí nghiệm Vật lí
1.2.1. Thí nghiệm Vật lí
Theo Từ điển tiếng Việt, TN là gây ra một hiện tượng, một sự biến đổi nào
đó trong điều kiện xác định để quan sát, tìm hiểu, nghiên cứu, kiểm tra hay chứng
minh.[6]
Một số quan điểm khác cho rằng: TN là một sự thử nghiệm hay kiểm tra một
lí thuyết khoa học bằng cách thao tác với yếu tố trong môi trường để quan sát kết
quả có phù hợp với các tiên đốn lí thuyết hay khơng.[2]
TN cịn được hiểu là: Q trình tạo dựng một sự quan sát hay thực hiện một
phép đo. TN là sự quan sát hiện tượng nghiên cứu trong các điều kiện được kiểm tra

chính xác, cho phép theo dõi tiến trình của hiện tượng và tái tạo nó mỗi lần lặp lại
các hiện tượng này.[2]
Trong Vật lí học, TN là phương pháp, là cách thức mà bằng cách nào đó con
người tác động một cách có ý thức, hệ thống lên các sự vật, hiện tượng xảy ra trong
những điều kiện nhất định. Sự phân tích về mặt lí thuyết các điều kiện và q trình
xảy ra trong đó đóng vai trị hết sức quan trọng. Sự tác động đó có thể là trực tiếp
hay gián tiếp thơng qua các thiết bị máy móc gọi là cơng cụ TN.
Các khái niệm trên đều cho thấy TN bao gồm các thành phần sau đây:
+ Một lí thuyết hay giả thuyết
+ Đối tượng, hệ thống, q trình phản ánh lí thuyết đó.
+ Các thao tác lên đối tượng, hệ thống, quá trình theo một trình tự nhất định
và trong những điều kiện xác định.[7]
Từ các phân tích trên, TN Vật lí là TN để nghiên cứu các hiện tượng, q
trình Vật lí. Kết quả của TN Vật lí nhiều khi là các định luật, các ứng dụng kĩ thuật
nhưng nhiều khi chỉ để chứng minh một giả thuyết hoặc hình thành một giả thuyết
Vật lí mới.


13

1.2.2. Vai trị của thí nghiệm Vật lí trong dạy học Vật lí
Theo quan niệm trên, TN vật lí có vai trị rất quan trọng trong q trình dạy
học vật lí. Ở giai đoạn định hướng mục tiêu nghiên cứu, TN vật lí để đề xuất vấn đề
nghiên cứu, tạo điều kiện cho HS nhanh chóng tiếp cận mục tiêu nghiên cứu. Việc
sử dụng TN tạo tình huống có vấn đề là rất quan trọng đối với HS vì kết quả TN
thường làm nảy sinh mâu thuẫn giữa kiến thức mới với các quan niệm sẵn có của
HS. Trong giai đoạn hình thành kiến thức mới, TN vật lí cung cấp các số liệu thực
nghiệm và đó là cơ sở vững chắc nhất để khái quát hóa, quy nạp, kiểm tra tính đúng
đắn của giả thuyết hoặc hệ quả logic để hình thành kiến thức mới. Trong giai đoạn
củng cố kiến thức, kỹ năng của HS, TN vật lí có vai trị khơng những kiểm tra kiến

thức, kỹ năng, kỹ xảo mà còn đánh giá được khả năng tự lực, sáng tạo của HS trong
quá trình TN.[7]
Theo quan điểm của lí luận nhận thức, TN là phương tiện của việc thu nhận
tri thức, là phương tiện kiểm tra tính đúng đắn của tri thức, và là phương tiện để vận
dụng tri thức thu được vào thực tiễn.
Ngày nay, dạy học không chỉ truyền thụ cho HS các kiến thức, rèn luyện kỹ
năng, kỹ xảo mà cịn góp phần phát triển nhân cách HS một cách tồn diện. Giờ học
có sử dụng TN vật lí làm cho HS hứng thú hơn trong học tập và q trình thu nhận
thơng tin của HS ngày càng tích cực, tự lực và sáng tạo hơn. Như vậy, qua quá trình
tiếp cận với các TN vật lí, dần dần trong HS xuất hiện sự ham muốn tìm hiểu, ham
muốn nghiên cứu, xóa dần sự ngăn cách trong ý thức của HS giữa vật lí và cuộc
sống mn hình mn vẻ để tạo cho HS hứng thú nhận thức.[8]
TN vật lí là phương tiện cho phép tổ chức các hình thức làm việc tập thể
khác nhau nhằm bồi dưỡng cho HS thói quen hợp tác trong lao động, trong nghiên
cứu khoa học và trung thực khi nhận thức một sự vật hiện tượng. Hiện tượng vật lí
xảy ra trong tự nhiên chằng chịt, đan xen nhau giữa các q trình. Do đó, để nghiên
cứu một hiện tượng, một q trình nào đó, phương tiện có thể phản ánh đúng bản
chất của sự vật hiện tượng một cách chính xác, trung thực và đơn giản nhất là các