CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA VIỆC PHÁT TRIỂN TƯ
2.3. Các biện pháp phát triển tƣ duy vật lý cho học sinh thông qua việc sử dụng phương pháp mô hình với sự hỗ trợ của máy tính
2.3.1. Tạo điều kiện cho học sinh tham gia tích cực vào các giai đoạn của phương pháp mô hình
Phương pháp mô hình là một phương pháp đặc thù trong nghiên cứu vật lý, có thể giúp HS phát triển hầu hết các thao tác TDVL. Do đó, biện pháp tốt nhất để phát triển TDVL cho HS là tạo điều kiện để HS tham gia tích cực vào các giai đoạn
của PPMH. Các thao tác TDVL có thể phát triển được nhờ biện pháp này là: so sánh, phân tích, tổng hợp, khái quát hóa và trừu tượng hóa. Giáo viên cũng cần phải chú ý đến khả năng TDVL của HS để thiết kế các hoạt động phù hợp. Trong giai đoạn đầu, GV không nên yêu cầu HS tự lực tham gia tất cả các giai đoạn của PPMH, cần cho HS từng bước làm quen với phương pháp này. Sau đó có thể cho HS tham gia với các hướng dẫn, gợi ý cụ thể. Việc phát triển TDVL cho HS trong mỗi giai đoạn của PPMH được cụ thể hóa như sau.
2.3.1.1. Giai đoạn nghiên cứu những tính chất của đối tƣợng vật gốc
Trong giai đoạn nghiên cứu đối tượng gốc, GV cần giúp cho HS nhận ra nét đặc trưng của các đối tượng nghiên cứu. Học sinh cần nhận biết được đặc điểm chung nhất giữa các đối tượng. Muốn vậy, HS cần phải thực hiện các thao tác tư duy vật lý (phân tích, tổng hợp, so sánh, trừu tượng hóa, khái quát hóa) từ đó phát triển, hoàn thiện chúng.
Trong giai đoạn này, GV cần cho HS quan sát các đối tượng nghiên cứu và yêu cầu HS mô tả lại đối tượng cần nghiên cứu dựa trên các quan sát hằng ngày.
Sau đó, GV có thể đặt các câu hỏi gợi mở cho HS thực hiện các thao tác tư duy nói trên để tìm ra đặc điểm điển hình của đối tượng gốc. GV cần phải đặt câu hỏi sao cho HS phải thực hiện một số thao tác tư duy tối thiểu thì mới trả lời được câu hỏi.
Cần hạn chế tối đa việc đặt các câu hỏi dạng đúng hay sai, có hay không vì đối với những câu hỏi này HS có thể trả lời đúng một cách ngẫu nhiên.
Chẳng hạn, khi dạy về mô hình vectơ vận tốc, GV có thể cho HS quan sát một đoạn phim về một số đối tượng chuyển động cùng lúc. Ví dụ một đoạn phim quay lại một đoạn đường có nhiều phương tiện đang di chuyển sau đó cho đoạn phim trên dừng lại ở một cảnh nào đó rồi yêu cầu HS mô tả lại chuyển động của các vật. Khi đó, HS sẽ mô tả lại sự chuyển động nhanh hay chậm của các đối tượng có trong đoạn phim. Giáo viên có thể gợi mở thêm bằng câu hỏi “Ngoài tính chất chuyển động nhanh hay chậm của các đối tượng, ta cần phải mô tả thêm đặc điểm nào của chuyển động của các đối tượng trên?”. Học sinh có thể chỉ ra thêm được là quỹ đạo chuyển động và chiều chuyển động của các đối tượng trên. Dựa trên kết quả làm việc của HS, GV yêu cầu HS tổng hợp lại các đặc điểm cần mô tả khi nói
về tính chất chuyển động của một vật. Đây sẽ là cơ sở để HS có thể xây dựng được mô hình của vectơ vận tốc trong hoạt động tiếp theo.
2.3.1.2. Giai đoạn xây dựng mô hình
Đây là giai đoạn đòi hỏi HS phải có TDVL ở mức độ cao. Sản phẩm của giai đoạn này là mô hình thay thế cho đối tượng gốc và mô hình này có thể được sử dụng để nghiên cứu đối tượng gốc. Mô hình thường được xây dựng dựa trên sự nhạy bén và kinh nghiệm của người nghiên cứu. Khi xây dựng mô hình, trực giác đóng vai trò rất quan trọng vì hầu như không có các con đường suy luận logic để xây dựng mô hình.
Khi mới sử dụng PPMH vào dạy học, HS có thể chưa hình dung được việc xây dựng mô hình nên rất khó thực hiện được việc này. Để khắc phục, GV có thể sử dụng PPMH ở mức độ một hoặc mức độ hai nghĩa là cho HS làm quen với việc xây dựng mô hình hoặc tham gia vào một trong các bước của xây dựng mô hình. Như vậy, mặc dù không trực tiếp xây dựng mô hình nhưng HS được làm quen với việc mô hình hóa các đối tượng nghiên cứu của các nhà khoa học. Quá trình này giúp HS thấy được cách thực hiện các thao tác TDVL và từng bước giúp HS rèn luyện được các thao tác TDVL.
Khi HS đã quen, GV có thể tổ chức các hoạt động bổ trợ để HS có thể tự mình xây dựng được mô hình. GV có thể đưa ra các mô hình chưa hoàn chỉnh, chưa hợp lí rồi yêu cầu HS đánh giá mô hình, chỉ ra các điểm chưa hợp lí và từ đó đi đến hoàn thiện mô hình. Khi thực hiện hoạt động này, HS sẽ có cơ hội rèn luyện các thao tác TDVL như so sánh, phân tích, tổng hợp, khái quát hóa ...
Ví dụ, khi nghiên cứu về khí lí tưởng, dựa vào tính chất của nó (đối tượng gốc) kết hợp với mô hình cấu tạo chất mà HS đã biết, GV có thể đề xuất mô hình chất khí lí tưởng tương tự như mô hình cấu tạo chất và yêu cầu HS đánh giá tính hợp lí của mô hình này. Học sinh có thể nhận xét vì các phân tử của chất khí lí tưởng có thể chuyển động tự do trong phạm vi bình chứa nên giữa các phân tử chất khí lí tưởng không thể tồn tại lực tương tác như mô hình cấu tạo chất, vì vậy mô hình này không phù hợp với khí lí tưởng. Sau đó, GV yêu cầu HS hoàn chỉnh mô hình của khí lí tưởng. Từ nhận xét trên, HS có thể bổ sung và điều chỉnh vài tính
chất để có được mô hình hoàn chỉnh của khí lí tưởng. Nếu HS đưa ra những mô hình chưa hoàn chỉnh thì GV có thể tiếp tục cho HS đánh giá mô hình hoặc chỉ ra những điểm không phù hợp để cùng với HS hoàn thiện mô hình. Qua hoạt động này, TDVL của HS sẽ được phát triển.
2.3.1.3. Giai đoạn thao tác trên mô hình, suy ra hệ quả lý thuyết
Đây là giai đoạn mà TDVL của HS được rèn luyện tốt nhất. Giai đoạn này các hoạt động nghiên cứu chủ yếu chỉ diễn ra trong óc người nghiên cứu. Để làm được việc đó, HS cần vận dụng tối đa khả năng TDVL của mình để thực hiện các nghiên cứu trên mô hình.
Trong giai đoạn này, thông qua hoạt động làm việc với mô hình, các thao tác TDVL có thể phát triển cho HS là phân tích, tổng hợp, so sánh, trừu tượng hóa và khái quát hóa. Đây cũng là cơ hội tốt để giúp HS vận dụng TDVL trong việc giải quyết các nhiệm vụ học tập. Làm được điều này, GV không chỉ phát triển được TDVL cho HS mà còn tạo ra được hứng thú học tập và củng cố lòng tự tin của HS vào khả năng của mình và vào các kiến thức khoa học mà HS tiếp thu được.
Trong giai đoạn này GV có thể khai thác theo hai hướng: (1) GV tổ chức các hoạt động định hướng tư duy cho HS để HS tiến hành các thao tác tư duy trên mô hình nhằm suy ra hệ quả lí thuyết. Muốn vậy, GV phải chuẩn bị hệ thống câu hỏi định hướng, câu hỏi gợi ý và câu hỏi kiểm tra một cách chặt chẽ và hợp lí. Hệ thống câu hỏi này giúp định hướng tư duy cho HS, kiểm tra xem HS có thực hiện các thao tác tư duy như mong muốn hay không và HS đã đạt được kết quả gì trong quá trình đó. Ngoài ra, hệ thống câu hỏi trên còn có tác dụng hỗ trợ quá trình tư duy của HS nếu HS gặp các khó khăn trong việc tìm ra hệ quả mong muốn. (2), GV có thể sử dụng sự hỗ trợ của MT để giúp cho HS vượt qua được các khó khăn trong giai đoạn này. Ở đây GV có thể sử dụng sự hỗ trợ của MT theo hai cách là cho HS làm thí nghiệm trên các mô hình mô phỏng bằng MT hoặc cho HS tự thiết kế các mô hình mô phỏng bằng MT và thực hiện các thí nghiệm trên đó.
Ví dụ, khi sử dụng mô hình khí lí tưởng để nghiên cứu định luật Boyle – Mariotte, GV có thể đặt ra vấn đề nghiên cứu cho HS là nếu giữ cho nhiệt độ không đổi, thay đổi thể tích của khối khí lí tưởng (nén hay dãn khối khí một cách từ từ để
cho nhiệt độ không đổi) thì áp suất của khí sẽ thay đổi như thế nào? Trong hoạt động này, GV có thể đặt các câu hỏi định hướng cho HS như: Nguyên nhân gây ra áp suất của khí lí tưởng lên thành bình là gì? Dựa vào định hướng này, HS có thể đi theo hướng so sánh số lần va chạm của các phân tử khí trong một đơn vị thời gian để suy ra sự tăng hay giảm áp suất của khối khí. Các câu hỏi GV có thể gợi ý cho HS có thể là: khi tăng hay giảm thể tích của khối khí lí tưởng thì số phân tử khí của khối khí và khoảng cách giữa các phân tử khí thay đổi ra sao? Từ sự thay đổi đó cho thấy số lần va chạm của các phân tử khí với nhau và các phân tử khí với thành bình thay đổi ra sao? Để kiểm tra quá trình tư duy của HS, GV có thể yêu cầu HS giải thích các câu trả lời của mình. Khi đó HS sẽ phải tái hiện lại quá trình tư duy của mình bằng lời nói, thông qua đó, GV có thể điều chỉnh các sai lầm mà HS có thể mắc phải. Tóm lại, thông qua các câu hỏi định hướng và gợi ý hợp lí, GV có thể tổ chức cho HS sử dụng các thao tác tư duy để làm việc với mô hình, suy ra hệ quả lí thuyết. Ngoài ra, GV cũng có thể kiểm tra các thao tác tư duy của HS bằng các câu hỏi kiểm tra để điều chỉnh nếu cần.
2.3.1.4. Giai đoạn thực nghiệm kiểm tra
Giai đoạn thực nghiệm kiểm tra còn được gọi là giai đoạn xác nhận mô hình.
Nhiệm vụ của giai đoạn này là kiểm tra xem các hệ quả lí thuyết rút ra từ mô hình có phù hợp với các kết quả thực nghiệm hay không. Nếu thực nghiệm cho thấy các hệ quả lí thuyết rút ra được từ mô hình là đúng thì mô hình được xác nhận còn ngược lại thì ta phải điều chỉnh lại mô hình hoặc thay thế mô hình đã xây dựng bằng một mô hình mới. Ở giai đoạn này, nếu GV chỉ thực hiện các thí nghiệm thực cho HS quan sát và kết luận thì việc làm này hầu như không có tác dụng phát triển TDVL cho HS. Để phát triển TDVL cho HS, GV cần tổ chức cho HS xây dựng được phương án thí nghiệm khả thi để kiểm chứng các hệ quả lí thuyết được rút ra trong quá trình làm việc với mô hình.
Trong khi xây dựng phương án thí nghiệm HS phải vận dụng các thao tác TDVL như so sánh, khái quát hóa, trừu tượng hóa,... Qua đó, TDVL của HS sẽ được phát triển. Tuy nhiên, thực tế hiện nay cho thấy HS THPT vẫn còn yếu về thực hành nên GV không nên kỳ vọng HS có thể tự lực xây dựng được các phương án thí
nghiệm khả thi để xác nhận mô hình. Ở đây, nếu HS có thể có các ý tưởng ban đầu về phương án thí nghiệm là GV đã có thể sử dụng điều này để định hướng và rèn luyện các thao tác TDVL cho HS.
Trong giai đoạn này, nếu HS chưa quen với việc đề xuất phương án thí nghiệm khả thi để kiểm tra hệ quả lí thuyết rút ra được từ mô hình, GV có thể gợi ý cho HS bằng các câu hỏi như: để kiểm tra được hệ quả này chúng ta cần đo các đại lượng nào? Để đo được các đại lượng ấy chúng ta phải sử dụng các dụng cụ nào?
Để tiến hành được thí nghiệm trong điều kiện cần thiết thì các dụng cụ đo lường nói trên phải được sử dụng ra sao? Ngoài các dụng cụ đo lường cần thiết, chúng ta còn cần sử dụng các thiết bị thí nghiệm nào khác? Cách sử dụng các thiết bị thí nghiệm ấy ra sao? Bằng cách trả lời các câu hỏi định hướng như trên, HS dần dần hình dung được phương án thí nghiệm cần thực hiện để kiểm chứng mô hình. Trong quá trình dạy học, tùy thuộc vào trình độ của HS và mức độ thành thạo của HS trong giai đoạn này, GV cần xây dựng hệ thống câu hỏi định hướng với mức độ chi tiết khác nhau tùy vào ý đồ sư phạm của mình.
Ví dụ, sau khi rút ra được hệ quả lí thuyết là khi nhệt độ không đổi thì áp suất của chất khí lí tưởng tỉ lệ thuận với thể tích của nó. Giáo viên có thể hướng dẫn HS xây dựng phương án thí nghiệm kiểm chứng bằng cách sử dụng hệ thống câu hỏi gợi ý như sau: Để kiểm chứng được hệ quả là áp suất của chất khí lí tưởng có tỉ lệ thuận với thể tích khí khi nhiệt độ không đổi chúng ta cần đo được những đại lượng nào? Để đo được thể tích và áp suất của chất khí ta cần các dụng cụ gì? Điều kiện để diễn ra mối quan hệ tỉ lệ nghịch giữa áp suất và thể tích như trong nghiên cứu là gì?
Giáo viên có thể tiếp tục gợi ý: Làm thế nào để trong quá trính thí nghiệm nhiệt độ không đổi và làm thế nào để có thể biết được là nhiệt độ có thay đổi hay không khi chúng ta làm thí nghiệm? Sau khi có tất cả các câu trả lời trên, GV yêu cầu học sinh xây dựng phương án thí nghiệm khả thi để kiểm tra giả thuyết trên. Đến đây, HS đã có đầy đủ nguyên liệu để thiết kế phương án thí nghiệm cần thiết. Hoặc nếu không, GV cũng có thể giới thiệu phương án thí nghiệm dựa trên các câu trả lời của HS.
Học sinh sẽ có cảm giác rằng mình đã tham gia xây dựng phương án thí nghiệm và
có niềm tin vào bản thân và hứng thú với môn học hơn. Đồng thời bằng hệ thống câu hỏi gợi ý như trên, GV đã tạo điều kiện để HS tư duy và phát triển TDVL cho HS.