Bài giảng Nhập môn khoa học tự nhiên: Chương trình bồi dưỡng giáo viên môn Khoa học tự nhiên

Chia sẻ: Andy Pham Andy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:48

Thêm vào BST

Báo xấu

116
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

"Bài giảng Nhập môn khoa học tự nhiên: Chương trình bồi dưỡng giáo viên môn Khoa học tự nhiên" với các nội dung khái quát về môn Khoa học Tự nhiên; các nguyên lí chung và chương trình của môn KHTN-các nguyên lý chung của KHTN trong chương trình môn KHTN...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Nhập môn khoa học tự nhiên: Chương trình bồi dưỡng giáo viên môn Khoa học tự nhiên

BÀI GIẢNG HỌC PHẦN NHẬP MÔN KHOA HỌC TỰ NHIÊN CHƢƠNG TRÌNH BỒI DƢỠNG GIÁO VIÊN MÔN KHOA HỌC TỰ NHIÊN (Lƣu hành nội bộ) Nhóm PPDH - Khoa Sƣ phạm KHTN - Đại học Sài Gòn TP HỒ CHÍ MINH 6 – 2020
MỤC LỤC Chương 1. Khái quát về môn Khoa học Tự nhiên .......................................................................... 1 I. Mục tiêu ................................................................................................................................... 1 II. Nội dung ................................................................................................................................. 1 1.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu KHTN................................................................................ 1 1.1.1. Đối tượng ...................................................................................................................... 1 1.1.2. Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................................... 2 1.2. Mục tiêu, nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu của khoa học tự nhiên ............................. 3 1.2.1. Mục tiêu, nhiệm vụ khoa học tự nhiên .......................................................................... 3 Lĩnh vực nghiên cứu của Vật lý học ........................................................................................ 4 Lĩnh vực nghiên cứu của Hóa học........................................................................................... 6 Lĩnh vực nghiên cứu của Sinh học .......................................................................................... 7 1.2.2. Phương pháp nghiên cứu khoa học tự nhiên ................................................................. 8 Chương 2. Các nguyên lí chung và chương trình của môn KHTN- Các nguyên lý chung của KHTN trong chương trình môn KHTN ........................................................................................ 10 2.1. Các nguyên lí chung của KHTN ........................................................................................ 10 2.1.1. Tính cấu trúc ................................................................................................................ 10 2.1.2. Sự đa dạng ................................................................................................................... 10 2.1.3. Sự tương tác ................................................................................................................ 10 2.1.4. Tính hệ thống ............................................................................................................. 11 2.1.5. Năng lượng - Sự vận động và biến đổi........................................................................ 11 2.2. Các chủ đề môn khoa học tự nhiên .................................................................................... 14 2.3. Giới thiệu chương trình môn KHTN .................................................................................. 14
2.3.1. Đặc điểm môn học ....................................................................................................... 14 2.3.2. Quan điểm ................................................................................................................... 15 2.3.3. Nội dung chương trình ................................................................................................ 17 2.3.4. Mục tiêu chương trình ................................................................................................. 28 2.3.5. Yêu cầu cần đạt .......................................................................................................... 29 2.3.6. Phương pháp – Hình thức – Kĩ thuật tổ chức dạy học ................................................ 32 2.3.7. Đánh giá kết quả giáo dục ........................................................................................... 33 2.4. Sự phát triển nội dung môn KHTN .................................................................................... 35 2.4.1. Chương trình môn KHTN lớp 4-5 ............................................................................... 35 2.4.2. Nội dung giáo dục khái quát ....................................................................................... 37 Tài liệu tham khảo ..................................................................................................................... 39 1
Chƣơng 1. Khái quát về môn Khoa học Tự nhiên I. Mục tiêu Học xong chương này học viên: 1. Xác định được, vai trò, đặc điểm, các lĩnh vực khoa học tự nhiên (KHTN); 2. Trình bày được mục tiêu, nhiệm vụ, phương pháp nghiên cứu khoa học tự nhiên; 3. Phân tích được mối liên hệ giữa khoa học tự nhiên với chương trình môn Khoa học Tự nhiên ở trường trung học phổ thông. II. Nội dung 1.1. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu KHTN 1.1.1. Đối tƣợng Khoa học: (tiếng Anh: science) là toàn bộ hoạt động có hệ thống nhằm xây dựng và tổ chức kiến thức dưới hình thức những lời giải thích và tiên đoán có thể kiểm tra được về vũ trụ. Thông qua các phương pháp kiểm soát, nhà khoa học sử dụng cách quan sát các dấu hiệu biểu hiện mang tính vật chất và bất thường của tự nhiên nhằm thu thập thông tin, rồi sắp xếp các thông tin đó thành dữ liệu để phân tích nhằm giải thích cách thức hoạt động, tồn tại của sự vật hiện tượng. Một trong những cách thức đó là phương pháp thử nghiệm nhằm mô phỏng hiện tượng tự nhiên dưới điều kiện kiểm soát được và các ý tưởng thử nghiệm. Tri thức trong khoa học là toàn bộ lượng thông tin mà các nghiên cứu đã tích lũy được. Định nghĩa về khoa học được chấp nhận phổ biến rằng khoa học là tri thức tích cực đã được hệ thống hóa. Tự nhiên hay cũng được gọi thiên nhiên, thế giới vật chất, vũ trụ và thế giới tự nhiên (tiếng Anh: nature) là tất cả vật chất và năng lượng chủ yếu ở dạng bản chất. "Tự nhiên" nói đến các hiện tượng xảy ra trong thế giới vật chất, và cũng nhắc đến sự sống nói chung. Phạm vi bao quát của nó từ cấp hạ nguyên tử cho tới những khoảng cách lớn trong vũ trụ. Nghiên cứu về tự nhiên là một mảnh ghép lớn trong thế giới khoa học. Dù cho con người hiển nhiên là một phần của tự nhiên, nhưng những hoạt động của con người thường được phân biệt rạch ròi khỏi những hiện tượng tự nhiên. Từ nature có nguồn gốc từ natura trong tiếng Latin, có nghĩa là "phẩm chất thuần khiết, thiên hướng bẩm sinh", và trong thời cổ đại nó có nghĩa đen là "sự sinh nở". Natura trong tiếng Latin là dịch từ physis (φύσις) trong tiếng Hy Lạp, một từ có nguồn gốc liên 1
quan đến đặc tính nội tại của thực vật, động vật và những đặc trưng khác trong thế giới do chính người cổ đại nghĩ ra hoặc ghi chép lại. Khái niệm tự nhiên theo nghĩa tổng thể, hay vũ trụ vật chất, là một trong vài khái niệm mở rộng của khái niệm ban đầu; nó bắt đầu bằng những cách thông hiểu trọng tâm của từ φύσις bởi các triết gia trước Sokrates, và đã thu được sự chú ý dần dần theo thời gian kể từ đó. Cách sử dụng này dần được chấp nhận trong giai đoạn phát triển của phương pháp khoa học hiện đại trong vài thế kỷ qua. Với nhiều cách sử dụng và ý hiểu ngày nay, "tự nhiên" cũng nhắc đến địa chất và thế giới hoang dã. Tự nhiên cũng bao gồm nhiều loại động thực vật sống khác nhau, và trong một số trường hợp liên quan tới tiến trình của những vật vô tri vô giác – cách mà những kiểu riêng biệt của sự vật tồn tại và làm biến đổi môi trường quanh nó, tỉ như thời tiết và hoạt động địa chất của Trái Đất, cũng như vật chất và năng lượng của tất cả mọi thứ mà chúng cấu thành lên. Khi hiểu theo nghĩa là "môi trường tự nhiên" hoặc vùng hoang dã – động vật hoang dã, đá, rừng, bờ biển, và nói chung những thứ không bị tác động của con người thay đổi hoặc phản kháng trước những tác động của con người. Ví dụ, các sản phẩm được sản xuất hoặc có tác động bởi con người nói chung sẽ không được coi là thuộc về tự nhiên, trừ khi được định nghĩa thành những lớp lang phù hợp, ví dụ, "bản chất con người" (nhân tính) hay "toàn thể tự nhiên". Khái niệm truyền thống này về các vật tự nhiên mà đôi khi ngày nay vẫn sử dụng hàm ý sự phân biệt giữa thế giới tự nhiên và nhân tạo, với những thứ nhân tạo được ngầm hiểu từ tâm thức hoặc tư duy của con người. Phụ thuộc vào từng ngữ cảnh, thuật ngữ "tự nhiên" cũng có thể khác hẳn với từ "không tự nhiên" hay "siêu nhiên". Khoa học tự nhiên, hay Tự nhiên học (tiếng Anh:Natural science) là một nhánh của khoa học, có mục đích nhận thức, mô tả, giải thích và tiên đoán về các hiện tượng và quy luật tự nhiên, dựa trên những dấu hiệu được kiểm chứng chắcchắn. Trong khoa học tự nhiên, giả thuyết được sử dụng rộng rãi để xây dựng những lý thuyết khoa học thuyết khoa học. 1.1.2. Phạm vi nghiên cứu Khoa học tự nhiên tìm hiểu về thế giới quanh chúng ta và vũ trụ. 5 phân ngành chính là: Hóa học, Thiên văn học, Khoa họcTrái Đất, Vật lý học, Sinh học. 2
Các ngành Toán học, Thống kê và Tin học cung cấp nhiều công cụ và khung làm việc được sử dụng trong các ngành khoa học tự nhiên. Ở Việt Nam, ba ngành này được xếp vào loại khoa học tự nhiên. Tuy nhiên, nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là các nước nói tiếng Anh, không có quan điểm như vậy. • Thiên văn học, nghiên cứu về các thiên thể và hiện tượng bên ngoài bầu khí quyển Trái Đất, ví dụ sao, thiên hà, v.v.. • Sinh học, nghiên cứu về sự sống. • Hóa học, nghiên cứu cấu tạo, các phản ứng hóa học, cấu trúc, và các tính chất của vật chất và các biến đổi lý hóa mà chúng trải qua. • Khoa học Trái Đất, nghiên cứu về Trái Đất, các chuyên ngành gồm có: • Vật lý học, nghiên cứu các thành phần cơ bản của vũ trụ, các lực và tương tác của chúng, và các kết quả của các lực này. 1.2. Mục tiêu, nhiệm vụ và phƣơng pháp nghiên cứu của khoa học tự nhiên 1.2.1. Mục tiêu, nhiệm vụ khoa học tự nhiên Khoa học tự nhiên với nhiệm vụ nghiên cứu lý giải các sự vật hiện tượng xảy ra trong tự nhiên, từ đó xây dựng các luận cứ, giải pháp làm cơ sở xây dựng những công trình ứng dụng cũng như sử dụng những lợi thế tự nhiên đem lại, góp phần cải tạo và nâng cao chất lượng cuộc sống cũng như bảo vệ con người trước những tác động tiêu cực của tự nhiên gây ra cho con người cũng như môi trường sống của con người. Vật lý học (tiếng Anh: Physics, từ tiếng Hy Lạp cổ: φύσις có nghĩa là kiến thức về tự nhiên) là một môn khoa học tự nhiên tập trung vào sự nghiên cứu vật chất và chuyển động của nó trong không gian và thời gian, cùng với những khái niệm liên quan như năng lượng và lực. Vật lý học là một trong những bộ môn khoa học lâu đời nhất, với mục đích tìm hiểu sự vận động của vũ trụ. Vật lý học là một trong những ngành hàn lâm sớm nhất, và có lẽ là sớm nhất khi tính chung với thiên văn học. Trong hai thiên niên kỷ vừa qua, vật lý là một phần của triết học tự nhiên cùng với hóa học, vài nhánh cụ thể của toán học và sinh học, nhưng trong cuộc Cách mạng khoa học bắt đầu từ thế kỷ XVII, các môn khoa học tự nhiên nổi lên như các ngành nghiên cứu riêng độc lập với nhau. Vật lý học giao 3
nhau với nhiều lĩnh vực nghiên cứu liên môn ngành khác nhau, như vật lý sinh học và hóa học lượng tử, giới hạn của vật lý cũng không rõ ràng. Các phát hiện mới trong vật lý thường giải thích những cơ chế cơ bản của các môn khoa học khác đồng thời mở ra những hướng nghiên cứu mới trong các lĩnh vực như toán học hoặc triết học. Vật lý học cũng có những đóng góp quan trọng qua sự tiến bộ các công nghệ mới đạt được do những phát kiến lý thuyết trong vật lý. Ví dụ, sự tiến bộ trong hiểu biết về điện từ học hoặc vật lý hạt nhân đã trực tiếp dẫn đến sự phát minh và phát triển những sản phẩm mới, thay đổi đáng kể bộ mặt xã hội ngày nay, như ti vi, máy vi tính, laser, internet, các thiết bị gia dụng, hay là vũ khí hạt nhân; những tiến bộ trong nhiệt động lực học dẫn tới sự phát triển cách mạng công nghiệp; và sự phát triển của ngành cơ học thúc đẩy sự phát triển phép tính vi tích phân. Lĩnh vực nghiên cứu của Vật lý học Vật lý vật chất ngưng tụ Vật lý vật chất ngưng tụ là một ngành của vật lý học nghiên cứu các tính chất vật lý vĩ mô của vật chất. Đặc biệt, nó xét đến các pha "ngưng tụ" xuất hiện bất cứ khi nào số hạt trong hệ là rất lớn và tương tác giữa chúng là mạnh. Những ví dụ quen thuộc nhất của pha ngưng tụ đó là chất rắn và chất lỏng, chúng xuất hiện do lực điện từ liên kết giữa các nguyên tử. Những pha ngưng tụ kỳ lạ bao gồm trạng thái siêu chảy và ngưng tụ Bose–Einstein xuất hiện trong những hệ nguyên tử cụ thể ở nhiệt độ rất thấp gần 0K, pha siêu dẫn thể hiện bởi các electron dẫn trong một số vật liệu, và vật liệu sắt từ và phản sắt từ do tính chất spin trong mạng tinh thể nguyên tử. Vật lý vật chất ngưng tụ là một trong những ngành lớn nhất của vật lý học hiện nay. Về mặt lịch sử, ngành này bắt đầu trưởng thành từ ngành vật lý trạng thái rắn, và hiện nay được các nhà khoa học coi là chủ đề chính của vật lý vật chất ngưng tụ. Thuật ngữ vật lý vật chất ngưng tụ do Philip Anderson nêu ra khi ông đổi tên nhóm nghiên cứu của ông — trước đó là lý thuyết trạng thái rắn — vào năm 1967. Năm 1978, Nhóm Vật lý Trạng thái Rắn của Hội Vật lý Mỹ đổi tên thành Nhóm Vật lý Vật chất Ngưng tụ. Ngành này bao quát rất nhiều lĩnh vực bao gồm hóa học, khoa học vật liệu, công nghệ nano và kỹ thuật. Vật lý nguyên tử, phân tử, và quang học 4
Vật lý nguyên tử, phân tử, và quang học (AMO) nghiên cứu tương tácgiữa vậtchất–vật chất và ánh sáng–vật chất trên cấp độ nguyên tử và phân tử. Cả ba ngành này có sự trao đổi qua lại lẫn nhau, chúng có thể sử dụng phương pháp nghiên cứu tương tự nhau, giống nhau về mức năng lượng của hệ nghiên cứu. Cả ba ngành đều có cách tiếp cận bao gồm của vật lý cổ điển, bán cổ điển và lượng tử; các nhà vật lý có thể xét ba lĩnh vực này từ cấp độ vi mô (ngược với quan điểm vĩ mô). Vật lý nguyên tử nghiên cứu các lớp vỏ electron trong nguyên tử. Những nghiên cứuhiện tại tập trung vào điều khiển lượng tử, làm lạnh và bẫy nguyên tử và ion, động lực học va chạm giữa những hệ nhiệt độ thấp và hiệu ứng tương quan eletron trên cấu trúc và động lực của hệ. Vật lý nguyên tử cũng bị ảnh hưởng bởi kết quả nghiên cứu của vật lýhạt nhân (ví dụ như, cấu trúc siêu tinh tế), nhưng các hiệu ứng liên hạt nhân như phân hạch và tổng hợp hạt nhân được xem là thuộcvề lĩnh vực vật lý năng lượng cao. Vật lý phân tử tập trung vào các cấu trúc đa nguyên tử và những tương tác nội và ngoại phân tử với vật chất và ánh sáng. Vậtlýquanghọc vàngành con quang học lượng tử khác với quang học cổ điển đó là nó không nghiên cứu cách điều khiển trường ánh sáng bằng phương pháp vĩ mô, thay vào đó là nghiên cứu các tính chất cơ bản của trường quang học và tương tác của chúng với vật chất trong thang vi mô. Vật lý năng lượng cao (vật lý hạt) và vật lý hạt nhân Vật lý hạt nghiên cứu các hạt cơ bản cấu tạo nên vật chất và năng lượng, cũng như tương tác giữa chúng. Thêm vào đó, các nhà vật lý hạt cùng phối hợp với các kỹ sư nhằm thiết kế và lắp đặt các máy gia tốc, máy dò hạt, và các chương trình phần mềm chạy trên siêu máy tính nhằm phân tích dữ liệu thu được. Ngành này còn được gọi là "vật lý năng lượng cao" bởi vì nhiều hạt cơ bản không xuất hiện hay tồn tại "lâu" trong tự nhiên, và để nghiên cứu chúng các nhà vật lý phải bắn những hạt có năng lượng cao va chạm với nhau để sinh ra những hạt này. Hiện nay, các tương tác của những hạt cơ bản và trường được miêu tả khá hoàn chỉnh trong Mô hình chuẩn. Trong mô hình này có 12 hạt cơ bản cấu thành lên thế giới vật chất (quark và lepton), chúng tương tác với nhau thông qua các hạt truyền tương tác của ba loại tương tác mạnh, yếu, và điện từ. Những tính chất của các tương này được miêu tả 5
bởi các hạt trao đổi boson gauge (tương ứng các gluon, boson W và Z, và photon). Mô hình chuẩn cũng tiên đoán tồn tại hạt boson Higgs, hạt có vai trò giải thích tại sao các hạt cơ bản lại có khối lượng thông qua "cơ chế phá vỡ đối xứng tự phát". Ngày 4 tháng 7 năm 2012, cơ quan CERN, phòng thí nghiệm châu Âu về vật lý hạt, thông báo phát hiện một hạt có những tính chất giống với boson Higgs, và dường như đây chính là hạt mà bấy lâu nay các nhà thực nghiệm vật lý hạt săn lùng. Vật lý hạt nhân là ngành nghiên cứu thành phần cấu tạo nên hạt nhân nguyên tử như proton, neutron và tương tác giữa các hạt nhân. Ứng dụng được biết đến nhiều nhất của ngành này đó là năng lượng hạt nhân sinh ra trong các lò phản ứng hạt nhân và công nghệ vũ khí nguyên tử, nhưng nó cũng xuất hiện trong những ngành khác như xạ trị ung thư trong y học hạt nhân, chụp cộng hưởng từ, cấy ghép ion trong khoa học vật liệu, phương pháp xác định niên đại bằng các nguyên tố phóng xạ trong địa chất và khảo cổ học, nghiên cứu tạo ra các nguyên tố siêu urani và đảo bền những nguyên tố này. Vật lý thiên văn Thiên văn học và thiên văn vật lý là một ngành ứng dụng các lý thuyết và phương pháp của vật lý học để nghiên cứu cấu trúcsao, tiến hóa sao, nguồn gốcvà sự hình thành HệMặtTrời, sự hình thành các hành tinh, thiên hà, cho đế nnhững cấu trúc lớn trong vũ trụ. Nó cũng nghiên cứu lịch sử khởi đầu và kết thúc của vũ trụ... Thiên vănvậtlý là một ngành rộng, các nhà vật lý thiên văn phải áp dụng nhiều nhánh của vật lýhọc bao gồm cơ học thiên thể, điện từ học, cơ họcthống kê, nhiệt động lực học, cơ họclượng tử, thuyết tương đối, vật lý hạt... Hóahọc, một nhánh của khoa học tự nhiên, là ngành nghiên cứu về thành phần, cấu trúc, tínhchất, và sự thay đổi của vật chất. Hóa học nói về các nguyên tố, hợp chất, nguyên tử, phân tử, và các phản ứng hóa học xảy ra giữa những thành phần đó. Lĩnh vực nghiên cứu của Hóa học • Hóa phân tích là sự phân tích các mẫu vật để thu được sự hiểu biết về thành phần và cấu trúc hóa học của chúng. Hóa phân tích kết hợp các phương pháp thực nghiệm đã được chuẩn hóa trong hóa học. Những phương pháp này có thể được sử dụng trong tất cả các môn học của ngành hóa học, trừ lý thuyết thuần túy. 6
• Hoá sinh học là nghiên cứu về các hóa chất, phản ứng hóa học và tương tác hóa học diễn ra trong các sinh vật sống. Hoá sinh học và hóa học hữu cơ có liên quan chặt chẽ, như trong hóa dược học hoặc hóa học thần kinh. Hóa sinh cũng liên quan đến sinh học phân tử và di truyền. • Hoá học vô cơ là nghiên cứu các tính chất và phản ứng của các hợp chất vô cơ. Sự phân biệt giữa các nguyên tắc hữu cơ và vô cơ không phải là tuyệt đối và có sự trùng lặp nhiều, đặc biệt nhất là trong phân ngành phụ: hóa học kim loại hữu cơ. • Hóa học vật liệu là chuẩn bị, mô tả và tìm hiểu về các chất với chức năng hữu ích. Lĩnh vực này là một phạm vi nghiên cứu mới trong các chương trình sau đại học, và nó kết hợp các yếu tố từ tất cả các lĩnh vực cổ điển của hóa học với trọng tâm vào các vấn đề cơ bản độc đáo cho vật liệu. Các hệ thống nghiên cứu chính bao gồm hóa học các pha cô đặc (rắn, chất lỏng, polyme) và các pha chuyển giao giữa các pha khác nhau. • Hóa học thần kinh là nghiên cứu của chất hóa học thần kinh; bao gồm chất dẫn truyền, peptide, protein, lipid, đường và acid nucleic; tương tác của chúng và vai trò của chúng trong việc hình thành, duy trì và sửa đổi hệ thần kinh. • Hóa học hạt nhân là nghiên cứu về cách các hạt hạ nguyên tử kết hợp với nhau và tạo nên hạt nhân. Chuyển đổi hạt nhân (Nuclear transmutation) là một phần quan trọng trong hóa học hạt nhân, và bảng các hạt nhân là một kết quả và công cụ quan trọng cho lĩnh vực này. • Hoá học hữu cơ là nghiên cứu các cấu trúc, tính chất, thành phần, cơ chế và phản ứng của các hợp chất hữu cơ. Một hợp chất hữu cơ được định nghĩa là bất kỳ hợp chất nào dựa trên bộ xương cacbon. • Hóa học vật lý là nghiên cứu cơ sở vật chất và cơ bản của các hệ thống và quá trình hóa học. Đặc biệt, năng lượng và động lực của các hệ thống và quá trình như vậy là mối quan tâm của các nhà hóa lý. Các lĩnh vực nghiên cứu quan trọng bao gồm nhiệt động học hóa học, động học hóa học, hóa điện, cơ học thống kê, quang phổ, và gần đây là hóa học vũ trụ. Hóa học vật lý có sự chồng chéo lớn với vật lý phân tử. Hóa học vật lý thường liên quan đến việc sử dụng vô số các tính toán trong phương trình dẫn xuất. Nó thường được kết hợp với hóa học lượng tử và hóa học lý thuyết. Hóa lý học là một 7
phân ngành riêng biệt với vật lý hóa học, nhưng một lần nữa, có sự chồng chéo rất mạnh. • Hóa học lý thuyết là nghiên cứu hóa học thông qua lập luận lý thuyết cơ bản (thường là trong toán học hoặc vật lý). Đặc biệt, việc áp dụng cơ học lượng tử vào hóa học được gọi là hóa học lượng tử. Kể từ khi kết thúc Thế chiến thứ hai, sự phát triển của máy tính đã cho phép phát triển có hệ thống hóa học tính toán, đó là bộ môn phát triển và áp dụng các chương trình máy tính để giải quyết các vấn đề hóa học. Hoá học lý thuyết có sự chồng chéo lớn (cả ý thuyết và thực nghiệm) với vật lý vật chất ngưng tụ và vật lý phân tử. Sinh học là một môn khoa học về sự sống (từ tiếng Anh: biology bắt nguồn từ Hy Lạp với bios là sự sống và logos là môn học). Nó là một nhánh của khoa học tự nhiên, tập trung nghiên cứu các cá thể sống, mối quan hệ giữa chúng với nhau và với môi trường. Nó miêu tả những đặc điểm và tập tính của sinh vật (ví dụ: cấu trúc, chức năng, sự phát triển, môi trường sống), cách thức các cá thể và loài tồn tại (ví dụ: nguồn gốc, sự tiến hóa và phân bổ của chúng). Lĩnh vực nghiên cứu của Sinh học Sinh học bao hàm nhiều ngành học khác nhau được xây dựng dựa trên những nguyên lý riêng. Có 4 nguyên lý tạo thành nền tảng cho sinh học hiện đại: lý thuyết tế bào, tiến hóa, di truyền và cân bằng nội môi (homeostasis ). Các môn học này có mối quan hệ qua lại với nhau, giúp ta hiểu về sự sống với các mức độ, phạm vi khác nhau. Ngày nay, sinh học trở thành một môn học chuẩn và bắt buộc tại các trường học và Đại học trên khắp thế giới. Rất nhiều bài báo được công bố hằng năm ở trên khắp các tạp chí chuyên ngành về y và sinh. Việc phân loại các ngành con của sinh học rất đa dạng. Ban đầu, chúng được phân loại theo chủng loại các cá thể làm đối tượng nghiên cứu. Ví dụ: thực vật học, nghiên cứu về cây; động vật học, nghiên cứu về động vật; và vi sinh học, nghiên cứu về các vi sinh vật. Tiếp đến, chúng lại được chia nhỏ dựa trên quy mô của các cá thể và phương pháp nghiên cứu chúng: hóa sinh nghiên cứu về hóa cơ bản của sự sống; sinh học phân tử nghiên cứu các tương tác phức tạp giữa các hệ thống của các phân tử sinh học; sinh học tế bào tìm hiểu các cấu trúc cơ bản tạo thành mọi sự sống. Như vậy, sự sống ở mức độ nguyên tử và 8
phân tử được nghiên cứu thông qua sinh học phân tử, hóa sinh và di truyền phân tử. Ở mức độ tế bào, nó được hiểu biết thông qua sinh học tế bào và mức độ đa bào thì thông qua sinh lý học, giải phẫu học và mô học. Sinh học phát triển nghiên cứu sự sống ở các giai đoạn phát triển khác nhau hoặc phát triển cá thể (ontogeny) của sinh vật. Với mức độ lớn hơn, di truyền học quan tâm đến tính di truyền giữa cha mẹ và con cái. Phong tục học (ethology) nghiên cứu nhóm hành vi của một tập hợp cá thể. Di truyền học quần thể (population genetics) xem xét toàn bộ quần thể và hệ thống học quan tâm đến sự tiến hóa của nhiều loài thuộc các nhánh tiến hóa (lineage). Mối quan hệ qua lại giữa các quần thể với nhau và với ổ sinh thái của chúng là đối tượng của sinh thái học và sinh học tiến hóa. Một lĩnh vực tương đối mới là sinh học vũ trụ (astrobiology hoặc xenobiology) nghiên cứu về khả năng tồn tại sự sống ngoài Trái Đất. 1.2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu khoa học tự nhiên Phƣơng pháp nghiên cứu khoa học là sử dụng một bộ các kỹ thuật nhằm nghiên cứu các hiện tượng, mục đích là để thu được kiến thức mới, hoặc chỉnh sửa và gắn kết với các kiến thức trước. Để được coi là khoa học, phương pháp điều tra phải được dựa vào việc thu thập chứng cứ thực nghiệm hoặc chứng cứ đo lường được, tuân thủ theo những nguyên tắc lý luận cụ thể. Từ điển tiếng Anh Oxford định nghĩa phương pháp khoa học là: "một phương pháp hay thủ tục đặc trưng của khoa học tự nhiên từ thế kỷ 17, bao gồm quan sát có hệ thống, đo lường, và thí nghiệm, và xây dựng, kiểm định và sửa đổi các giả thuyết". Phương pháp khoa học so với các cách thức thu thập kiến thức khác là việc các nhà khoa học cố gắng để thực tế chứng minh cho thực tế, ủng hộ một lý thuyết khi những dự đoán về một lý thuyết được xác nhận và thách thức một lý thuyết khi những dự đoán đó là sai. Cách thức tiến hành của các phương pháp nghiên cứu rất đa dạng, nhưng phương pháp khoa học có những đặc trưng có thể nhận diện so với những phương pháp nghiên cứu khác. Các nhà khoa học đề xuất các giả thuyết như là những lý giải cho hiện tượng, và thiết kế các nghiên cứu thực nghiệm để kiếm định các giả thuyết này thông qua những dự đoán từ chúng. Những bước này đều phải lặp lại nhằm ngăn chặn những sai lầm hoặc lúng túng trong bất cứ một thí nghiệm cụ thể nào. 9
Nghiên cứu khoa học phải thật khách quan hết mức có thể nhằm giảm thiểu những diễn giải thiên vị về kết quả. Một điều nữa là các phương pháp luận và dữ liệu nghiên cứu nên được lập thành tài liệu, lưu trữ và chia sẻ để các nhà nghiên cứu khác có thể xem xét, tạo điều kiện để xác minh kết quả. Phương pháp nghiên cứu khoa học tự nhiên: Ngành khoa học tự nhiên như vật lý, hoá học, Sinh học, khoa học Trái đất … sử dụng phương pháp nghiên cứu khoa học thực nghiệm là chủ yếu. Các bƣớc cơ bản trong phƣơng pháp nghiên cứu khoa học tự nhiên 1. Quan sát sự vật, hiện tượng; 2. Đặt vấn đề nghiên cứu; 3. Đặt giả thuyết hay sự tiên đoán; 4. Thu thập thông tin hay số liệu thí nghiệm; 5. Kết luận. * Hiện nay trong Vật lý học sử dụng cách tiếp cận phương thức luận nhằm so sánh kết quả tiên đoán của lý thuyết với những giá trị thu được từ thí nghiệm hay quan trắc kiểm chứng nó; và do vậy hỗ trợ các nhà khoa học đi đến quyết định lý thuyết đó là đúng trong một phạm vi nhất định hay phải loại bỏ nó và đi tìm một lý thuyết khác lý giải các kết quả thực nghiệm. Khi dạy học môn KHTN thực hành, thí nghiệm trong phòng thực hành và phòng học bộ môn, ở thực địa và các cơ sở sản xuất là phương pháp chủ yếu. Chƣơng 2. Các nguyên lí chung và chƣơng trình của môn KHTN- Các nguyên lý chung của KHTN trong chƣơng trình môn KHTN 2.1. Các nguyên lí chung của KHTN 2.1.1. Tính cấu trúc Cấu trúc nội dung môn KHTN ở cấp trung học cơ sở gồm các phân môn với các chủ đề được sắp xếp sao cho vừa bảo đảm liên hệ theo logic tuyến tính đồng thời có thêm một số chủ đề liên phân môn, vừa tích hợp đồng tâm hình thành các nguyên lí, quy luật chung của thế giới tự nhiên. 2.1.2. Sự đa dạng Chương trình môn KHTN được tổ chức theo 4 chủ đề khoa học chính, gồm: 10
+ Chất và sự biến đổi của chất: chất có ở xung quanh ta, cấu trúc của chất, chuyển hoá hoá học các chất. + Vật sống: sự đa dạng trong tổ chức và cấu trúc của vật sống; các hoạt động sống; con người và sức khoẻ; sinh vật và môi trường; di truyền, biến dị và tiến hoá. + Năng lượng và sự biến đổi: năng lượng, các quá trình vật lí, lực và sự chuyển động. + Trái Đất và bầu trời: chuyển động nhìn thấy của Mặt Trời, chuyển động nhìn thấy của Mặt Trăng, hệ Mặt Trời, Ngân Hà, chu trình các chất trong hệ sinh thái, Sinh quyển. Nội dung các chủ đề khoa học được sắp xếp chủ yếu theo logic tuyến tính, có kết hợp ở mức độ nhất định với cấu trúc đồng tâm, đồng thời có thêm một số chủ đề liên môn, tích hợp nhằm hình thành các nguyên lí, quy luật chung của thế giới tự nhiên. 2.1.3. Sự tƣơng tác Sự phát triển của KHTN gắn bó chặt chẽ và có tác động qua lại, trực tiếp với tiến bộ của kĩ thuật và công nghệ và do vậy có giá trị to lớn trong đời sống và sản xuất. Việc giảng dạy môn KHTN có nhiệm vụ cung cấp cho học sinh trung học một hệ thống kiến thức cơ bản về KHTN ở trình độ phổ thông, bước đầu hình thành cho học sinh những kĩ năng và thói quen làm việc khoa học; hình thành và phát triển năng lực cho học sinh, rèn luyện cho học sinh tư duy logic và tư duy biện chứng, hình thành ở họ niềm tin về bản chất khoa học của các hiện tượng tự nhiên cũng như khả năng nhận biết của con người, khả năng ứng dụng khoa học để đẩy mạnh sản xuất, cải thiện đời sống; qua đó góp phần hình thành và phát triển ở họ các năng lực nhận thức, năng lực hành động và các phẩm chất và nhân cách mà mục tiêu giáo dục đề ra; chuẩn bị cho học sinh tiếp tục tham gia lao động sản xuất, có thể thích ứng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, học nghề, trung cấp chuyên nghiệp hoặc trung học phổ thông. 2.1.4. Tính hệ thống Trong quá trình dạy học, các mạch nội dung được tổ chức sao cho vừa tích hợp theo nguyên lí của tự nhiên, vừa bảo đảm logic bên trong của từng mạch nội dung. Chương trình môn KHTN được xây dựng dựa trên sự kết hợp của 3 trục cơ bản là: + Chủ đề khoa học. + Các nguyên lí/ khái niệm chung của khoa học. 11
+ Hình thành và phát triển năng lực. Trong đó, các nguyên lí/ khái niệm chung sẽ là vấn đề xuyên suốt, gắn kết các chủ đề khoa học của chương trình. 2.1.5. Năng lƣợng - Sự vận động và biến đổi - Thế giới quan khoa học hiện đại thực chất là thế giới quan duy vật biện chứng, bao gồm các vấn đề về sự tồn tại của vật chất, mối quan hệ giữa vật chất và ý thức và các quy luật tổng quát của sự vận động của vật. Ví dụ trong dạy học vật lý ở trường phổ thông, ta không đưa ra tường minh những khái niệm, quan niệm triết học về các vấn đề trên, nhưng có nhiều cơ hội để đưa ra các cơ sở thực tiễn của những quan niệm trên, làm cho học sinh cảm nhận được và tin tưởng ở sự đúng đắn của các bằng chứng thực tiễn, góp phần hình thành những quan niệm trên. Thế giới quan vật chất tồn tại khách quan: KHTN là một môn học nghiên cứu về tự nhiên. Việc đầu tiên là phải quan sát tự nhiên, nhận biết sự tồn tại của thế giới tự nhiên bằng các giác quan của mình. Tiếp theo là phải xây dựng khái niệm để phản ánh những thuộc tính bản chất của thế giới khách quan. KHTN xây dựng trên những khái niệm đó. Bởi vậy, ngay từ khi học những khái niệm đầu tiên, đã phải chú ý làm sáng tỏ cơ sở thực tiễn, nguồn gốc vật chất của các khái niệm. Ví dụ: khi xây dựng khái niệm ―lực‖, cần luôn luôn chú ý là nổi bật ý ―lực là đại lượng đặc trưng tương tác giữa vật này và vật khác‖. Khi nói rằng: có một lực tác dụng lên vật A thì có nghĩa rằng chắc chắn phải có vật B (một thực thể vật chất) thực hiện tác dụng đó. Trong mọi trường hợp khi nói có vật tác dụng lên, ta đều phải chỉ ra được ―vật tác dụng‖ đó. Điều này sẽ làm cho học sinh ngày càng tin tưởng là: không có lực phi vật chất. Hay: Ngày nay, nhờ có các phương tiện hiện đại, ta có thể quan sát thấy những thực thể, mà trước đây ta chỉ phỏng đoán về sự tồn tại của chúng. Ví dụ bằng kính hiển vi điện tử, ta đã trông thấy các phân tử của nhiều chất. - Vật chất vận động không ngừng: Để khảo sát các hiện tượng trong tự nhiên. Có thể chỉ cho học sinh biết rằng: mọi hiện tượng Vật lí điều do sự chuyển động và tương tác của các phần tử vật chất mà sinh ra. Không có vật nào tuyệt đối đứng yên, chuyển động vốn là thuộc tính cố hữu, luôn gắn liền với vật thể. Ngay cả khi ta thấy mặt nước trong chậu yên lặng thì thực ra ở đó đang diễn ra một sự biến đổi giữa nước và hơi nước, luôn luôn có sự 12
vận động theo hai chiều trái ngược nhau của các phân tử nước qua các mặt thoáng của nước. - Sự vận động có quy luật của thế giới vật chất: Hầu hết các hiện tượng nghiên cứu trong tự nhiên đều dẫn đến các định luật hay dẫn đến nhận xét có tính quy luật khách quan; Ví dụ: hiện tượng rơi của các vật quanh ta xảy ra rất phức tạp và rất khác nhau như hòn đá, cái lá, cái nút chai, giọt mưa,… Thế nhưng, tất cả các vật rơi lại tuân theo một định luật rất đơn giản: khi sức cản của môi trường không đáng kể so với trọng lượng của vật thì ở cùng một nơi, các vật đó đều rơi với cùng một gia tốc. Các định luật do con người xây dựng lên để phản ánh những quy luật của tự nhiên. Sự phản ánh đó đúng đến đâu, chính xác đến đâu là do trình độ con người. Bởi vậy, quy luật của tự nhiên tồn tại vĩnh viễn, trong khi những định luật do con người xây dựng lên thì có thể thay đổi để ngày càng phản ánh đúng hơn quy luật của tự nhiên, ngày càng tiến dần đến chân lý khách quan. - Nhiều hiện tượng tự nhiên, là những biểu hiện cụ thể của những quy luật biện chứng của sự vận động và phát triển của thế giới vật chất. Trong một hiện tượng tự nhiên thực, không chỉ có một dạng chuyển động của vật chất, một quy luật chi phối mà thường có nhiều dạng chuyển động cùng tồn tại, nhiều mối quan hệ, nhiều quy luật cùng tác động. Do đó, các định luật thường rất đơn giản nhưng biểu hiện của chúng trong thực tế lại rất phức tạp. Chẳng hạn như: hiện tượng nhiệt có liên quan đến sự cọ xát của các vật vĩ mô chuyển động nhưng thực chất, nguyên nhân sâu xa của hiện tượng nhiệt là do chuyển động của các phân tử tạo thành vật, chuyển động của các phân tử cũng là một loại chuyển động cơ học. Trong hiện tượng giãn nở vì nhiệt, chuyển động hỗn loạn của các phân tử lại chuyển hóa thành chuyển động theo một hướng xác định của vật thể. Cũng chính trong hiện tượng giãn nở đó, một chất khí vừa tuân theo định luật áp suất, vừa tuân theo định luật tăng thể tích của lượng khí. Thực ra, những biến đổi đó luôn xảy ra đồng thời, chúng ta đã tách ra từng mặt cho dễ nghiên cứu mà thôi. - Quy luật thực tế khách quan tồn tại ngoài ý muốn của con người. Chúng có từ trước khi loài người xuất hiện và sẽ tồn tại cùng với thế giới vật chất. Khoa học do con người xây dựng nên để phản ánh thực tế khách quan. Những định luật vật lý là do con người xây dựng lên để phản ánh các quy luật của thực tế khách quan. 13
Ví dụ: Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng chiếm một vị trí quan trọng trong thế giới quan khoa học hiện đại. Định luật có tính chất tổng quát, áp dụng cho mọi quá trình biến đổi trong tự nhiên. Đó là một trong những cơ sở đầu tiên để đánh giá sự đúng đắn của những phát minh vật lý mới. Định luật này cũng là sự phản ánh tính thống nhất của các dạng chuyển động khác nhau của vật chất và được hình thành dần dần trong nhiều giai đoạn của giáo trình vật lý. Tư tưởng của định luật này được phát triển một cách tuần tự qua việc khảo sát các hiện tượng thuộc nhiều lĩnh vực. Trong dạy học vật lý, đặc biệt cần nhấn mạnh đến hai khía cạnh cơ bản sau: • Là biểu hiện của đặc tính không tự sinh ra và cũng không tự mất đi của chuyển động của vật chất, chỉ có sự chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác. Mỗi dạng năng lượng đều gắn với một dạng chuyển động của vật chất. • Sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác mà không mất đi của nó chính là một biểu hiện của sự bảo toàn vật chất. Định luật này biểu hiện trong mọi tương tác của các phần tử vật chất, trong mọi hiện tượng tự nhiên. - Sự phản ánh đó không thể đầy đủ, chính xác ngay từ đầu mà hoàn thiện dần theo trình độ nhận thức của con người. Cùng một sự kiện, hiện tượng của thực tế khách quan nhưng các nhà khoa học có thể xây dựng những quy luật khác nhau để phản ánh nó. Ví dụ: Mặt Trời, Trái Đất, Mặt Trăng, các vì sao vẫn thấy từ hàng nghìn năm nay, nhưng Aristốt cho rằng: Mặt Trời, Mặt Trăng, các vì sao quay quanh Trái Đất, còn Côpecnic lại cho rằng: Trái Đất quay quanh Mặt Trời. Bây giờ, chúng ta thấy Côpecnic đúng, vì ông đã quan sát tỷmỷ hơn và đã phản ánh đúng hơn thế giới khách quan. Ngày nay, chúng ta không còn ngạc nhiên khi các nhà bác học phát hiện ra một số định luật của cơ học Niutơn không còn đúng với các hạt vi mô như phân tử, nguyên tử, nuclêon, electron...; do đó, phải xây dựng cơ học lượng tử để phản ánh đúng hơn. Các nguyên lý chung, khái quát của KHTN là nội dung cốt lõi của môn KHTN. Nội dung Vật lý, Hóa học, Sinh học, Trái Đất và bầu trời được tích hợp, xuyên suốt trong các nguyên lý đó. Có thể hiểu kiến thức Vật lý, Hóa học, Sinh học, Trái Đất và bầu trời là cứ liệu vừa làm sáng tỏ các nguyên lý tự nhiên, vừa tích hợp theo các logic khác nhau trong hoạt động khám phá tự nhiên, trong giải quyết vấn đề công nghệ, các vấn đề tác động đến đời sống của cá nhân và xã hội. hiểu biết về các nguyên lý của tự nhiên, cùng với hoạt động 14
khám phá tự nhiên, vận dụng kiến thức KHTN vào giải quyết các vấn đề của thực tiễn là yêu cầu cần thiết để hình thành và phát triển năng lực KHTN của học sinh.Sự phù hợp của mỗi chủ đề Vật lý, Hóa học, Sinh học, Trái Đất và bầu trời với các nguyên lý chung của khoa học được lựa chọn ở các mức độ khác nhau. Có nguyên lý cần được thể hiện ở mức độ cao, nhưng cũng có nguyên lý chỉ thể hiện ở mức độ thấp. 2.2. Các chủ đề môn khoa học tự nhiên - Oxi và không khí, chống ô nhiễm không khí. - Hợp chất của lưu huỳnh và vấn đề mưa axit. - Phân bón và rau an toàn. - Mắt. - Nhiệt và truyền nhiệt. - Nâng cao sức khỏe trong trường học. - Dung dịch. - Môi trường và biến đổi khí hậu. - Sinh vật với môi trường sống. - Các phép đo và kỹ năng thí nghiệm. - Trạng thái của vật chất. - Tế bào. - Đặc trưng của cơ thể sống. - Cây xanh. - Nguyên sinh vật và động vật. - Đa dạng sinh học. - Nhiệt và tác động của nó đối với sinh vật. - Lực và máy cơ đơn giản. 2.3. Giới thiệu chƣơng trình môn KHTN 2.3.1. Đặc điểm môn học Trong chương trình giáo dục phổ thông, môn Khoa học tự nhiên là môn học bắt buộc, được dạy ở trung học cơ sở, giúp học sinh phát triển các phẩm chất, năng lực đã được hình thành 15
và phát triển ở cấp tiểu học; hoàn thiện tri thức, kĩ năng nền tảng và phương pháp học tập để tiếp tục học lên trung học phổ thông, học nghề hoặc tham gia vào cuộc sống lao động. Môn Khoa học tự nhiên được xây dựng và phát triển trên nền tảng các khoa học vật lí, hoá học, sinh học và khoa học Trái Đất. Đối tượng nghiên cứu của Khoa học tự nhiên là các sự vật, hiện tượng, quá trình, các thuộc tính cơ bản về sự tồn tại, vận động của thế giới tự nhiên. Trong Chương trình môn Khoa học tự nhiên, nội dung giáo dục về những nguyên lí và khái niệm chung nhất của thế giới tự nhiên được tích hợp theo nguyên lí của tự nhiên, đồng thời bảo đảm logic bên trong của từng mạch nội dung. Đối tượng nghiên cứu của môn Khoa học tự nhiên gần gũi với đời sống hằng ngày của học sinh. Bản thân các khoa học tự nhiên là khoa học thực nghiệm. Vì vậy, thực hành, thí nghiệm trong phòng thực hành và phòng học bộ môn, ở thực địa và các cơ sở sản xuất có vai trò, ý nghĩa quan trọng và là hình thức dạy học đặc trưng của môn học này. Thông qua việc tổ chức các hoạt động thực hành, thí nghiệm, môn Khoa học tự nhiên giúp học sinh khám phá thế giới tự nhiên, phát triển nhận thức, tư duy logic và khả năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn. Khoa học tự nhiên luôn đổi mới để đáp ứng yêu cầu của cuộc sống hiện đại. Do vậy, giáo dục phổ thông phải liên tục cập nhật những thành tựu khoa học mới, phản ánh được những tiến bộ của các ngành khoa học, công nghệ và kĩ thuật. Đặc điểm này đòi hỏi chương trình môn Khoa học tự nhiên phải tinh giản các nội dung có tính mô tả để tổ chức cho học sinh tìm hiểu, nhận thức các kiến thức khoa học có tính nguyên lí, làm cơ sở cho quy trình ứng dụng khoa học vào thực tiễn. Khoa học tự nhiên là môn học có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển toàn diện của học sinh, có vai trò nền tảng trong việc hình thành và phát triển thế giới quan khoa học của học sinh cấp trung học cơ sở. Cùng với các môn Toán học, Công nghệ và Tin học, môn Khoa học tự nhiên góp phần thúc đẩy giáo dục STEM – một trong những hướng giáo dục đang được quan tâm phát triển trên thế giới cũng như ở Việt Nam, góp phần đáp ứng yêu cầu cung cấp nguồn nhân lực trẻ cho giai đoạn công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước. 2.3.2. Quan điểm Chương trình môn Khoa học tự nhiên cụ thể hoá những mục tiêu và yêu cầu của Chương trình tổng thể, đồng thời nhấn mạnh các quan điểm sau: 16