Đề tài: Vận dụng phương pháp mô hình hóa vào dạy học phần điện học trong chương trình Vật lý trung học phổ thông

Chia sẻ: Hoàng Tuyết Thanh | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

137
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Vận dụng phương pháp mô hình hóa vào dạy học phần điện học trong chương trình Vật lý trung học phổ thông" giới thiệu đến các bạn về mô hình và phương pháp mô hình hóa nói chung, phương pháp mô hình hóa trong vật lý và dạy học vật lý, cấu trúc, nội dung phần điện học trong chương trình vật lý trung học phổ thông và nhận diện một số dạng mô hình được sử dụng trong phần điện học. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đề tài: Vận dụng phương pháp mô hình hóa vào dạy học phần điện học trong chương trình Vật lý trung học phổ thông

MỞ ĐẦU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Phương pháp mô hình hóa là một trong những phương pháp nhận thức khoa học đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng từ lâu, trong rất nhiều lĩnh vực như toán học, tin học, giáo dục, quản lí giáo dục,… Trong vật lý và dạy học vật lý cũng vậy. Phương pháp mô hình hóa trong vật lý nói chung và dạy học vật lý nói riêng có được đề cập trong một số giáo trình, bài giảng như: “Các kiểu tổ chức dạy học hiện đại trong dạy học vật lý ở trường phổ thông ” của tác giả Đỗ Hương Trà, “Lí luận dạy học Vật lí 1” của tác giả Phạm Hữu Tòng, "Bài giảng Phương pháp dạy học vật lý ở trường THPT" của tác giả Phạm Kim Chung, … Tuy nhiên trong những tài liệu đó các bài viết về phương pháp mô hình hóa chủ yếu vẫn mang tính rất khái quát và không có nhiều thông tin. Trong cuốn “Các kiểu tổ chức dạy học hiện đại trong dạy học vật lý ở trường phổ thông” của tác giả Đỗ Hương Trà, phương pháp mô hình hóa trong vật lý và dạy học vật lý có được đề cập sâu hơn so với những tài liệu còn lại nhưng cũng không có nội dung nào nói về việc việc vận dụng phương pháp mô hình hóa trong từng phần kiến thức thuộc chương trình vật lý ở trường phổ thông. Ngoài ra, hầu như chưa có một công trình nghiên cứu khoa học nào của sinh viên nghiên cứu vận dụng phương pháp mô hình hóa vào trong dạy học bằng việc vạch rõ các mô hình được sử dụng, mức độ áp dụng của phương pháp mô hình trong một bài dạy, một tiết dạy cùng những chú ý của phương pháp mô hình trong quá trình giảng dạy tiết học đó. 2. Tính cấp thiết của đề tài Vật lý là một môn học có tính ứng dụng cao trong đời sống và trong kĩ thuật nên môn học này thường đem lại nhiều hứng thú cho HS đặc biệt cho HS 1
thích tìm tòi sáng tạo. Tuy nhiên vật lý mang nhiều lý thuyết mới phức tạp. Để học tốt môn học này người HS cần nắm chắc những kiến thức cũ và điều này không phải HS nào cũng thực hiện được. Để giúp HS có thể dễ dàng tiếp cận với kiến thức mới và củng cố lại những kiến thức cũ thì người GV cần có phương pháp dạy học phù hợp. Một thực trạng đang diễn ra hiện nay là nhiều GV vật lý phổ thông đang đứng trước những vấn đề về tổ chức dạy học đáp ứng các yêu cầu của mục tiêu giáo dục làm chỗ dựa cho các đổi mới một cách thực tế việc dạy và học vật lý. Người GV ngày nay càng có nhiều cơ hội tiếp cận một cách tự nhiên và dễ dàng qua nhiều con đường trực tiếp và gián tiếp với nhiều mô hình, nhiều phương pháp dạy học khác nhau đã và đang được áp dụng phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới. Với mong muốn giúp cho người GV vật lý có thể truyền đạt kiến thức tốt nhất cho HS thì phương pháp dạy học bằng mô hình là một trong những sự lựa chọn có thể đem lại hiệu quả cao. Mô hình vật lí sẽ giúp cho HS có cái nhìn trực quan, bản chất về đối tượng đang xét đồng thời cụ thể hóa đối tượng vật lý. Ngoài ra, mô hình có tính sinh động sẽ giúp tăng sức hấp dẫn cho tiết dạy, bài dạy. Các mô hình, dù là ở cấp độ trừu tượng cao hay thấp cũng đều có giá trị to lớn trong nhận thức và tư duy. Phương pháp mô hình là một trong những phương pháp nhận thức khoa học đã được vận dụng vào trong dạy học. Phương pháp mô hình ngày càng trở nên quan trọng không chỉ trong vật lý mà còn trong các ngành xã hội và khoa học khác. Phần điện học là một trong những phần được cho là khó khăn đối với HS. Mô hình giúp cho GV có những bài dạy phần điện học hiệu quả hơn so với cách dạy truyền thống, giúp HS có hứng thú học tập hơn. Vì vậy, với mong muốn vận dụng được nhiều phương pháp dạy học khác nhau vào giảng dạy vật lý nhằm mục đích nâng cao chất lượng dạy và học , chúng tôi chọn đề tài “Vận dụng phương pháp mô hình hóa vào dạy học phần 2
Điện học trong chương trình Vật lý THPT” để nghiên cứu. Nhóm thực hiện đề tài hi vọng đây sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho nhiều sinh viên ngành sư phạm Vật lí. 3. Mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài 3.1. Mục tiêu của đề tài + Nhận diện được các mô hình có thể sử dụng trong dạy học phần Điện học. + Nêu rõ được các giai đoạn, các mức độ của việc áp dụng phương pháp mô hình hóa trong quá trình dạy học môn Vật lý. + Thiết kế được một số giáo án Vật lý phần điện học trong chương trình Vật lý THPT chương trình chuẩn có áp dụng các giai đoạn của phương pháp mô hình hóa trong quá trình dạy học. + Kiểm nghiệm và đánh giá được tính khả thi của việc vận dụng phương pháp mô hình hóa vào quá trình dạy học phần Điện học trong chương trình Vật lý THPT. 3.2. Nhiệm vụ của đề tài + Tìm hiểu về phương pháp mô hình hóa. + Tìm hiểu chương trình vật lí THPT phần Điện học. + Thiết kế một số giáo án phần điện học chương trình chuẩn có sử dụng phương pháp mô hình. + Kiểm nghiệm và đánh giá tính khả thi của đề tài thông qua: Nhờ giáo viên THPT giảng dạy theo các giáo án đã thiết kế, đánh giá ban đầu kết quả học tập ở HS. Trao đổi với các thầy cô chuyên môn, xin ý kiến đóng góp. 4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 4.1. Đối tượng nghiên cứu Việc vận dụng phương pháp mô hình hóa trong dạy học. 3
4.2. Phạm vi nghiên cứu Phần điện học trong chương trình Vật lý THPT. 5. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Tìm hiểu về mô hình và phương pháp mô hình hóa nói chung. Nội dung 2: Tìm hiểu về phương pháp mô hình hóa trong vật lý và dạy học vật lý. Nội dung 3: Tìm hiểu về cấu trúc, nội dung phần điện học trongchương trình vật lý THPT và nhận diện một số dạng mô hình được sử dụng trong phần điện học. Nội dung 4: Thiết kế một số giáo án có sử dụng phương pháp mô hình trong phần Điện học chương trình chuẩn. Nội dung 5: Kiểm nghiệm, đánh giá. 6. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lí luận: Trên cơ sở những tài liệu sưu tầm được, chúng tôi phân tích và tổng hợp thành những nội dung cơ sở lý luận của đề tài. Phương pháp chuyên gia: Soạn phiếu hỏi ý kiến các thầy cô giáo thuộc bộ môn vật lí trường Đại học Hùng Vương và các thầy cô ở trường THPT Vũ Thê Lang về những nội dung của đề tài quan tâm. Phương pháp thực nghiệm sư phạm: + Lựa chọn lớp thực nghiệm và lớp đối chứng là hai lớp 11 và hai lớp 12 trường THPT Vũ Thê Lang; + Nhờ một số giáo viên ở trường THPT Vũ Thê Lang giảng dạy các giáo án mà nhóm tác giả đã thiết kế; + Đánh giá ban đầu hiệu quả của việc vận dụng phương pháp mô hình 4
thông qua bài kiểm tra trên lớp đối chứng và thực nghiệm. 5
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 1.1. Mô hình 1.1.1. Khái niệm mô hình Khái niệm mô hình được sử dụng rộng rãi trong ngôn ngữ thông dụnghàng ngày với những ý nghĩa rất khác nhau. Trong các môn khoa học tự nhiên HS thường gặp mô hình tế bào, mô hình động cơ đốt trong, tức là vật chất có cấu tạo không gian giống như vật chất mà ta cần nghiên cứu. Mô hình nguyên tử, mô hình phân tử lại mô tả những vật thể mà ta chỉ biết được những tính chất của chúng chứ không quan sát trực tiếp được. Trong vật lí, mô hình được định nghĩa như sau: “Mô hình là một hệ thống được hình dung trong óc hay được thực hiện một cách vật chất. Hệ thống đó phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tượng nghiên cứu (đối tượng gốc) hoặc tái tạo nó, vì vậy nghiên cứu mô hình sẽ cho ta những thông tin về đối tượng gốc” [7, tr.63]. Theo định nghĩa này, cần đặc biệt chú ý đến sự khác biệt giữa mô hình với đối tượng vật chất. Một mô hình chỉ phản ánh một số tính chất của đối tượng vật chất. Cùng một đối tượng vật chất nhưng có thể có thể có nhiều mô hình khác nhau. Theo Halbwachs: “ Những dấu hiệu bao gồm trong các hình vẽ, các giản đồ, các kí hiệu toán học hay đơn giản hơn, những mệnh đề được thành lập bởi các từ, những hệ thống sẽ được dùng để biểu diễn cảnh huống. Với một hệ thống các dấu hiệu như trên, chúng ta gọi là một mô hình”. Khái niệm “mô hình”, theo định nghĩa chung nhất của nó thì là một cái gì đó (một vật thể, một phương trình...) nó cho phép thay thế cái nguyên gốc này bởi sự trung gian giúp cho dễ hiểu hơn đối với nhận thức. Quan hệ giữa mô hình 6
với thực tế có thể hoặc là sự tương tự về hình thức bề ngoài, hoặc là sự tương tự cái cấu trúc bị che khuất, hoặc là sự tương tự chức năng, hiệu quả. 1.1.2. Tính chất và phân loại của mô hình a. Tính chất của mô hình Vì mô hình chỉ phản ánh một số thuộc tính bản chất của đối tượng vật chất nên một đối tượng có thể có nhiều mô hình đại diện cho nó. Sau khi tham khảo chúng tôi thấy, mô hình có những tính chất sau: * Tính tương tự vật gốc: Một hệ thống chỉ có thể được coi là mô hình của vật gốc khi có thể chuyển được những kết quả nghiên cứu trên mô hình sang vật gốc. Nghĩa là nó có sự tương tự giữa mô hình và vật gốc. Sự tương tự đó có thể là đồng cấu hoặc đẳng cấu. Sự tương tự có thể về cấu trúc, khi đó sự tương tự chủ yếu ở mối quan hệ giữa các phần tử của hai hệ thống. Cũng có thể là sự tương tự về chức năng, nghĩa là các phần tử tương ứng của hai hệ thống có chức năng giống nhau nhưng cấu trúc có thể khác nhau. Sự tương tự cũng có thể giống nhau hay không giống nhau hoàn toàn ở kết quả các quá trình trong hai hệ thống. Các phần tử thuộc hai hệ thống này không có điểm nào giống nhau nhưng kết quả thu được trong quá trình biến đổi toán học lại phù hợp với kết quả thu được bằng thực nghiệm. Trong dạy học vật lí, tính chất tương tự với vật gốc của mô hình có ý nghĩa quan trọng. Sử dụng tính chất này khi xây dựng mô hình, HS được rèn luyện một loạt các thao tác tư duy, được phát triển niềm tin vào mối liên hệ có tính khái quát, có tính quy luật của các sự vật, hiên tượng tự nhiên đa dạng, phong phú. Sử dụng tính chất này còn nâng cao hiệu quả giờ học, thể hiện trước hết ở tính sâu sắc, tính hệ thống của các kiến thức vì nó tạo điều kiện cho HS liên hệ cái chưa biết với cái đã biết, phát hiện các mối quan hệ giữa các hệ 7
thống khác nhau ở các phần khác nhau của vật lí cũng như những dấu hiệu giống và khác nhau của chúng. * Tính đơn giản: Thực tế khách quan vô cùng đa dạng và phong phú. Mỗi mô hình chỉ phản ánh một thuộc tính nào đó của thực tế. Trong khi xây dựng mô hình ta phải thực hiện các thao tác trừu tượng hóa, khái quát hóa những thao tác ấy bao giờ cũng dẫn đến một sự đơn giản hóa vì ta đã tước bỏ những chi tiết thứ yếu, chỉ còn lại những thuộc tính và những mối liên hệ bản chất. Như vậy, tính đơn giản của mô hình là một tất yếu khách quan, nó mang lại hiệu quả lớn lao trong việc sử dụng mô hình. Nhờ tính đơn giản này của mô hình mà nhà nghiên cứu có thể nắm chắc những vấn đề cơ bản 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 tượng thực tế phức tạp thì nhiều trường hợp quy luật bị lu mờ và nhà nghiên cứu có thể bị nhầm lẫn. * Tính trực quan: Trước 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, nhưng nhiều khi không làm được việc đó trên các hiện tượng thực tế. 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 được. Khái niệm trực quan còn được mở rộng trong trường hợp mô hình không trực tiếp diễn tả hiện tượng thực tế mà so sánh với một hiện tượng thực tế khác mà ta có thể tri giác bằng giác quan được. Rõ ràng mức độ trực giác gián tiếp còn phụ thuộc vào vốn hiểu biết của chính chủ thể, do chủ thể đã tích lũy được từ trước. Một số mô hình có thể nhận biết trực tiếp bằng trực giác. Còn những mô hình lí tưởng giúp ta “ vật chất hóa” các tính chất, các mối quan hệ không thể tri 8
giác được. Mô hình lí tưởng giúp ta tưởng tượng ra các tính chất và các mối quan hệ này. Ý nghĩa của tính trực quan của mô hình trong dạy học thể hiện ở chỗ, làm cho HS dễ hình dung các hiện tượng vật lí không thể quan sát trực tiếp được, dễ hiểu hơn các khái niệm trừu tượng. * Tính quy luật riêng: Khi xây dựng mô hình, người ta một hệ thống để mô tả đặc tính của vật gốc. Hệ thống này tuân theo những quy luật riêng, nhiều khi không còn giống quy luật biến đổi của vật hoặc hệ thống vật gốc. Từ sự vận động của các quy luật riêng có thể rút ra kết luận thì kết luận mới có khả năng chuyển tải sang hệ thống thực. Nhờ tính chất này mà với mô hình ta không chỉ dừng lại ở sự mô tả, tìm hiểu các tình huống vật lí mà còn phát hiện ra những tính chất mới, cung cấp những thông tin mới. * Tính lí tưởng: Mô hình xuất phát từ thực tiễn, được xây dựng dựa trên thực tiễn và phản ánh thực tiễn. Nhưng khi ta mô hình hóa một vật, một mối quan hệ nào đó ta đã thực hiện một sự trừu tượng hóa, khái quát hóa, phản ánh các thuộc tính của vật thể ở mức hoàn thiện cao. Như vậy mô hình nào cũng có tính lí tưởng ít hay nhiều. Một mô hình vật lí chỉ phản ánh đến một mức độ nhất định, một vài mặt của một tình huống vật lí. Mô hình có chức năng đại diện tức là phản ánh thực tiễn nhưng sau sự trừu tượng hóa và khái quát hóa cao thì mô hình trở nên lí tưởng. Có nghĩa là không có mô hình nào mô tả hoặc giống hệt thực tiễn ở mọi khía cạnh, bởi vì nếu mô hình giống hệt thực tiễn thì nó không còn tính đại diện nữa và nó mất đi tính ưu việt. Mô hình có tính lí tưởng càng cao thì càng tổng quát, càng bao trùm được nhiều đối tượng, càng giúp ta nhận thức được những nét chung nhất của hiện 9
tượng nhưng khi đưa vào thực tế 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 tượng nghiên cứu. b. Phân loại mô hình  Dựa vào đối tượng nghiên cứu, mô hình được chia làm 2 loại: * Mô hình vĩ mô Mô hình vĩ mô là những mô hình có được từ sự đơn giản hóa các đối tượng vĩ mô cần nghiên cứu. Những mô hình này có tác dụng giúp đơn giản hóa vật thực để nghiên cứu các đối tượng thực nhưng chúng có mức độ trừu tượng thấp, không có vai trò trong việc xây dựng lí thuyết mới. * Mô hình vi mô Mô hình vi mô là những mô hình quan niệm về những đối tượng, những thực thể không thể quan sát trực tiếp. Các mô hình này mức độ trừu tượng cao, chúng có tác dụng lớn trong việc xây dựng các lí thuyết vật lí, gồm có hai loại sau: + Mô hình lượng tử: là hình ảnh về đối tượng vi mô theo lí thuyết lượng tử, là mô hình biểu tượng có mức độ trừu tượng cao nhất. + Mô hình toán học (mô hình kí hiệu): biểu diễn cấu trúc bằng hệ thống các phương trình, các đường hình học…  Dựa vào vật liệu của mô hình, có thể chia làm 3 loại: * Mô hình vật chất: là mô hình vật thể trên đó phản ánh những tác động cơ bản về mặt hình học, Vật lý học, động lực học, chức năng học của đối tượng nghiên cứu. Loại mô hình này chỉ sử dụng ở giai đoạn thấp của quá trình nhận thức, khi cần hình thành những biểu tượng hoặc thu thập những kiến thức có tính chất kinh nghiệm. 10
* Mô hình lí tưởng: Là những mô hình trừu tượng trên đó về nguyên tắc người ta chỉ áp dụng những thao tác tư duy lý thuyết. Các mô hình lý thuyết có thể có nhiều loại, tuân theo mức độ trừu tượng khác nhau, gồm có: + Mô hình kí hiệu: là hệ thống những lý luận được dùng để mô tả, thay thế những sự vật, hiện tượng Vật lý thực (mô hình công thức toán, mô hình đồ thị, mô hình logic toán,…) + Mô hình biểu tượng: là dạng trừu tượng nhất của mô hình lý tưởng, những mô hình trừu tượng không tồn tại trong không gian, trong thực tế mà chỉ có trong tư duy của ta. Ta chỉ nên algorit để tạo ra mô hình rồi hình dung nó trong óc chứ không cần làm ra mô hình cụ thể. 1.2. Phương pháp mô hình hóa Cơ sở lí thuyết của phương pháp mô hình là lí thuyết tương tự. Theo một số tài liệu mà chúng tôi tham khảo thì sự giống nhau một phần về tính chất hay về các mối quan hệ có thể chuyển những thông tin thu thập được từ một đối tượng này sang một đối tượng khác. Sự suy luận tương tự chỉ mang tính chất là giả thuyết, là nguồn gốc tri thức mới. Những nhận thức đó chỉ trở thành nhận thức khoa học khi chúng được kiểm tra và xác nhận bằng thực nghiệm. Cùng với sự phát triển chung của khoa học, vật lí học lượng tử và cơ học tương đối dẫn đến việc phải xem xét lại các nguyên tắc khoa học luận. Trước đây các nhà thực nghiệm đã xem hoạt động khoa học như là công việc khám phá các định luật của tự nhiên, cũng giống như hoạt động của các nhà thám hiểm tự nhiên phát hiện được các miền đất lạ chưa ai biết. Họ chỉ tin tưởng những gì có thể quan sát và đo lường trực tiếp. Ngày nay với vật lí lượng tử, khi mà các định luật của cơ học cổ điển không còn áp dụng cho các hạt vi mô thì phương cách nhìn thực tại theo các quan điểm duy thực và thực chứng đã bị đảo lộn. Các quan điểm này hạn chế khả năng của con người tiếp tục đi sâu nhận thức thế giới. Một đường lối tiếp cận cái mới được gợi lên từ câu nói sau đây của Albert 11
Einstein: “ Trong nỗ lực để thấu hiểu vũ trụ của chúng ta, chúng ta phần nào giống như một người cố gắng chiêm ngưỡng cái cơ cấu của một chiếc đồng hồ được che kín. Anh ta nhìn mặt đồng hồ, xem các kim chuyển động, nghe tiếng tích tắc, nhưng không có cách nào mở cái hộp đựng máy ra. Nếu anh ta là một kỹ sư, anh ta có thể hình dung một hình ảnh nào đó của cái chi phối tất cả cái mà anh ta quan sát, nhưng anh ta không bao giờ tin chắc rằng hình ảnh ấy là duy nhất có thể giải thích được các quan sát của mình. Anh ta sẽ không bao giờ có điều kiện đối chiếu hình ảnh đó với cơ cấu thực, và thậm chí anh ta cũng không thể hình dung được khả năng hay ý nghĩa của một sự đối chiếu như thế”. Nếu dựa trên việc xây dựng mô hình lí thuyết (mô hình trong tư duy) của đối tượng gốc và nghiên cứu trên mô hình, tức là vận hành mô hình lí thuyết (tiến hành thí nghiệm trong tư duy bằng các thao tác lí thuyết, thao tác logic) để rút ra câu trả lời cần có, nó có tính chất là một điều tiên đoán về đối tượng gốc (và sẽ kiểm tra, đối chiếu với thực nghiệm) thì phương pháp nhận thức này được gọi là phương pháp mô hình hóa (phương pháp mô hình hóa lí thuyết hoặc phương pháp thực nghiệm trong tư duy) 1.3. Phương pháp mô hình hóa trong vật lí Trong phương pháp mô hình, người ta dựng lại những tính chất cơ bản của vật thể, hiện tượng, quá trình và mối quan hệ giữa chúng dưới dạng mô hình. Việc nghiên cứu trên mô hình sẽ thay thế cho việc nghiên cứu trên chính đối tượng thực tiễn, những kết quả nghiên cứu trên mô hình sẽ chuyển sang cho những đối tượng gốc cho phép ta thu được những thông tin mới về đối tượng gốc. 1.3.1. Vị trí, vai trò của phương pháp mô hình hóa trong vật lí Trong lịch sử vật lí, phương pháp mô hình đóng vai trò rất quan trọng trong việc xây dựng và hoàn chỉnh các thuyết. Không có mô hình về ête vũ trụ thì trong 12
bối cảnh lịch sử khoa học thế kỉ 19 không thể xây dựng được lí thuyết về các hiện tượng điện từ. Macxoen dùng mô hình ête vũ trụ để xây dựng các phương trình Macxoen. Mặc dù được xây dựng từ mô hình cơ học là ête giả định nhưng không mang trong chúng một hệ số đặc trưng nào cho môi trường đó, trong những trường hợp này mô hình là phương tiện, công cụ nhận thức tương tự như “bộ giàn giáo” để xây dựng tòa nhà, khi xây xong thì “bộ giàn giáo” bị dỡ bỏ. Những mô hình được sử dụng đầu tiên trong vật lí học là mô hình vĩ mô. Từ giữa thế kỉ 19 xuất hiện các mô hình vi mô. Thế kỉ 20 xuất hiện mô hình lượng tử. Ví dụ sự phát triển của các mô hình về cấu tạo nguyên tử. Đầu tiên là mẫu cổ điển do Thômsơn đưa ra vào năm 1906: nguyên tử gồm các electron nằm trong một môi trường điện tích dương, electron di chuyển trong môi trường điện tích dương hình cầu và các electron phân bố thành từng lớp. Mẫu này giải thích được định tính một số tính chất của các nguyên tử nhưng không được thành công lắm. Mẫu Thômsơn không giải thích được sự tán xạ của chùm hạt ở trên lá vàng. Năm 1915, Somefod cho rằng: electron chuyển động theo quỹ đạo hình elip, mô men động lượng của electron trên quỹ đạo cũng khác nhau. Mẫu này không giải thích được sự tách vạch quang phổ trong từ trường ngoài. Đến năm 1916, ông đưa thêm vào mẫu của mình: hình chiếu của mô men từ lên phương của từ trường ngoài cũng được lượng tử hóa. Năm 1925, Gao Smit và Ulnibec lại bổ sung mỗi electron có mô men quay riêng gọi là Spin. Cuối cùng là mẫu nguyên tử theo cơ học lượng tử. Nhờ áp dụng phương pháp mô hình mà trong nhiều trường hợp đã làm xuất hiện những lí thuyết mới. Chẳng hạn mô hình sóng Đơbrơi đã dẫn đến cơ học lượng tử. Nhờ phương pháp mô hình hóa, thu được các kết luận với tư cách là các mô hình hệ quả logic của thuyết hoặc giả thuyết khoa học. Những hệ quả này cho phép: 13
Giải thích một cách lí thuyết những sự kiện thực tế, những định luật thực nghiệm (đã thu được bằng phương pháp thực nghiệm), nhờ đó có thể khẳng định giá trị khoa học của các tri thức mới đó. Đối chiếu với các bằng chứng thực nghiệm đã được khẳng định để kiểm tra khẳng định giá trị của các thuyết, hoặc giả thuyết khoa học được dùng làm cơ sở xuất phát cho việc xây dựng và vận hành mô hình; hoặc để xem xét chỉnh lí, bổ sung hoặc bác bỏ thuyết hoặc giả thuyết đã được sử dụng để rút ra các hệ quả đó. Tiên đoán những sự kiện, hiện tượng thực tế, các định luật của thực tế khách quan mà tiếp đó sẽ được kiểm tra, hợp thức hóa nhờ phương pháp thực nghiệm để xây dựng được tri thức mới. Một mô hình không phải chỉ dùng để mô tả và giải thích các hiện tượng vật lí mà nó còn dùng để tiên đoán những hiện tượng mới. Không có chức năng tiên đoán này, mô hình mất đi vai trò quan trọng của nó trong khoa học. 1.3.2. Các giai đoạn của phương pháp mô hình hóa trong vật lí Cơ sở lí thuyết của phương pháp mô hình là lí thuyết tương tự, các kết luận rút ra từ sự tương tự có tính giả thuyết, vì vậy mô hình cũng có tính giả thuyết. Đây là hai phương pháp cơ bản để xây dựng giả thuyết khoa học. Các giai đoạn của phương pháp mô hình: * Giai đoạn 1: Lựa chọn, xây dựng mô hình, thay thế đối tượng gốc bằng “vật đại diện” chỉ tồn tại trong tư duy nhà nghiên cứu, chỉ có những tính chất và mối quan hệ chính của đối tượng gốc mà nhà nghiên cứu quan tâm. Nghiên cứu các tính chất của đối tượng gốc bằng quan sát thực nghiệm xác định được một tập hợp tính chất của các đối tượng làm cơ sở xây dựng mô hình. Giai đoạn này là cơ sở để xây dựng mô hình. 14
* Giai đoạn 2: Dựa vào kết quả của sự tương tự, hình dung sơ bộ về đối tượng nghiên cứu. Ở giai đoạn này, trí tưởng tượng và trực giác nhạy bén giữ vai trò quan trọng mà nhờ chúng người ta có thể suy ra những tính chất và các mối quan hệ của đối tượng nghiên cứu và thay thế nó bằng mô hình chỉ mang tính chất và các mối quan hệ mà ta quan tâm. Lúc đầu mô hình chỉ tồn tại trong óc, nó có thể trở thành mô hình thật (khi người nghiên cứu dùng phương pháp mô hình vật chất), còn trong trường hợp mô hình là lí tưởng người ta đem đối chiếu biểu tượng với vật thật đã biết. * Giai đoạn 3: Thao tác trên mô hình (vận hành mô hình để rút ra kết luận với tính cách là một hệ quả lôgic). Sau khi xây dựng mô hình, người ta áp dụng những phương pháp lý thuyết hoặc thực nghiệm khác nhau từ tư duy trên mô hình và thu được kết quả, những thông tin mới. Với các mô hình vật chất, người ta làm thí nghiệm thực trên đó để kiểm chứng hiệu quả. Với các mô hình lí tưởng người ta tiến hành suy luận lôgic (các thao tác tư duy lí thuyết) trên nó kết hợp chặt chẽ với logic của ngôn ngữ toán học phù hợp. Trong quá trình mô hình vận hành (trong óc, nhờ tưởng tượng), người ta hình dung ra các đại lượng vật lí đặc trưng cho tính chất của mô hình (các đại lượng vật lí lí thuyết), hình dung ra sự biến đổi của chúng khi mô hình hoạt động, hình dung ra mối quan hệ giữa chúng (biểu diễn bằng các công thức toán học mô tả trong các phương trình vật lí lí thuyết). Sau đó người ta hình dung kiểm chứng chúng bằng thí nghiệm tưởng tượng thuần túy. Hệ quả rút ra từ suy luận và thí nghiệm tưởng tượng phải được chuyển về từ đối tượng nghiên cứu để phân định xem mô hình có phù hợp với đối tượng hay không. Thí nghiệm tưởng tượng tuy không có thực nhưng có thể thực hiện được và có vai trò rất lớn trong khoa 15
học. Trong phương pháp mô hình lí tưởng người ta đã biết trước hành vi của mô hình trong những điều kiện xác định. Điều người ta muốn tìm hiểu thêm là hệ quả của những hành vi đó như thế nào. Thí nghiệm tưởng tượng thực chất là một thao tác lôgic chứ không phải là một phương pháp nghiên cứu khách quan, những kết quả trên mô hình phải được chuyển về đối tượng nghiên cứu xem có phù hợp hay không. * Giai đoạn 4: Xử lí kết quả 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 được từ mô hình với những kết quả thu được trực tiếp bằng đối tượng gốc. Nếu sai lệch thì phải điều chỉnh ngay chính mô hình, có trường hợp phải bỏ hẳn mô hình đó và thay bằng một mô hình khác. Nếu bản thân mô hình không phải là đối tượng của nhận thức mà chỉ là phương tiện để nghiên cứu thì việc xử lí kết quả, hợp thức mô hình là phải phân tích những kết quả thu được trên mô hình thành những thông tin về đối tượng nghiên cứu, nếu những thông tin ấy không phù hợp cũng phải chỉnh lí lại mô hình. Trong nhiều trường hợp mô hình chỉ phản ánh được một hay một số mặt của đối tượng nghiên cứu, còn nhiều mặt khác thì không phản ánh được, thậm chí phản ánh sai lệch. Những mô hình đã được kiểm nghiệm trên 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 người ta có thêm thông tin chính xác hơn về đối tượng gốc. Kiểm tra khả năng có thể chấp nhận được của kết quả để có thể chuyển kết quả về đối tượng gốc, hợp thức hóa mô hình bằng cách đối chiếu với thực nghiệm, chỉnh lí, bổ sung kết quả hoặc mô hình nếu cần. Thực nghiệm kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình sẽ được thẩm định nếu thực nghiệm kiểm chứng phù hợp với hệ quả được tiên đoán, khi đó mô hình được chấp nhận 16
(được hợp thức hóa), còn ngược lại thì phải điều chỉnh mô hình hoặc loại bỏ và thay thế bằng mô hình giả thuyết khác và khi đó phải quay về bước xây dựng mô hình. Một đối tượng (hay một loại đối tượng cùng loại) có thể có nhiều mô hình đại diện, các mô hình này có thể hoàn toàn khác nhau, không thể bằng bất cứ một sự cố gắng nào để hợp nhất chúng. 1.4. Phương pháp mô hình hóa trong dạy học vật lí 1.4.1. Vai trò của mô hình trong dạy học vật lí Ở nhà trường phổ thông, chúng ta có thể sử dụng phương pháp mô hình như một phương pháp độc lập trong việc dạy học một số kiến thức vật lí. Việc dạy học vật lí không chỉ giới hạn trong việc truyền thụ cho HS những tri thức của bộ môn này, mà điều quan trọng hơn là qua đó hình thành cho HS năng lực nhận thức sáng tạo đối với thế giới tự nhiên, năng lực phản ánh thế giới hiện thực. Do đó cần phải tạo điều kiện để cho hoạt động học tập ngày càng tốt đối với tiến trình xây dựng tri thức của các nhà khoa học vật lí. Làm được như vậy, HS sẽ vừa tiếp nhận được tri thức, vừa tiếp nhận được con đường nhập cuộc vào xây dựng tri thức vật lí. HS sẽ không mơ hồ trong việc phải vượt qua những trở ngại khoa học để hiểu đúng đắn bản chất và vai trò của các lí thuyết khoa học, biết kiến tạo lí thuyết đó, nhằm hiểu biết sâu rộng hơn về tri thức khoa học. Xuất phát từ những quan niệm trên, các nhà khoa học cho rằng cần vận dụng phương pháp mô hình đã và đang được dùng trong các lí thuyết bộ môn vật lí vào việc giảng dạy bộ môn này trong nhà trường. Trong nghiên cứu khoa học vật lí, mô hình và phương pháp mô hình có chức năng nhận thức, nó giúp ta phát hiện ra những đặc tính mới, hiện tượng mới, quy luật mới. Nếu xem xét quá trình học tập của HS là một quá trình hoạt 17
động nhận thức thì mô hình cũng có chức năng như trong nghiên cứu khoa học vật lí. Phương pháp mô hình là phương pháp quan trọng trong khoa học vật lí. Học tập vật lí sử dụng phương pháp mô hình cùng với những phương pháp nhận thức khác giúp cho hoạt động nhận thức của HS thuận lợi, hiệu quả và đảm bảo tính khoa học hơn. Mặc dù HS nhiều khi không đủ khả năng để xây dựng mô hình, nhưng bằng cách này hay cách khác GV có thể sử dụng mô hình như phương tiện để HS hoạt động nhận thức. Trong khoa học, mô hình vật chất có tác dụng hạn chế nhưng trong dạy học ở cấp độ phổ thông thì loại mô hình này lại có tác dụng quan trọng giúp HS hiểu được những điều không quan sát được trực tiếp (hoặc phức tạp khó hiểu). Ví dụ như 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. Nhưng trong dạy học, nhiều mô hình lại có tác dụng quan trọng làm cho HS hiểu được những cái không quan sát trực tiếp được. Mô hình lí tưởng có vai trò quan trọng trong khoa học nhưng để xây dựng và sử dụng nó đòi hỏi HS có tư duy trừu tượng phát triển ở trình độ khá cao, phải có kiến thức, kinh nghiệm bản thân dồi dào, có cơ sở thực nghiệm phong phú, nhưng với loại mô hình này, HS vẫn cần được biết, cần được trải qua những giai đoạn quan trọng của những phát minh khoa học quan trọng khi xây dựng mô hình để hình dung được người ta đã xây dựng chúng như thế nào và quan trọng hơn, đó là HS hiểu được bản chất giả định và giá trị to lớn của mô hình trong nhận thức (giải thích và tiên đoán) thế giới khách quan. Bởi vậy, trong dạy học ở trường phổ thông, trong khuân khổ bài học không cho phép chúng ta tổ chức quá trình học tập sao cho HS hoàn toàn “khám phá lại” các định luật vật lí, xây dựng các mô hình nhưng cũng phải để cho HS “trải nghiệm” những giai đoạn của sự phát minh khoa học, hiểu được ý nghĩa của các sự kiện xuất phát, vai trò của mô hình, tầm quan trọng của sự kiểm tra bằng thực nghiệm những 18
hệ quả lí thuyết. Trong dạy học vật lí ở trường phổ thông, ta ít có điều kiện để áp dụng đầy đủ các giai đoạn của phương pháp mô hình để giải quyết một vấn đề nhận thức. Tùy theo hoàn cảnh cụ thể về trình độ HS, nội dung vấn đề, phương tiện thí nghiệm mà định ra mức độ tham gia của HS một cách hợp lí vào các giai đoạn của phương pháp mô hình. 1.4.2. Những yêu cầu khi dạy về các mô hình lí tưởng trong vật lí Việc dạy học các mô hình vật lí dù là loại nào cũng cần thỏa mãn các yêu cầu sau: * Làm rõ giá trị của mô hình: Các mô hình, dù là ở cấp độ trừu tượng cao hay thấp cũng đều có giá trị to lớn trong nhận thức (chức năng giải thích) và tư duy (chức năng tiên đoán): Các mô hình vật lí là công cụ để giải thích thực tại khách quan: Mô hình có mức độ trừu tượng càng cao thì giá trị giải thích càng sâu sắc và giá trị giải thích trong phạm vi thực tại càng rộng lớn. Các mô hình có giá trị tiên đoán, vì thế đó là công cụ mạnh mẽ để tư duy: Các mô hình có trước có mức độ trừu tượng nhất định là cơ sở để nghiên cứu và lĩnh hội các mô hình mức độ trừu tượng cao hơn. * Làm rõ tính giả định (bản chất giả thuyết) của mô hình: Mặc dù mô hình có giá trị giải thích và tiên đoán thực tại nhưng bản chất của nó là giả định. Mô hình là kết quả của sự xây dựng, óc sáng tạo khoa học, nó sẽ luôn còn giá trị trong một phạm vi giải thích nhất định và ở mức độ sâu sắc nhất định nhưng nó có thể được thay bằng mô hình tốt hơn, có thể khác biệt hoàn toàn với mô hình trước đó và mô hình mới có thể có phạm vi giải thích rộng hơn bao trùm các mô hình trước đó, mức độ giải thích có thể sâu sắc hơn… Vì thế khi dạy học mô hình không nên gieo vào đầu HS sự tin tưởng tuyệt đối vào bất cứ mô hình nào, nhất là các mô hình biểu tượng, mà nên chỉ luôn cho họ 19
thấy giá trị của nó song song với những giá trị mà nó có thể gặp phải và nhất định sẽ có mô hình tốt hơn, phù hợp hơn để giúp người ta vượt qua khó khăn đó… Làm rõ bản chất giả định của mô hình là giúp cho HS không nhầm lẫn giữa mô hình và thực tại khách quan mà nó đại diện, là dạy học tuân theo những quy luật của nhận thức luận hiện đại, là góp phần trang bị nhận thức luận đúng đắn cho HS. 1.4.3. Các mức độ sử dụng phương pháp mô hình hóa trong dạy học vật lí Phương pháp mô hình được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vật lí, nhưng đồng thời cũng còn rất nhiều khó khăn đòi hỏi ở HS một trình độ tư duy phát triển, một vốn hiểu biết rộng rãi. Khi đưa vào dạy học ở trường phổ thông, ta thường không áp dụng đầy đủ các khâu của phương pháp mô hình để giải quyết trọn vẹn một vấn đề. Trong trường hợp này ta chỉ quan tâm đến việc xây dựng mô hình của một hiện tượng và dừng lại ở việc sử dụng mô hình để giải thích hiện tượng đó. Trong trường hợp khác ta lại chú ý đến việc giải thích một hiện tượng mới dựa vào một mô hình đã có sẵn mà HS không có khả năng xây dựng được. Ta phải làm như vậy là vì: Có sự khác nhau cơ bản giữa mục đích nghiên cứu của nhà vật lí và mục đích dạy học của người GV. Mục đích nghiên cứu của nhà vật lí là phải tìm cho được cái mới, còn mục đích dạy học là bước đầu tập luyện cho HS cách suy nghĩ sáng tạo, rèn luyện kĩ năng...Cho nên có thể làm từng bước từng phần tùy theo hoàn cảnh cụ thể. Do sự khống chế của thời gian, điều kiện trang thiết bị của nhà trường, trình độ khoa học của GV và HS. Đối với học sinh có học lực trung bình thì hầu hết sử dụng phương pháp mô hình đến mức độ 3, còn với học sinh học lực khá trở lên có thể tham gia sử dụng mô hình ở mức độ 4. Riêng đối với các em có nhận thức tốt, các em có thể sử dụng mô hình ở cả 5 mức độ. 20