Khóa luận tốt nghiệp đại học: Cải tiến và sử dụng các thí nghiệm để dạy học một số kiến thức về phóng xạ nhằm khắc phục quan niệm sai lầm về phóng xạ cho học sinh lớp 12

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận là cải tiến thí nghiệm Buồng sương Wilson và ứng dụng thí nghiệm vào dạy học bài - Phóng xạ nhằm khắc phục quan niệm sai lầm của học sinh. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp đại học: Cải tiến và sử dụng các thí nghiệm để dạy học một số kiến thức về phóng xạ nhằm khắc phục quan niệm sai lầm về phóng xạ cho học sinh lớp 12

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Minh Duy CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM ĐỂ DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ PHÓNG XẠ NHẰM KHẮC PHỤC QUAN NIỆM SAI LẦM VỀ PHÓNG XẠ CHO HỌC SINH LỚP 12 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Minh Duy CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG CÁC THÍ NGHIỆM ĐỂ DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ PHÓNG XẠ NHẰM KHẮC PHỤC QUAN NIỆM SAI LẦM VỀ PHÓNG XẠ CHO HỌC SINH LỚP 12 Chuyên ngành: Sư phạm Vật lí KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TH.S LÊ ANH ĐỨC Thành phố Hồ Chí Minh - 2020
Lời Cảm ơn Trong qua trình thực hiện và hoàn thành khóa luận, tôi đã nhận được sự quan tâm và giúp đỡ rất lớn thì quý Thầy, Cô, gia đình và bạn bè. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến Th.S Lê Anh Đức đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, quý Thầy, Cô và các em học sinh trường Trung Học Thực Hành ĐHSP đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong việc điều tra, khảo sát và thực nghiệm sư phạm. Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh, giúp đỡ và hỗ trợ tôi hoàn thành khóa luận của mình. Chân thành cảm ơn! 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Hiệu ứng quang điện. .............................................................................. 15 Hình 1-2: Tán xạ Compton. ..................................................................................... 16 Hình 1-3: Hiệu ứng tạo cặp. .................................................................................... 17 Hình 1-4: Sơ đồ các quá trình dịch chuyển electron trong tinh thể vô cơ. .............. 19 Hình 1-5: Sơ đồ cấu tạo của ống nhân quang điện. ................................................. 22 Hình 2-1: Nguyên vật liệu để chế tạo ―Buồng sương Wilson‖ sử dụng đá khô [1].. 25 Hình 2-2: Sò nóng lạnh đã được nối với phích cắm điện. ....................................... 28 Hình 2-3: Các vệt tia phóng xạ ................................................................................ 29 Hình 2-4: Mặt trước của máy đếm. .......................................................................... 30 Hình 2-5: Đầu dò nhấp nháy Model 44-10 .............................................................. 32 Hình 2-6:Bộ nguồn chuẩn........................................................................................ 32 Hình 2-7: Bộ chứa nguồn......................................................................................... 33 Hình 2-8: Bộ vật liệu che chắn ................................................................................ 33 Hình 2-9: Sơ đồ thí nghiệm ―Khảo sát tính chất đâm xuyên của tia gamma‖ ........ 34 Hình 3-1: Giáo viên giới thiệu về thí nghiệm ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖. .................................................................................................................... 51 Hình 3-2: Học sinh nhóm A tiến hành thí nghiệm. ................................................. 52 Hình 3-3: Học sinh nhóm B tiến hành thí nghiệm................................................... 52 Hình 3-4: Giáo viên giới thiệu về thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖. .................. 53 Hình 3-5: Giáo viên lắp ráp thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖ ............................ 53 2
DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1: Kết quả khảo sát quan niệm của học sinh lớp 12.4 về phóng xạ. ............. 4 Bảng 2-1: Thông tin về nguồn phóng xạ. ................................................................ 33 Bảng 3-1: Tóm tắt tiến trình dạy học. ...................................................................... 50 Bảng 3-2: Kết quả khảo sát quan niệm của học sinh lớp 12.1 về phóng xạ. ........... 54 3
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nội dung ĐHSP Đại học sư phạm GV Giáo viên HS Học sinh TNSP Thực nghiệm sư phạm TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh THPT Trung học phổ thông SGK Sách giáo khoa TN Thí nghiệm PPDH Phương pháp dạy học DH Dạy học TNTT Thí nghiệm tự tạo NQĐ Nhân quang điện 4
MỤC LỤC CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI “PHÓNG XẠ” VẬT LÍ 12 ......................... 3 1.1 Các quan niệm về phóng xạ ...............................................................................3 1.1.1 Các quan niệm về phóng xạ của học sinh ngoài nước. ..................................3 1.1.2 Các quan niệm về phóng xạ của học sinh trong nước. ...................................4 1.2 Phân tích nội dung kiến thức bài ―Phóng xạ‖........................................................6 1.3 Thí nghiệm vật lí ...................................................................................................7 1.3.1 Khái niệm thí nghiệm vật lí ............................................................................7 1.3.2 Chức năng của thí nghiệm vật lí .....................................................................7 1.3.3 Một số loại hình thí nghiệm vật lí ..................................................................9 1.4 Các thí nghiệm ứng dụng trong dạy học chương ―Nguyên tử hạt nhân‖. ...........13 1.4.1 Buồng sương Wilson ....................................................................................13 1.4.2 Thí nghiệm ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖. ............................. 14 CHƢƠNG II. CẢI TIẾN VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI “PHÓNG XẠ” VẬT LÍ 12 ..................................................................................... 24 2.1 Thí nghiệm ―Buồng sương Wilson‖ ....................................................................24 2.1.1 Mục đích thí nghiệm .....................................................................................24 2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thí nghiệm ..........................................24 2.1.4 Cải tiến thí nghiệm .......................................................................................25 2.2 Thí nghiệm ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖......................................30 2.2.1 Mục đích thí nghiệm .....................................................................................30 2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thí nghiệm ..........................................30 2.2.3 Các bước tiến hành thí nghiệm .....................................................................34 2.3. Giáo án dạy học chuyên đề phóng xạ .................................................................34 2.3.1 Mục tiêu ........................................................................................................34 2.3.2 Phương pháp dạy học ...................................................................................35 2.3.3 Phương tiện dạy học. ....................................................................................35 2.3.4 Tiến trình dạy học .........................................................................................37 2.3.5 Củng cố .........................................................................................................46 CHƢƠNG III. THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM ...................................................... 48 5
3.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm ..........................................................................48 3.2 Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm..........................................................................48 3.3 Đối tượng thực nghiệm sư phạm .........................................................................48 3.4 Phương pháp thực nghiệm sư phạm ....................................................................48 3.5 Những thuận lợi và khó khăn gặp phải khi tiến hành thực nghiệm sư phạm ......49 3.5.1 Thuận lợi.......................................................................................................49 3.5.2 Khó khăn ......................................................................................................49 3.6 Kế hoạch dự kiến TNSP ......................................................................................49 3.7 Diễn biến thực nghiệm sư phạm ..........................................................................49 3.8 Kết quả khảo sát của lớp 12.1..............................................................................54 3.9 Đánh giá kết quả TNSP .......................................................................................56 6
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật lí là một môn khoa học thực nghiệm. Những định luật hay thuyết vật lí chỉ được công nhận khi được kiểm chứng bằng các TN. Trong dạy học môn vật lí ở các trường trung học, TN luôn đóng một vai trò cực kì quan trọng, giúp học sinh lĩnh ngộ và nắm giữ các kiến thức, kĩ năng. Tuy nhiên, việc sử dụng TN trong dạy học vẫn còn nhiều khó khăn và hạn chế đặc biệt là chương ―Hạt nhân nguyên tử‖ ở chương trình vật lí 12. Bên cạnh đó, đã có những nghiên cứu chỉ ra rằng ở học sinh, sinh viên có nhiều quan niệm sai lầm về phóng xạ như: ―Phóng xạ là sản phẩm nhân tạo”[18], “Phóng xạ luôn gây nguy hiểm”[22],… dù hầu hết những học sinh, sinh viên này đều ở những quốc gia có nền công nghệ hạt nhân tiên tiến. Trên thực tế, đã có nhiều công trình nghiên cứu về TN phóng xạ có thể thực hiện tại lớp như ―Chế tạo buồng sương bể cá‖ của Frances[28], ―Chế tạo buồng sương với đá Gel‖ của Masahiro Kamata and Miki Kubota[29] hay bài luận văn ―Chế tạo và sử dụng buồng sương Wilson trong dạy học bài ―phóng xạ‖ vật lí 12‖ của Trần Nguyễn Hoàng Duy[1]. Tuy nhiên, điểm chung của các TN trên là đều sử dụng đá khô hoặc đá Gel, những dụng cụ này có gây một số khó khăn cho công tác quản lý và sử dụng TN trong trường học. Do đó, chúng tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài ―Cải tiến và sử dụng các thí nghiệm để dạy học một số kiến thức về phóng xạ nhằm khắc phục quan niệm sai lầm về phóng xạ cho học sinh lớp 12” với mong muốn góp phần nâng cao hiệu quả dạy học phóng xạ ở trường học và khắc phục những quan niệm sai lầm của học sinh ở trường học. 2. Mục đích của đề tài Cải tiến TN Buồng sương Wilson và ứng dụng TN vào dạy học bài ―Phóng xạ‖ nhằm khắc phục quan niệm sai lầm của học sinh. 3. Giả thuyết khoa học Nếu xây dựng các tiết học vật lí 12 ở ―Phóng xạ‖ kết hợp với các TN sẽ góp phần giúp học sinh khắc phục quan niệm sai lầm. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1
4.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Nội dung kiến thức vật lí lớp 12 bài ―Phóng xạ‖. - Các TN phóng xạ: ―Buồng sương Wilson‖ và ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖. - Phương pháp tổ chức hoạt động dạy học sử dụng TN biểu diễn dạy học môn vật lí 4.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tập trung vào cải tiến TN ―Buồng sương Wilson‖ và xây dựng tiết học thực nghiệm vật lí ở bài ―Phóng xạ‖. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lí luận và thực tiễn TN vật lí. - Phân tích mục tiêu về kiến thức, kĩ năng, cấu trúc, nội dung và các lưu ý khi dạy học bài Phóng xạ - vật lí 12. - Nghiên cứu về TN ―Buồng sương Wilson‖ và ―Khảo sát tính đâm xuyên của tia gamma‖ 6. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lí luận dạy học: + Nghiên cứu tài liệu về lí luận dạy học TN trong dạy học vật lí. - Phương pháp thực nghiệm sư phạm: + Giảng dạy thực nghiệm bài Phóng xạ vật lí 12. + Quan sát, kiểm tra, đánh giá quan niệm của HS qua phiếu khảo sát. - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn. 2
CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI “PHÓNG XẠ” VẬT LÍ 12 1.1 Các quan niệm về phóng xạ 1.1.1 Các quan niệm về phóng xạ của học sinh ngoài nước. - Quan niệm về phóng xạ của học sinh ngoài nước: Đã có bài báo nghiên cứu về quan niệm của học sinh ở lưới tuổi THPT về phóng xạ như ―Ba quan điểm sai lầm về phóng xạ‖ của Susanne Neuman, ―Kiến thức về phóng xạ của học sinh Bồ Đào Nha‖ của Rego và Pelarta,… Các bài báo đều đã chỉ ra rằng có một số quan niệm sai lần ở học sinh. - Phóng xạ là nhân tạo. Theo nghiên cứu của Hiệp hội giáo viên vật lí Mỹ, nhiều [18] sinh viên cho rằng phóng xạ là nhân tạo . Ở Bồ Đào Nha hơn 50% sinh viên trẻ và từ 30% đến 40% những người lớn tuổi tuyên bố chưa bao giờ nghe về phóng xạ tự nhiên[19] 84% học sinh Anh cho rằng phóng xạ xuất phát từ nhà máy điện hạt nhân [20]. Thực tế phóng xạ có cả nguồn tự nhiên và nhân tạo. Trong tự nhiên, phóng xạ được tìm thấy trong đất, đá, than đá, nước, không khí, gỗ… Gỗ chứa đồng vị Carbon 14C - đồng vị phóng xạ của nguyên tố carbon. - Sợ tiếp xúc với nguồn phóng xạ trong tự nhiên. Phóng xạ có trong nước, không khí, cây gỗ….những thứ mà ta tiếp xúc hằng ngày nhưng hầu như không ai biết về điều đó. Khi được hỏi về việc tiếp xúc với phóng xạ trong tự nhiên, 36% học sinh nói rằng họ không muốn tiếp xúc vì sợ bị phơi nhiễm phóng xạ [21]. - Phóng xạ luôn nguy hiểm. 78% học sinh Anh cho rằng phóng xạ gây nguy hiểm [22] chết người . Phóng xạ nguy hiểm đến con người phụ thuộc vào mật độ phóng xạ. Tháng 3 năm 2019, Trường Trung học phổ thông Trần Khai Nguyên đã cho học sinh tiến hành TN quan sát chuyển động của các tia phóng xạ alpha, beta. Trước khi cho học sinh làm TN, giáo viên trường đã kiểm tra và đảm bảo an toàn cho học sinh. - Các vật dễ bị nhiễm phóng xạ khi đặt gần nguồn phóng xạ. Một quả dâu tây được đặt gần nguồn phóng xạ, kết quả của Harrington chỉ ra rằng, 68% sinh viên vật lí [22] tính toán nghĩ rằng dâu tây sẽ vẫn phóng xạ khi nguồn đã được gỡ bỏ . 70% học sinh Thổ Nhĩ Kỳ cho rằng dâu tây trở thành một nguồn phóng xạ và do đó có hại [21]. 3
1.1.2 Các quan niệm về phóng xạ của học sinh trong nước. Phóng xạ hiện nay là một qua niệm khá quen thuộc đối với học sinh, sinh viên Việt Nam. Các thông tin về phóng xạ được truyền đạt tới mọi người qua báo chí, truyền hình, mạng internet nhưng hầu hết những thông tin mà mọi người tiếp nhận là những tiêu cực, nguy hiểm mà phóng xạ mang lại. Từ đó, mọi người có những quan niệm, cách nhìn nhận không đúng về phóng xạ. Chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu quan niệm về phóng xạ của học sinh lớp 12 sau khi các em đã được học về phóng xạ theo bảng phụ lục 1. Sau khi khảo sát và thống kê thì chúng tôi thu được kết quả như sau: Bảng 1-1: Kết quả khảo sát quan niệm của học sinh lớp 12.4 về phóng xạ. Câu 1: Nguồn phóng xạ Đồng ý Phân vân Không đồng ý 1. Phóng xạ được phát ra từ lò phản 97% 3% 0% ứng hạt nhân, phòng thí nghiệm hạt nhân. 2. Phóng xạ có trong môi trường tự 63% 27% 20% nhiên xung quanh chúng ta như đất đá, nước... 3. Phóng xạ được phát ra từ điện 43% 33% 24% thoại, laptop, wifi, lò vi sóng... 4. Tia alpha, tia beta, tia gamma là tia 90% 7% 3% phóng xạ. 5. Tia tử ngoại, tia X (trong chụp X- 43% 14% 43% quang) là tia phóng xạ. Câu 2: Ứng dụng của phóng xạ Đồng ý Phân vân Không đồng ý 1. Phóng xạ được ứng dụng trong nhà 97% 3% 0% máy điện hạt nhân, lò phản ứng hạt nhân. 2. Phóng xạ được ứng dụng trong soi 50% 17% 33% chiếu hành lí, kiểm tra an ninh tại sân bay. 3. Xạ trị ung thư, điều trị bướu cổ hay 87% 13% 0% 4
chẩn đoán các khối u trong cơ thể... 4. Chiếu xạ thực phẩm diệt khuẩn. 63% 23% 14% 5. Định tuổi các vật liệu khảo cổ. 80% 17% 3% Câu 3: Tác hại của phóng xạ Đồng ý Phân vân Không đồng ý 1. Phóng xạ luôn rất nguy hiểm khi 73% 10% 17% tiếp xúc gần nguồn phóng xạ. 2. Các bác sĩ làm việc ở phòng xạ trị 57% 40% 3% với tần suất lớn sẽ gây ung thư. 3. Phóng xạ gây chết người ngay lập 20% 33% 47% tức khi vừa tiếp xúc với nguồn phóng xạ. 4. Đồng vị phóng xạ nhân tạo được 70% 30% 0% ứng dụng trong y học để khám, chữa bệnh. 5. Một trái táo đặt rất gần nguồn 70% 27% 3% phóng xạ, trái táo đó bị nhiễm phóng xạ. Từ kết quả khảo sát, ta có thể thấy một số học sinh còn mắc qua niệm sai lầm như: + 43,3% học sinh cho rằng tia tử ngoại, tia X (trong chụp X-quang) là tia phóng xạ. + 50% học sinh cho rằng phóng xạ đứng ứng dụng trong soi chiếu hành lý, kiểm tra an ninh trong sân bay. + 57% học sinh cho rằng bác sĩ làm việc ở phòng xạ trị với tần suất lớn sẽ bị ung thư. + 70% học sinh cho rằng đặt trái táo gần nguồn phóng xạ, trái táo sẽ bị nhiễm phóng xạ. 5
1.2 Phân tích nội dung kiến thức bài “Phóng xạ”. - Phóng xạ là quá trình phân rã tự phát của một hạt nhân không bền vững (tự nhiên hay nhân tạo). - Quá trình phân rã này kèm theo sự tạo ra các hạt và có thể kèm theo sự phát ra các bức xạ điện từ. Hạt nhân tự phân rã gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành sau phân rã gọi là hạt nhân con. - Tia  thực chất là dòng các hạt 24 He chuyển động với tốc độ cỡ 20.000 km/s. Quãng đường đi được của tia  trong không khí chừng vài xentimét và trong vật rắn chừng vài micrômét. - Tia  thực chất là dòng các hạt êlectron hay dòng các hạt pôzitron + Phóng xạ  là quá trình phân rã phát ra tia  . Tia  là dòng các êlectron    e chuyển động với tốc độ rất lớn, xấp xỉ tốc độ ánh sáng. Tia  truyền đi được vài  0 1 mét trong không khí và vài milimét trong kim loại. + Phóng xạ  là quá trình phân rã phát ra tia  . Tia  là dòng các pôzitron    0 1e chuyển động với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng. Pôzitron có điện tích +e và khối lượng bằng khối lượng êlectron. Tia  truyền đi được vài mét trong không khí và vài  milimét trong kim loại. - Tia  có bản chất là sóng điện từ. Các tia  có thể đi qua được vài mét trong bê tông và vài xen-ti-mét trong chì. - Trong quá trình phân rã, số hạt nhân phóng xạ của một nguồn giảm theo quy luật hàm số mũ. Trong đó, N 0 là số nguyên tử ban đầu của chất phóng xạ, N là số nguyên tử chất ấy ở thời điểm t,  là hằng số phóng xạ. - Hệ thức của định luật phóng xạ: N  N 0 .e  t . - Chu kỳ bán rã T là đại lượng đặc trưng cho chất phóng xạ, được đo bằng thời gian qua đó số lượng hạt nhân còn lại là 50% (nghĩa là phân rã 50%), được xác định ln 2 bởi: T  .  - Ngoài các đồng vị có sẵn trong thiên nhiên gọi là các đồng vị phóng xạ tự nhiên, người ta còn tạo ra được nhiều đồng vị phóng xạ khác, gọi là các đồng vị phóng xạ nhân tạo. 6
- Các đồng vị phóng xạ nhân tạo có nhiều ứng dụng trong sinh học, hoá học, y học... Trong y học, người ta đưa các đồng vị khác nhau vào cơ thể để theo dõi sự xâm nhập và di chuyển của nguyên tố nhất định trong cơ thể người. Đây là phương pháp nguyên tử đánh dấu, có thể dùng để theo dõi được tình trạng bệnh lí. Trong ngành khảo cổ học, người ta sử dụng phương pháp cacbon 146C , để xác định niên đại của các cổ vật. 1.3 Thí nghiệm vật lí 1.3.1 Khái niệm thí nghiệm vật lí Khái niệm TN vật lí được hiểu theo các quan điểm sau: - Trong vật lí học, TN vừa là nguồn kiến thức và là một phương pháp nghiên cứu. TN Vật lí trong trường phổ thông (còn gọi là TN giáo khoa hay TN học tập) là sự phản ánh phương pháp nghiên cứu khoa học trong việc nghiên cứu các hiện tượng vật lí, vì vậy chúng mang những yếu tố cơ bản của TN khoa học vật lí. TN vật lí học tập được hiểu là sự tái tạo nhờ các dụng cụ đặc biệt, các hiện tượng vật lí trên lớp học, trong những điều kiện thuận tiện nhất để nghiên cứu chúng. Vì vậy, TN vật lí đồng thời là nguồn kiến thức, PPDH và là một dạng trực quan.[3] - Theo Nguyễn Đức Thâm và cộng sự, TN vật lí được hiểu là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan. Thông qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của sự tác động, ta có thể thu nhận tri thức mới. [4] - Mặt khác, TN là một phương pháp dạy học vật lí. Đó là cách thức, là biện pháp tổ chức các hoạt động dạy học của người GV thể hiện qua sự cộng tác giữa thầy và trò trong quá trình giảng dạy và học tập nhằm đạt được hiệu quả cao nhất trong việc truyền thụ, lĩnh hội tri thức vật lí và rèn luyện kĩ năng kĩ xảo thực hành. [5] 1.3.2 Chức năng của thí nghiệm vật lí [6] - Thí nghiệm là phương tiện thu nhận tri thức. + TN là một phương tiện quan trọng của hoạt động nhận thức của con người, thông qua TN con người đã thu nhận được những tri thức khoa học cần thiết nhằm nâng cao năng lực của bản thân để có thể tác động và cải tạo thực tiễn. Trong dạy học, TN là phương tiện của hoạt động nhận thức của HS, nó giúp người học trong việc tìm kiếm và thu nhận kiến thức khoa học cần thiết. 7
+ Trong dạy học VL, TN được sử dụng như một công cụ phân tích hiện thực khách quan, từ đó HS thu nhận tri thức về đối tượng, nếu ban đầu HS chưa biết hoặc biết một ít về đối tượng cần nghiên cứu, thì TN được sử dụng để thu nhận những kiến thức đầu tiên về nó, thông qua TN, HS có thể trả lời được các câu hỏi về hiện tượng xảy ra của đối tượng. + TN là nguồn cung cấp thông tin chính xác về các sự vật, hiện tượng và chỉ có TN thì kiến thức mà HS thu nhận mới đạt chất lượng, hiệu quả và chính việc sử dụng TN trong dạy học VL mới đem lại cho HS sự tự tin vào kiến thức được lĩnh hội. - Thí nghiệm là phương tiện kiểm tra tính đúng đắn của những tri thức thu nhận. + Trong dạy học VL, TN là một trong những phương tiện tốt để kiểm tra kiến thức VL đã được khái quát hoá từ lí thuyết. Thực tế cho thấy, từ sự khái quát hoá lí thuyết rồi đưa ra TN để kiểm tra lí thuyết không những làm cho hoạt động nhận thức của HS tích cực hơn mà còn tạo được niềm tin về sự đúng đắn của kiến thức mà HS đã lĩnh hội. - Thí nghiệm là phương tiện để vận dụng tri thức vào thực tiễn. + Trong dạy học VL, TN không những có vai trò rất lớn trong việc tích cực hóa hoạt động nhận thức của HS, thể hiện ở khía cạnh cung cấp kiến thức, rèn luyện thao tác chân tay, tác động đến giác quan của HS ..., mà TN còn có một vai trò rất lớn khác trong việc giúp HS củng cố và vận dụng kiến thức một cách vững chắc. + TN VL giúp cho HS có điều kiện vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế cuộc sống, từ đó xoá bỏ dần lối học vẹt, lí thuyết suông đã tồn tại nhiều năm trước đây. - Thí nghiệm là một bộ phận của các phương pháp nhận thức. + Đối với phương pháp thực nghiệm, TN luôn có mặt ở nhiều khâu khác nhau: làm xuất hiện vấn đề nghiên cứu, kiểm tra tính đúng đắn của các giả thuyết,… + Trong phương pháp mô hình, TN giúp ta thu thập các thông tin về đối tượng gốc làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình. + Nhờ những kết quả của các TN được tiến hành trên vật gốc tạo cơ sở để đối chiếu với kết quả thu được từ mô hình, qua đó để có thể kiểm tra tính đúng đắn của mô hình được xây dựng và chỉ ra giới hạn áp dụng của nó. 8
1.3.3 Một số loại hình thí nghiệm vật lí - Có nhiều cách phân loại TN trong DH vật lí, tuỳ vào từng tiêu chí khác nhau, sẽ có các kết quả phân loại khác nhau. Ví dụ: căn cứ vào đối tượng sử dụng, TN vật lí ở trường phổ thông có thể chia thành hai loại: TN biểu diễn (TN do GV tiến hành là chính, tuy có thể có sự hỗ trợ của HS) và TN thực hành (TN do HS tự tiến hành dưới sự hướng dẫn của GV). [4] - Căn cứ vào môi trường trình diễn TN, TN vật lí có thể phân loại thành TN thực và TN trên máy vi tính. - Đối với TN thực, tập trung vào hai loại hình chính: TN được trang cấp ở trường phổ thông (gọi tắt là TN) và TN tự tạo. Trong phạm vi nghiên cứu, đề tài tập trung vào các loại hình TN tự tạo. 1.3.3.1 Thí nghiệm biểu diễn Là phương pháp dạy học vật lí trong đó giáo viên tiến hành các TN vật lí, tác động lên các đối tượng vật lí nhằm thông qua đó trình bày lại cho học sinh phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu đối tượng vật lí. [7] Các loại TN biểu diễn: [7] - Thí nghiệm vật lí mở đầu: là những TN đơn giản về dụng cụ và về quá trình thực hiện. Về thời gian chúng chỉ chiếm khoảng từ 1 đến 2 phút vào đầu tiết học. Mục đích của loại TN này là nhằm tạo ra một hiện tượng vật lí. Từ đó đặt ra cho học sinh một vấn đề cần nghiên cứu, giải quyết trong lớp học. Một mục đích khác của loại TN này là nhằm kích thích học sinh hứng thú giải quyết vấn đề. - Thí nghiệm nghiên cứu: Là những TN có mức độ và qui mô lớn (Trong phạm vi dạy học) về thiết bị, hệ thống các thao tác và thời gian. Chúng thường chiếm phần lớn thời gian của tiết học trên lớp, hoặc phải tiến hành trên phòng TN với các thiết bị đặc biệt. Mục đích của TN là tác động trực tiếp lên đối tượng để nghiên cứu những thuộc tính vật lí của chúng hoặc tìm ra các quy luật vật lí. Trong loại TN này, người ta còn phân biệt hai loại là thí nghiệm khảo sát và thí nghiệm kiểm chứng – minh họa. + Thí nghiệm khảo sát: Là loại TN được tiến hành theo con đường qui nạp. Từ những kết quả của nhiều lần TN, trong cùng những điều kiện nhất định mà khái quát hóa thành một kết luận chung cho các hiện tượng cùng loại. 9
+ Thí nghiệm kiểm chứng minh họa: Là loại TN được tiến hành theo con đường diễn dịch. Những kết quả của các TN này sẽ kiểm chứng hoặc minh họa cho những kết luận rút ra theo con đường tiên đề hoặc là từ những suy luận toán học, từ những giả thuyết. - Thí nghiệm củng cố: Là loại TN trình bày những ứng dụng của vật lí vào trong khoa học, kĩ thuật và đời sống hoặc nhưng TN thể hiện những hiện tượng vật lí đã học. Mục đích của TN này là để học sinh thấy được vai trò của vật lí trong thực tế và để vận dụng lí thuyết đã học vào việc giải thích chúng, qua đó nắm vững kĩ năng vật lí.  Kĩ thuật và phương pháp tiến hành biểu diễn: [7] - Kĩ thuật tiến hành thí nghiệm biểu diễn: + TN phải được đặt đúng cách. + Phải tìm cách đánh dấu và làm nổi bật những đại lượng thay đổi để học sinh có thể theo dõi được. + Phải làm cho toàn bộ học sinh theo dõi được các dụng cụ và tiến hành TN. + Phải cho học sinh theo dõi được số chỉ của các dụng cụ đo. + Phải cho học sinh thấy được sự thay đổi của các đại lượng phụ thuộc sự thay đổi yếu tố nào của TN. - Phương pháp tiến hành: + Bước 1: Nêu rõ mục đích và phương hướng tiến hành TN. + Bước 2: Vạch rõ kế hoạch TN. + Bước 3: Giới thiệu dụng cụ và lắp đặt TN. + Bước 4: Kiểm tra toàn bộ TN trước khi tiến hành. + Bước 5: Tiến hành TN theo kế hoạch đã định. + Bước 6: Phân tích kết quả và rút ra kết luận. + Bước 7: Tổng kết TN. 1.3.3.2 Thí nghiệm thực hành [7] Là phương pháp dạy học vật lí trong đó giáo viên tổ chức và hướng dẫn cho học sinh thực hành các TN vật lí nhằm mục đích tác động trực tiếp lên đối tượng vật lí để nghiên cứu chúng. 10
Các TN thực hành cũng có thể là những TN nghiên cứu trong vật lí, cũng có thể là những TN lịch sử nhưng đã được cải biến và nhiều TN do các nhà sư phạm thiết kế nhằm mục đích tổ chức học tập cho học sinh. Các loại thí nghiệm thực hành: + Thí nghiệm thực hành trên lớp: Là loại TN do học sinh thực hiện trên lớp học, trong giờ học, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên nhằm mục đích nghiên cứu một kiến thức vật lí mới. + Thí nghiệm thực hành trên phòng thí nghiệm: Là các TN do học sinh thực hiện trên Các phòng TN vật lí của nhà trường với thời gian nhiều hơn, từ một đến hai tiết học. Điểm khác biệt của loại TN này là học sinh trước khi tiến hành TN đã nắm được cơ bản những vẫn đề lí thuyết và hệ thống thao tác nên tự chủ và nâng cao hơn được khả năng hoạt động độc lập cũng như phát triển được tư duy hơn. + Thí nghiệm thực hiện ở nhà: là loại TN do học sinh thực hiện ở nhà dưới sự hướng dẫn trên lớp của giáo viên. Các loại TN này chủ yếu là quan sát, định tính vì học sinh không thể tự làm các TN định lượng nếu không có sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên. 1.3.3.3 Thí nghiệm tự tạo Trong quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo và sử dụng TNTT, các tác giả đã đưa ra những định nghĩa khác nhau về TNTT. Theo tác giả Hans-Joachim Wilke (Đức) “Thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm được dùng trong dạy học vật lí và được tự tạo ra với những vật liệu và dụng cụ phổ biến trong đời sống hằng ngày”. [25] Các tác giả H. Joachim Schlichting, C. Berthold, D. Binzer, M. Herfert, H. Hilscher, J. Kraus, C. Möller... cho rằng: “Thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm được tạo ra với phương tiện chủ yếu là bàn tay với những vật liệu trong đời sống hằng ngày”. [23,24] Theo tác giả Lê Cao Phan: “Thí nghiệm tự làm là thí nghiệm do giáo viên hoặc học sinh thực hiện bằng các nguyên vật liệu dễ tìm kiếm, rẻ tiền, sẵn có ở địa phương, phù hợp với hoàn cảnh của nhà trường và học sinh”. [8] 11
Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ, khái niệm TNTT đã được phát triển. TNTT không chỉ được tạo ra bằng những nguyên vật liệu rẻ tiền, có sẵn mà có thể được tạo ra từ những thiết bị, linh kiện điện tử tinh vi. Theo tác giả Nguyễn Hoàng Anh: ―Thí nghiệm tự tạo là những thí nghiệm từ đơn giản đến phức tạp được tạo ra chủ yếu bằng tay từ những nguyên vật liệu thiết bị, linh kiện phổ biến trong đời sống hằng ngày và được sử dụng trong quá trình dạy học”. [9]  Phân loại thí nghiệm tự tạo: [9] + Thí nghiệm tự tạo đơn giản: Là những TN được tạo ra từ những vật liệu, dụng cụ thông dụng dễ kiếm như: vỏ lon, gỗ,… TNTT đơn giản thường là những TN định tính. + Thí nghiệm tự tạo phức tạp: Là những TN được tạo ra từ các dụng cụ thông dụng nhưng có quá trình gia công, chế tạo dụng cụ TN phức tạp hơn so với TNTT đơn giản. + Thí nghiệm tự tạo hiện đại: Là những thí nghiệm được tạo ra trong đó có sử dụng các loại thiết bị và linh kiện điện tử hiện đại như: vi điều khiển, mạch điện tử, bo mạch,… Những TN này thường là những thiết bị tự động.  Các yêu cầu đối với việc tự tạo thí nghiệm [9] - Về mặt khoa học + Các TNTT được xây dựng phải đảm bảo khi tiến hành TN phải thành công, tạo ra hiện tượng rõ ràng, đúng với bản chất vật lí và điều khiển được các yêu tố tác động. + Quá trình thiết kế, chế tạo cần ứng dụng các thành tựu mới trong khoa học; có câu tạo gọn nhẹ, thuận tiện trong quá trình sử dụng (tháo lắp, bố trí và tiến hành TN); Đảm bảo an toàn trong sử dụng, dễ sửa chữa, bảo quản và vận chuyển.  Về mặt sư phạm + TNTT có thể được sử dụng ở các giai đoạn khác nhau trong quá trình dạy học như: sử dụng trong đề xuất vấn đề nghiên cứu, sử dụng trong hình thành kiến thức mới và sử dụng trong củng cố, vận dụng kiến thức. + Kết quả của TNTT phải gắn liền với nội dung bài học, xuất hiện đúng lúc trong tiến trình DH, đồng thời kết quả TN phải được sử dụng cho mục đích DH một cách hợp lí, logic và không gượng ép.  Về mặt thẩm mĩ 12