Luận án tiến sĩ Khoa học giáo dục: Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương Dòng điện trong các môi trường Vật lí 11 nhằm phát triển NLKH cho học sinh trung học phổ thông

Chia sẻ: Trần Văn Ha | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:193

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài là Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” Vật lí 11 nhằm phát triển năng lực khoa học cho học sinh.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Khoa học giáo dục: Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương Dòng điện trong các môi trường Vật lí 11 nhằm phát triển NLKH cho học sinh trung học phổ thông

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM LÊ CHÍ NGUYỆN XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC CHƢƠNG “DÕNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƢỜNG” VẬT LÍ 11 NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC KHOA HỌC CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ THÁI NGUYÊN - 2019
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM LÊ CHÍ NGUYỆN XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC CHƢƠNG “DÕNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƢỜNG” VẬT LÍ 11 NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC KHOA HỌC CHO HỌC SINH TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Ngành: Lý luận và phƣơng pháp dạy học bộ môn Vật lý Mã số: 9140111 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. PGS.TS NGUYỄN VĂN KHẢI 2. TS. CAO TIẾN KHOA THÁI NGUYÊN - 2019
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tác giả. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, khách quan và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kì công trình khoa học nào. Thái Nguyên, tháng 7 năm 2019 Tác giả Lê Chí Nguyện i
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đƣợc luận án, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, tới: PGS.TS Nguyễn Văn Khải, PGS.TS Phạm Xuân Quế, TS. Cao Tiến Khoa - ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, ban Chủ nhiệm Khoa Vật lý, các giảng viên trong Bộ môn Giáo dục Vật lý - Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Sƣ phạm - Đại học Thái Nguyên. Các thầy, cô giáo và các em học sinh ở 4 trƣờng THPT tỉnh Ninh Bình và thành phố Hà Nội, đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Ban Giám hiệu trƣờng Đại học Hoa Lƣ - Ninh Bình, lãnh đạo Khoa Tự nhiên, đã tạo điều kiện thuận lợi về vật chất, tinh thần cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, những ngƣời thân đã luôn động viên, trong quá trình học tập và nghiên cứu./. Tác giả Lê Chí Nguyện ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN ............................ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................. v DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................... vi MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Lí do chọn đề tài ............................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 3 3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu .................................................................... 3 4. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 3 5. Giả thuyết khoa học ...................................................................................... 4 6. Phƣơng pháp nghiên cứu............................................................................... 4 7. Những đóng góp mới của luận án ................................................................. 4 8. Cấu trúc của luận án ...................................................................................... 5 Chƣơng 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .......................... 6 1.1. Nghiên cứu về phát triển năng lực khoa học cho học sinh ........................ 6 1.1.1. Các nghiên cứu ở nƣớc ngoài ........................................................... 6 1.1.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam ........................................................... 16 1.2. Nghiên cứu về xây dựng và sử dụng thí nghiệm hỗ trợ dạy học phát triển năng lực khoa học ................................................................................... 19 1.2.1. Nghiên cứu ở nƣớc ngoài ............................................................... 19 1.2.2. Nghiên cứu ở Việt Nam ................................................................. 26 1.3. Nghiên cứu về sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về “dòng điện trong các môi trƣờng”, Vật lí 11 ............................................................. 32 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1................................................................................ 34 iii
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN ......................................... 36 2.1. Một số khái niệm ...................................................................................... 36 2.1.1. Năng lực của học sinh .................................................................... 36 2.1.2. Năng lực khoa học của học sinh..................................................... 39 2.2. Các biểu hiện năng lực khoa học của học sinh trong học tập môn Vật lí.... 40 2.2.1. Biểu hiện NLKH của học sinh theo PISA ...................................... 40 2.2.2. Biểu hiện năng lực Vật lí của học sinh THPT ................................. 41 2.2.3. Biểu hiện NLKH của học sinh THPT trong học tập môn Vật lí .... 43 2.3. Sử dụng thí nghiệm Vật lí trong dạy học phát triển NLKH cho học sinh THPT ....................................................................................................... 45 2.3.1. Thí nghiệm Vật lí ........................................................................... 45 2.3.2. Phân loại thí nghiệm trong dạy học Vật lí...................................... 46 2.3.3. Vai trò của thí nghiệm trong dạy học phát triển NLKH cho học sinh .................................................................................................... 48 2.4. Xây dựng và sử dụng thí nghiệm phát triển NLKH cho học sinh THPT ...... 53 2.4.1. Nguyên tắc xây dựng thí nghiệm ................................................... 53 2.4.2. Quy trình xây dựng thí nghiệm ...................................................... 55 2.4.3. Quy trình sử dụng thí nghiệm phát triển NLKH cho học sinh ...... 56 2.5. Các biện pháp và nguyên tắc sử dụng thí nghiệm hỗ trợ dạy học phát triển NLKH cho học sinh ................................................................................ 62 2.5.1. Biện pháp dạy học phát triển NLKH cho học sinh ..................... 62 2.5.2. Ba nguyên tắc sử dụng thí nghiệm ................................................. 67 2.6. Xây dựng bộ công cụ đánh giá nlkh của học sinh trong học tập vật lí có sử dụng thí nghiệm ..................................................................................... 70 2.6.1. Khái niệm đánh giá ........................................................................ 70 2.6.2. Các phƣơng thức đánh giá NLKH của học sinh trong học tập Vật lí ......................................................................................................... 71 2.6.3. Lƣợng giá tiêu chí đánh giá NLKH của học sinh .......................... 76 iv
2.7. Điều tra thực trạng về dạy học chƣơng “dòng điện trong các môi trƣờng theo quan điểm dạy học phát triển NLKH cho học sinh ..................... 79 2.7.1. Mục đích điều tra ........................................................................... 79 2.7.2. Phƣơng pháp điều tra ..................................................................... 79 2.7.3. Phân tích kết quả điều tra ............................................................... 79 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2................................................................................ 87 Chƣơng 3. XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC KIẾN THỨC VỀ "DÕNG ĐIỆN TRONG KIM LOẠI VÀ CHẤT BÁN DẪN" VẬT LÍ 11 NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC KHOA HỌC CHO HỌC SINH.......................................................... 89 3.1. Xây dựng thí nghiệm và phƣơng án sử dụng trong dạy học một số kiến thức về “dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” phát triển NLKH cho học sinh ........................................................................................ 89 3.1.1. Thí nghiệm khảo sát định lƣợng hiện tƣợng nhiệt điện ................. 89 3.1.2. Thí nghiệm khảo sát đặc tính chỉnh lƣu của điôt bán dẫn ............. 95 3.1.3. Bài tập thí nghiệm: “Sử dụng điôt bán dẫn và đèn LED chế tạo bộ thí nghiệm chứng minh tính chất dẫn điện một chiều của điôt bán dẫn” (thí nghiệm ở nhà)..................................................................... 99 3.2. Sử dụng thí nghiệm đã xây dựng vào dạy học một số kiến thức về “dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn phát triển NLKH cho học sinh . 101 3.2.1. Phân tích nội dung kiến thức khoa học về “Dòng điện trong các môi trƣờng” (Vật lí 11) .................................................................... 101 3.2.2. Sử dụng thí nghiệm trong tiến trình dạy học kiến thức về: “Hiện tƣợng nhiệt điện” (xây dựng kiến thức mới) .......................................... 103 3.2.3. Sử dụng thí nghiệm thực hành đo hệ số nhiệt điện động của cặp nhiệt điện và khảo sát dòng điện đi qua điôt bán dẫn ...................... 111 3.2.4. Sử dụng bài tập thí nghiệm: “Sử dụng 4 điôt bán dẫn và đèn 2 LED chế tạo thí nghiệm chứng minh tính chất dẫn điện một chiều của điôt bán dẫn” (bài tập thí nghiệm ở nhà) ......................................... 118 v
3.3. Xây dựng bộ công cụ đánh giá NLKH của học sinh trong học tập một số kiến thức về “dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11) ........ 122 3.3.1. Đánh giá NLKH của học sinh trong học kiến thức mới .............. 122 3.3.2. Đánh giá NLKH của học sinh trong thực hành thí nghiệm ......... 124 3.3.3. Đánh giá NLKH của học sinh thông qua giải bài tập thí nghiệm ở nhà .......................................................................................... 126 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3.............................................................................. 127 Chƣơng 4. THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM .................................................. 128 4.1. Mục đích, nội dung và nhiệm vụ thực nghiệm sƣ phạm ........................ 128 4.1.1. Mục đích của thực nghiệm sƣ phạm ............................................ 128 4.1.2. Nội dung thực nghiệm sƣ phạm ................................................... 128 4.1.3. Nhiệm vụ thực nghiệm sƣ phạm .................................................. 128 4.2. Phƣơng pháp thực nghiệm sƣ phạm ....................................................... 128 4.3. Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm sƣ phạm ............................. 130 4.3.1. Phân tích diễn biến và đánh giá định tính .................................... 130 4.3.2. Đánh giá định lƣợng..................................................................... 144 KẾT LUẬN CHƢƠNG 4.............................................................................. 152 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 153 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ .......................................... 155 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 156 PHỤ LỤC vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN TT Các chữ viết tắt Ý nghĩa 1 BTTN Bài tập thí nghiệm 2 ĐHSP Đại học sƣ phạm 3 MVT Máy vi tính 4 NLKH Năng lực khoa học 5 NXB Nhà xuất bản 6 PPTN Phƣơng pháp thực nghiệm 7 SGK Sách giáo khoa 8 THCS Trƣờng trung học cơ sở 9 THPT Trƣờng trung học phổ thông C1; C2; C3 10 Năng lực thành tố 1,2,3 (Competency 1,2,3) iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Biểu hiện NLKH của học sinh theo PISA 2015 ......................... 41 Bảng 2.2. Biểu hiện năng lực Vật lí của học sinh THPT ............................ 42 Bảng 2.3. Biểu hiện NLKH của học sinh THPT trong học môn Vật lí theo tác giả .................................................................................. 44 Bảng 2.4. Các động từ mô tả tiêu chí đánh giá theo Chƣơng trình giáo dục phổ thông 2018 .................................................................... 75 Bảng 2.5. Lƣợng giá tiêu chí đánh giá NLKH của học sinh....................... 76 Bảng 2.6. Tổng hợp kết quả từ phiếu trao đổi ý kiến với giáo viên ........... 80 Bảng 2.7. Tổng hợp kết quả từ phiếu trao đổi ý kiến với học sinh............. 80 Bảng 2.8. Thống kế tỷ lệ % về mức độ sử dụng thí nghiệm....................... 83 Bảng 3.1. Tiêu chí giáo viên chấm điểm cho nhóm học sinh ................... 123 Bảng 3.2. Mẫu phiếu ghi điểm của học sinh chấm điểm cho các bạn cùng nhóm ................................................................................ 124 Bảng 3.3. Tiêu chí đánh giá NLKH của học sinh thực hành đo hệ số nhiệt điện động ......................................................................... 124 Bảng 3.4. Tiêu chí đánh giá NLKH của học sinh thực hành khảo sát dòng điện đi qua điôt bán dẫn .................................................. 125 Bảng 3.5. Tiêu chí đánh giá NLKH thông qua giải bài tập thí nghiệm .... 126 Bảng 4.1. Thời gian, địa điểm và giáo viên tiến hành thực nghiệm sƣ phạm .. 129 Bảng 4.2. Thống kê kết quả đánh giá NLKH của học sinh thông qua học kiến thức về hiện tƣợng nhiệt điện .................................... 136 Bảng 4.3. Thống kê kết quả đánh giá NLKH của học sinh thông qua học thực hành đo hệ số αT ........................................................ 138 Bảng 4.4. Thống kê kết quả đánh giá NLKH của học sinh thông qua thực hành khảo sát dòng điện qua điôt ..................................... 140 Bảng 4.5. Thống kê kết quả đánh giá NLKH của học sinh thông qua giải bài tập thí nghiệm ở nhà của học sinh ............................... 142 Bảng 4.6. Kết quả đánh giá NLKH của học sinh ...................................... 147 v
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1. Cấu trúc NLKH theo PISA 2015 ............................................... 40 Hình 2.2. Chu trình sáng tạo khoa học Vật lí theo Razumôpxki ............... 49 Hình 2.3. Quy trình xây dựng tiến trình dạy học kiến thức mới ............... 57 Hình 2.4. Quy trình hƣớng dẫn học sinh thực hành thí nghiệm ................ 59 Hình 2.5. Quy trình hƣớng dẫn học sinh giải bài tập thí nghiệm .............. 61 Hình 2.6. Ba mức độ yêu cầu học sinh đề xuất phƣơng án thí nghiệm ........... 68 Hình 2.7. Ba mức độ yêu cầu học sinh thực hiện thí nghiệm.................... 69 Hình 3.1. Thí nghiệm khảo sát định tính ................................................... 89 Hình 3.2. Mô tả sơ đồ khối kết nối thí nghiệm với MVT ......................... 90 Hình 3.3. Bộ chuyển đổi tín hiệu số USB-NI6001 .................................... 90 Hình 3.4. Cảm biến nhiệt độ ...................................................................... 91 Hình 3.5. Bộ khuếch đại điện áp................................................................ 91 Hình 3.6. Nguồn nhiệt t2 ........................................................................... 92 Hình 3.7. Thí nghiệm khảo sát hiện tƣợng nhiệt điện ............................... 93 Hình 3.8. Kết quả thí nghiệm khảo sát hiện tƣợng nhiệt điện ................... 94 Hình 3.9. Kết quả thực hành đo hệ số nhiệt điện động ............................. 95 Hình 3.10. Thí nghiệm sử dụng đồng hồ DT 920A..................................... 95 Hình 3.11: Sơ đồ khối kết nối thí nghiệm với MVT ................................... 96 Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lí thí nghiệm khảo sát dòng điện thuận .............. 96 Hình 3.13. Sơ đồ nguyên lí thí nghiệm đo dòng điện ngƣợc....................... 97 Hình 3.15. Kết quả thí nghiệm đo dòng điện thuận..................................... 98 Hình 3.16. Kết quả thí nghiệm đo dòng điện ngƣợc ................................... 98 Hình 3.17. Thí nghiệm quan sát dòng điện xoay chiều ............................. 100 Hình 3.18. Chỉnh lƣu ½ chu kì .................................................................. 100 Hình 3.19. Chỉnh lƣu 1 chu kì ................................................................... 100 Hình 3.20. Phân tích nội dung kiến thức khoa học theo (Vật lí 11) hiện hành .................................................................................. 102 Hình 3.21. Sơ đồ tiến trình dạy học kiến thức “Hiện tƣợng nhiệt điện” ... 104 Hình 4.1. Đồ thị biểu diễn mức độ NLKH của lớp thực nghiệm vòng 1.... 146 Hình 4.2. Đồ thị biểu diễn mức độ NLKH của lớp thực nghiệm vòng 2.... 148 Hình 4.3. Đồ thị biểu diễn mức độ NLKH của học sinh ......................... 150 vi
MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Năng lực khoa học của học sinh đã trở thành một vấn đề quan trọng của giáo dục, ở cấp quốc gia và quốc tế khi nhân loại đang đối mặt với những thách thức lớn trong việc cung cấp nƣớc, thực phẩm, kiểm soát bệnh tật, tạo ra đủ năng lƣợng và thích nghi với biến đổi khí hậu (UNEP, 2012),[72]. Nhiều vấn đề thực tiễn - nơi các cá nhân có thể phải đối mặt với các quyết định về sự ảnh hƣởng của khoa học - công nghệ đến sức khỏe và nguồn cung cấp thực phẩm của họ, cũng nhƣ việc sử dụng hợp lý các vật liệu, năng lƣợng và công nghệ mới.... Đối phó với tất cả những thách thức trên đòi hỏi mọi công dân phải có kiến thức khoa học. Theo Ủy ban châu Âu, các giải pháp cho những vấn đề nan giải về chính trị và đạo đức liên quan đến khoa học và công nghệ "không thể là chủ đề của cuộc tranh luận, trừ khi những người trẻ tuổi có nhận thức nhất định về mặt khoa học" (European Commission, 1995), [72]. Điều này không có nghĩa là “biến” tất cả mọi ngƣời thành một chuyên gia khoa học, mà năng lực khoa học có vai trò giác ngộ mỗi con ngƣời trong việc đƣa ra các lựa chọn ít ảnh hƣởng đến môi trƣờng sống của chính mình và cộng đồng. Với kiến thức về khoa học - công nghệ dựa trên khoa học, đã đóng góp đáng kể vào cuộc sống con ngƣời, xã hội và nghề nghiệp của mỗi cá nhân, sự hiểu biết về khoa học - công nghệ là yếu tố trung tâm đối với việc chuẩn bị cho cuộc sống của một thanh thiếu niên. Vì vậy, ở các nƣớc có nền giáo dục tiên tiến, khoa học là một yếu tố bắt buộc trong chƣơng trình Giáo dục từ mẫu giáo đến khi hoàn thành giáo dục phổ thông [72]. Nghị quyết số: 29-NQ/TW, ngày 4 tháng 11 năm 2013 về đổi mới căn bản toàn, diện giáo dục và đào tạo đã chỉ rõ: “Đổi mới chương trình nhằm phát triển năng lực và phẩm chất người học, tăng thực hành, vận dụng kiến thức vào thực tiễn. Đa dạng hóa nội dung, tài liệu học tập, đáp ứng yêu cầu của các bậc học, các chương trình giáo dục, đào tạo. Tiếp tục đổi mới mạnh mẽ phương pháp dạy và học theo hướng hiện đại; phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và vận dụng kiến thức, kỹ năng của người học; khắc phục lối truyền thụ áp đặt một chiều, ghi nhớ máy móc. Tập trung dạy cách học, cách nghĩ, khuyến khích tự 1
học, tạo cơ sở để người học tự cập nhật và đổi mới tri thức, kỹ năng, phát triển năng lực. Chuyển từ học chủ yếu trên lớp sang tổ chức hình thức học tập đa dạng, chú ý các hoạt động ngoại khóa, nghiên cứu khoa học...”. Theo chƣơng trình giáo dục phổ thông (2018) môn Vật lí ở cấp Trung học phổ thông, thí nghiệm, thực hành đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong việc hình thành khái niệm, quy luật, định luật Vật lí. Vì vậy, bên cạnh việc sử dụng các mô hình Vật lí và Toán học, chƣơng trình môn Vật lí chú trọng thích đáng đến việc hình thành năng lực tìm tòi khám phá các thuộc tính của đối tƣợng Vật lí thông qua các nội dung thí nghiệm, thực hành dƣới các góc độ khác nhau.[2] Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các phƣơng tiện kĩ thuật số, thí nghiệm Vật lí kết nối với thiết bị vi tính cũng ngày càng phát triển không chỉ trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học Vật lí mà đã đƣợc sử dụng trong các nhà trƣờng. Các thí nghiệm kết nối với thiết bị vi tính đã cho phép thực hiện đƣợc nhiều thí nghiệm với các phép đo tín hiệu bé (mV) mà trƣớc kia, với thiết bị thí nghiệm truyền thống chƣa thực hiện đƣợc, đặc biệt có thể nghiên cứu không chỉ định tính mà cả mặt định lƣợng của các hiện tƣợng Vật lí. Việc thu thập, xử lí nhanh chóng, chính xác các dữ liệu, tiết kiệm thời gian tiến hành thí nghiệm là một trong những ƣu điểm nổi trội của thí nghiệm kết nối với thiết bị vi tính. Trong những năm qua, mặc dù các trƣờng phổ thông của nƣớc ta đã đƣợc trang bị các thiết bị thí nghiệm theo “Danh mục thiết bị dạy học tối thiểu” của Bộ Giáo dục và Đào tạo, nhƣng hiệu quả sử dụng chúng vẫn còn nhiều hạn chế. Trong đó, các thí nghiệm về “Dòng điện trong các môi trường” (Vật lí 11) hiện hành, số lƣợng thiết bị thí nghiệm thiếu; còn nhiều thí nghiệm định tính, một số phép đo dùng đồng hồ đa năng hiện số có độ chính xác không cao, khó sử dụng chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu dạy học phát triển năng lực cho học sinh. Vì vậy, cần phải hoàn thiện và xây dựng thêm các thí nghiệm kết nối với thiết bị vi tính, có độ chính xác cao, thu thập và xử lí dữ liệu trong thời gian ngắn, tạo điều kiện nhiều hơn về thời gian cho các hoạt động tìm tòi - nghiên cứu, đa dạng hóa hình thức học tập, chuyển phƣơng pháp khoa học thành phƣơng pháp tự học, phát triển năng lực khoa học cho học sinh. Vì những lí do nêu trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là: 2
“Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường” Vật lí 11 nhằm phát triển NLKH cho học sinh trung học phổ thông”. 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” Vật lí 11 nhằm phát triển năng lực khoa học cho học sinh. 3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu + Đối tƣợng nghiên cứu - Hoạt động dạy học và thí nghiệm hỗ trợ dạy và học một số kiến thức về: “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” trong chƣơng trình Vật lí lớp 11 THPT. - NLKH của học sinh THPT trong học tập môn Vật lí + Phạm vi nghiên cứu - Xây dựng, hoàn thiện thí nghiệm hỗ trợ hoạt động dạy và học; Tổ chức hoạt động học một số kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” trong chƣơng trình Vật lí lớp 11 THPT. - Học sinh lớp 11 ở tỉnh Ninh Bình và thành phố Hà Nội. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu 1) Nghiên cứu tổng quan về dạy học phát triển năng lực, đánh giá NLKH của học sinh ở trƣờng phổ thông. 2) Nghiên cứu lí luận dạy học phát triển năng lực, đánh giá NLKH của học sinh THPT trong học tập môn Vật lí. 3) Nghiên cứu vai trò của thí nghiệm Vật lí ở trƣờng THPT trong việc phát triển NLKH cho học sinh. 4) Nghiên cứu thực trạng về sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về “Dòng điện trong các môi trường”, theo định hƣớng dạy học phát triển năng lực cho học sinh. 5) Xây dựng, hoàn thiện 3 bộ thí nghiệm và sử dụng chúng vào thiết kế tiến trình dạy học góp phần phát triển NLKH cho học sinh trong dạy học một số kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn”. 3
6) Xây dựng bộ công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH của học sinh trong tiến trình dạy học có sử dụng các thí nghiệm đã xây dựng. 7) Thực nghiệm sƣ phạm, nhằm đánh giá tính khả thi của các thiết bị thí nghiệm và tiến trình dạy học về khả năng phát triển NLKH cho học sinh trong học một số kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11). 5. Giả thuyết khoa học “Nếu xây dựng được các thí nghiệm và sử dụng chúng để thiết kế tiến trình dạy học phù hợp với lí luận phát triển năng lực trong dạy học một số kiến thức về “Dòng điện trong các môi trường”(Vật lí 11), thì NLKH của học sinh sẽ được phát triển”. 6. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lí thuyết: Nghiên cứu các tài liệu, luận án trong và ngoài nƣớc về lí luận dạy học Vật lí, có sử dụng thí nghiệm phát triển NLKH cho học sinh để xây dựng cơ sở lí luận của luận án. - Nghiên cứu thực tiễn dạy học: Sử dụng phiếu điều tra thu thập thông tin về thực trạng dạy và học Vật lí có sử dụng thí nghiệm, phát triển năng lực học sinh ở trƣờng THPT. - Thực nghiệm khoa học: Chế tạo, hoàn thiện và thử nghiệm thí nghiệm; Dạy thực nghiệm Sƣ phạm ở trƣờng THPT. Đánh giá tính khả thi của việc xây dựng và sử dụng thí nghiệm phát triển NLKH của học sinh THPT. - Thống kê toán học: Sử dụng các phần mềm thống kê chuyên dụng, phân tích kết quả thực nghiệm để đánh giá tính khả thi của luận án. 7. Những đóng góp mới của luận án 7.1. Đóng góp về mặt lí luận - Xây dựng đƣợc 3 nguyên tắc xây dựng và 6 biện pháp sử dụng thí nghiệm hỗ trợ dạy học Vật lí phát triển NLKH cho học sinh THPT. - Xây dựng đƣợc quy trình sử dụng thí nghiệm, hỗ trợ hoạt động dạy và học kiến thức mới, thực hành thí nghiệm và giải bài tập thí nghiệm ở nhà phát triển NLKH cho học sinh. - Xây dựng đƣợc bộ công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH của học sinh THPT trong học tập môn Vật lí có sử dụng thí nghiệm. 4
7.2. Đóng góp về mặt thực tiễn - Xây dựng và đƣa vào sử dụng 3 bộ thí nghiệm dạy và học kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11) phát triển NLKH cho học sinh. - Xây dựng đƣợc tiến trình dạy và học 4 nội dung kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11), có sử dụng các thí nghiệm đã xây dựng nhằm phát triển NLKH cho học sinh. - Xây dựng đƣợc bộ công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH của học sinh trong và sau khi học 4 nội dung kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11). - Bằng những linh kiện bán dẫn phổ biến, rẻ tiền đã thiết kế và chế tạo đƣợc thiết bị thu thập và xử lí số liệu thí nghiệm với các phép đo tín hiệu nhỏ (mV), có độ chính xác cao, phù hợp với dạy học phát triển NLKH cho học sinh ở trƣờng THPT. 8. Cấu trúc của luận án Cấu trúc của luận án, ngoài phần mở đầu, kết luận kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận án gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu Chƣơng 2: Cơ sở lí luận và thực tiễn Chƣơng 3: Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” nhằm phát triển NLKH cho học sinh. Chƣơng 4: Thực nghiệm sƣ phạm 5
Chƣơng 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. NGHIÊN CỨU VỀ PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC KHOA HỌC CHO HỌC SINH 1.1.1. Các nghiên cứu ở nƣớc ngoài Ngày nay, khái niệm năng lực, mô hình năng lực và đánh giá năng lực học sinh dựa trên các tiêu chuẩn đã trở thành phổ biến trong giáo dục và đào tạo. Từ những năm 1950, các nhà giáo dục Mỹ nhƣ Ralph W. Tyler và Benjamin S. Bloom đề xuất quan điểm giáo dục cần dựa trên kết quả đầu ra (outcome-based education- OBE) và các chƣơng trình giáo dục cần xác định các mục tiêu rõ ràng, có thể định lƣợng đƣợc. Giáo dục dựa trên năng lực (competency-based education -CBE) hay dựa trên kết quả đầu ra đã đƣợc phát triển ở các trƣờng đại học vào đầu những năm 1970. Gần 50 năm, dạy học dựa trên năng lực đã đƣợc áp dụng trong giáo dục đại học, giáo dục nghề nghiệp và trong giáo dục phổ thông ở nhiều nƣớc trên thế giới. Có nhiều định nghĩa khác nhau về khái niệm “năng lực”, sự khác biệt chủ yếu ở độ rộng của nội hàm khái niệm. Tùy theo quan điểm tiếp cận mà ngƣời ta chia năng lực thành các dạng thức khác nhau, phổ biến nhất vẫn là cách phân loại năng lực chung và năng lực chuyên biệt. Năng lực đƣợc nhìn nhận một cách chung đó là những năng lực thiết yếu để con ngƣời có thể sống và làm việc trong xã hội, những năng lực này đƣợc hình thành và phát triển do nhiều môn học, liên quan đến nhiều môn học. Tuy nhiên, trong các môn học, năng lực đã đƣợc thu hẹp vào kiến thức, kỹ năng theo một lĩnh vực khoa học hoặc chủ đề cụ thể. Thế kỷ XXI, khoa học, kỹ thuật và công nghệ tác động đến mọi khía cạnh của cuộc sống hiện đại, yêu cầu giáo dục & đào tạo cung cấp lực lƣợng lao động mới sẵn sàng thích ứng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học - công nghệ. 6
Để đáp ứng sự phát triển nhanh chóng của khoa học - công nghệ, các chuyên gia, các nhà khoa học giáo dục trên toàn thế giới, đang tập trung nghiên cứu đổi mới chƣơng trình giáo dục, chuyển từ chƣơng trình giáo dục tiếp cận nội dung sang giáo dục phát triển năng lực ngƣời học, đặc biệt chú trọng đến phát triển NLKH cho học sinh từ cấp phổ thông trung học. Việc nghiên cứu xây dựng chƣơng trình, kiểm tra đánh giá NLKH của học sinh phổ thông ở các nƣớc trên thế giới có thể khái quát nhƣ sau: + Ở Hoa kỳ: Ở Hoa kỳ nghiên cứu xây dựng khung NLKH cho học sinh phổ thông để xây dựng các tiêu chuẩn dạy học các môn khoa học, đƣợc quan tâm từ những năm 1990. Năm 2012, Ủy ban nghiên cứu khoa học quốc gia Hoa kỳ (National Research Council -NRC) tiếp tục phát triển khung NLKH của học sinh trên cơ sở kế thừa các nghiên cứu trƣớc đây và tìm cách xác định, mô tả các ý tƣởng chính cho giáo dục khoa học phổ thông. Điển hình là các nghiên cứu: “Khoa học cho tất cả người Mỹ “(Science for All Americans ) của Hiệp hội vì sự tiến bộ của khoa học Hoa Kỳ (AAAS); “Tiêu chuẩn Giáo dục Khoa học Quốc gia năm 1996” (Benchmarks for Science Literacy) đƣợc phát triển bởi NRC, kết quả của các nghiên cứu này đã đƣợc sử dụng để phát triển các tiêu chuẩn mới cho giáo dục khoa học ở Hoa kỳ. [73, tr 1]. Khung năng lực khoa học của NRC theo ba hƣớng chính, cụ thể là: - Năng lực thực hành khoa học và kỹ thuật - Các khái niệm xuyên suốt, thống nhất trong nghiên cứu khoa học và kỹ thuật thông qua ứng dụng chúng trong các lĩnh vực khoa học. - Ý tƣởng cốt lõi trong chƣơng trình giáo dục gồm bốn lĩnh vực: khoa học Vật lí; khoa học đời sống; trái đất và khoa học vũ trụ; kỹ thuật, công nghệ và ứng dụng của khoa học. [73,tr2] Về năng lực thực hành khoa học và kỹ thuật, khung năng lực trên đề xuất 8 thành tố: 7
- Đặt câu hỏi (cho khoa học) và xác định vấn đề (cho kĩ thuật) (Asking questions (for science) and defining problems (for engineering) - Phát triển và sử dụng các mô hình (Developing and using models). - Lập kế hoạch và thực hiện điều tra, khảo sát (Planning and carrying out investigations). - Phân tích và giải nghĩa dữ liệu (Analyzing and interpreting data). - Sử dụng tƣ duy toán học và tính toán (Using mathematics and computational thinking). - Giải thích (cho khoa học) và thiết kế giải pháp (cho kỹ thuật) Constructing explanations (for science) and designing solutions (for engineering). - Tham gia tranh luận dựa trên bằng chứng (Engaging in argument from evidence). - Thu thập, đánh giá và truyền đạt thông tin (Obtaining, evaluating, and communicating information). [73,tr3] Nhiều chu trình học tập khoa học khác nhau đã đƣợc đề xuất, kể từ khi Robert Karplus giới thiệu chu trình dạy học khoa học vào năm 1962. Carl J. Wenning (2011) giới thiệu chu trình mới về dạy học khoa học Vật lí “phỏng theo” phƣơng pháp nghiên cứu khoa học, gồm 5 giai đoạn: quan sát, thao tác, khái quát, xác minh và áp dụng. [98, tr 8]. Wenning đề xuất chu trình 5 giai đoạn nhƣ sau: + Quan sát (Observation) - Học sinh quan sát một hiện tƣợng thu hút sự quan tâm của họ và suy nghĩ tìm câu trả lời. Học sinh mô tả chi tiết những gì họ đang nhìn thấy và các ví dụ tƣơng tự. Nêu ra vấn đề cần tìm tòi - khám phá. + Thao tác (Manipulation) - Học sinh đề xuất và thảo luận các ý tƣởng để tìm tòi - khám phá và xây dựng các cách tiếp cận nghiên cứu hiện tƣợng họ quan sát đƣợc, lập kế hoạch thu thập dữ liệu định tính và định lƣợng, sau đó thực hiện các kế hoạch đó. 8
+ Khái quát (Generalization) - Học sinh xây dựng các nguyên tắc mới hoặc quy tắc cho các hiện tƣợng khi thấy cần thiết. Học sinh cung cấp một lời giải thích hợp lý về hiện tƣợng này. + Xác minh (Verification) - Học sinh dự đoán và tiến hành kiểm tra bằng cách sử dụng quy tắc chung bắt nguồn từ giai đoạn trƣớc. + Áp dụng (Application) - Học sinh đƣa ra các kết luận độc lập, dựa trên kết quả xác minh của mình. Các kết luận sau đó đƣợc áp dụng cho các tình huống có phần mới (không mới hoàn toàn). Chu trình học tập 5 giai đoạn này nhấn mạnh và chú trọng vào hoạt động học của học sinh hơn là hoạt động dạy của giáo viên, tác giả đã áp dụng chu trình 5 giai đoạn vào dạy thực nghiệm sƣ phạm, hƣớng dẫn học sinh “bắt chước” (mimics) cách mà các nhà khoa học đã làm để dạy khoa học Vật lí cho học sinh ở bang Illinois (Mĩ). Theo tác giả dạy học theo chu trình 5 giai đoạn - “Có lẽ nó đơn giản và chặt chẽ hơn “bắt chước” các quá trình tổng thể của khoa học Vật lí sơ khai”. [98, tr 11]. + Ở các nước Châu Âu: Các quan niệm về khung NLKH ở các nƣớc Tây Âu khá giống nhau, ví dụ ở Đức, Thụy Sĩ và Áo, khung NLKH chung trong các môn khoa học tƣơng tự nhƣ nhau. Sự khác biệt về thành tố NLKH giữa ba quốc gia phần lớn liên quan đến nội dung kiến thức khoa học trong một số môn học cụ thể. Ví dụ: ở Áo môn Vật lí dùng cách truyền thống, phân chia kiến thức Vật lí theo: cơ học, điện từ, nhiệt động lực học, quang học và vật chất. Ở Đức đã áp dụng cho cả ba môn khoa học là năng lƣợng, vật chất, hệ tƣơng tác, ở Thụy Sĩ phân chia theo các chủ đề: vật chất, hành tinh trái đất, năng lƣợng, cơ thể con ngƣời, thực vật và động vật, hệ sinh thái, xã hội và công nghệ. [75, tr 52] Công bố nghiên cứu của Sara Frank Bristow Susan Patrick (2014) nghiên về giáo dục dựa trên năng lực cho thấy: 28 quốc gia thành viên Liên minh Châu Âu đã xác định việc hình thành và phát triển những năng lực chính để học tập suốt đời là một biện pháp quan trọng của Châu Âu trong bối cảnh toàn cầu hóa 9