Tương tự trong nghiên cứu và trong dạy học vật lí

Chia sẻ: ViSasuke2711 ViSasuke2711 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Những đóng góp mới của bài báo về nghiên cứu lí luận cho khái niệm tương tự được chia thành 4 phần. Phần thứ nhất trình bày tổng quan nghiên cứu về tương tự trong nghiên cứu vật lí và trong dạy học vật lí. Phần thứ hai, bài viết trình bày ngắn gọn về vai trò sự tương tự trong lịch sử phát triển vật lí. Phần thứ ba, bài viết phân tích sâu về vai trò quan trọng của sự tương tự trong sự hình thành một số kiến thức quan trọng điển hình trong vật lí. Phần cuối cùng trình bày về các ví dụ trong dạy học vật lí về sự mở rộng phạm vi áp dụng của sự tương tự điện cơ sang những bài toán nghịch lí.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tương tự trong nghiên cứu và trong dạy học vật lí

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Educational Sci., 2016, Vol. 61, No. 8B, pp. 57-67 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn DOI: 10.18173/2354-1075.2016-0159 TƯƠNG TỰ TRONG NGHIÊN CỨU VÀ TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ Trần Ngọc Chất Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt. Suy luận tương tự là nền tảng hình thành các tri thức vật lí. Phát triển các năng lực nghiên cứu khoa học cho học sinh trong quá trình dạy học cần nhất thiết phải bồi dưỡng cho học sinh khả năng phát hiện sự tồn tại các sự tương tự và vận dụng suy luận tương tự. Những đóng góp mới của bài báo về nghiên cứu lí luận cho khái niệm tương tự được chia thành 4 phần. Phần thứ nhất trình bày tổng quan nghiên cứu về tương tự trong nghiên cứu vật lí và trong dạy học vật lí. Phần thứ hai, bài báo trình bày ngắn gọn về vai trò sự tương tự trong lịch sử phát triển vật lí. Phần thứ ba, bài báo phân tích sâu về vai trò quan trọng của sự tương tự trong sự hình thành một số kiến thức quan trọng điển hình trong vật lí. Phần cuối cùng trình bày về các ví dụ trong dạy học vật lí về sự mở rộng phạm vi áp dụng của sự tương tự điện cơ sang những bài toán nghịch lí. Từ khóa: Tương tự, phương pháp dạy học, vật lí, dạy học, nghịch lí. 1. Mở đầu Câu nói nổi tiếng từ một nhà khoa học vào thời cổ đại “Sự hiểu biết của những thứ chưa biết nằm ở ngay những điều đã biết” đã cho thấy, ý thức về tầm quan trọng của suy luận tương tự đã tồn tại từ rất lâu. Một loạt các tri thức khoa học vật lí được hình thành trong lịch sử đã được Kuhn đúc kết trong cuốn sách “Tương tự dưới góc nhìn lịch sử, phương pháp luận và phương pháp dạy học” [1]. Trong cuốn sách này ông đã liệt kê rất nhiều các ví dụ sự hình thành các lí thuyết vật lí mới, trong đó ông có phân tích vai trò quan trọng của suy luận tương tự như là một công cụ khám phá tất yếu, không thể thiếu trong việc xây dựng các kiến thức vật lí. Với nhà nghiên cứu Glynn [2] ông còn chỉ ra, dù tương tự đóng vai trò là công cụ hình thành các lí thuyết, nhưng công cụ này thường bị lãng quên khi các lí thuyết mới ra đời. Do vậy, việc tìm hiểu lại con đường hình thành các kiến thức khoa học, mà ở đó sự phát hiện các sự tương tự cũng như vận dụng các suy luận tương tự với nhiệm vụ khám phá, đóng vai trò quan trọng. Từ đó, ông đưa ra mô hình dạy học trong đó có các quy tắc phát hiện sự tương tự và vận dụng các suy luận tương tự với quan điểm: dạy học, song song với học được kiến thức cần phải học được cách suy nghĩ tìm ra kiến thức. Cùng có nhiều quan điểm chung với Glynn, nhưng Duit [3] đã tìm hiểu sâu về vai trò tương tự và mối quan hệ với phép ẩn dụ thường xuất hiện trong văn học cũng như trong đời sống hàng ngày. Theo đó sự tương tự trong nghiên cứu khoa học được truyền cảm hứng từ những phép ẩn dụ đời thường. Với Coll [4], ông coi các phép suy luận tương tự là cơ sở để xây dựng các mô hình nhằm xây dựng các kiến thức khoa học. Việc coi trọng suy luận tương tự trong dạy học sẽ thúc đẩy quá Ngày nhận bài: 10/7/2016. Ngày nhận đăng: 20/9/2016. Liên hệ: Trần Ngọc Chất, e-mail: ngocchat1014@gmail.com 57 Trần Ngọc Chất trình học của học sinh, không những nắm vững kiến thức, mà còn phát triển nhận thức cũng như siêu nhận thức. Sự tương tự trong dạy học vật lí được Krause phân tích và phân loại thành 3 lớp (Hình 1). Tương tự trong cấu trúc, tương tự trong nguyên lí khám phá và lớp cao nhất là tương tự như một phương tiện để chuyển hóa các nguyên lí nền tảng của vật lí [5]. Theo đó các lí thuyết phức tạp của vật lí đều được hình thành chỉ từ một vài nguyên lí cơ bản, như nguyên lí đối xứng, nguyên lí bảo toàn, nguyên lí cực trị v.v. . . Bên cạnh nhiều nghiên cứu chuyên sâu về lí luận, cũng có rất nhiều nghiên cứu áp dụng cụ thể việc dạy học, chú trọng phương pháp tương tự nhằm phát triển các năng lực tích cực của học sinh trong khi hình thành các kiến thức mới. Như các áp dụng trong dạy học về tương tự trong cơ học của Clement [6], tương tự trong phần Hình 1: Sơ đồ phân loại tương tự sóng điện từ của Podolefsky [7], tương tự trong phần điện của Krause cơ bản của Dupin [8] và các ví dụ tương tự của Kaiser [9] khi dạy học phần thuyết động học chất khí và điện động lực học. Ở Việt Nam, các nghiên cứu về đề tài tương tự trong dạy học vật lí cũng đã được một số nhà nghiên cứu triển khai. Tiêu biểu trong số đó là nghiên cứu sâu sắc của Nguyễn Đức Thâm và Nguyễn Ngọc Hưng [10] về khái niệm tương tự. Trong đó các tác giả đã định nghĩa 3 khái niệm: Sự tương tự, Suy luận tương tự và Phương pháp tương tự. Tại nghiên cứu này, một loạt công thức được sơ đồ hóa của suy luận tương tự cũng được đưa ra. Trong phần phương pháp tương tự, hai tác giả đã đề cập phương pháp tương tự trong nghiên cứu vật lí, các giới hạn của phương pháp tương tự, vai trò của phương pháp tương tự trong dạy học vật lí, ngoài ra nhiều ví dụ tiêu biểu trong dạy học cũng đã được trình bày ngắn gọn. Thông qua việc tìm hiểu ưu điểm và giới hạn các nghiên cứu trên, trong phần nghiên cứu được trình bày dưới đây, tác giả sẽ không tiếp tục đi sâu bàn bạc thêm về lí luận về khái niệm tương tự, cái mà đã được trình bày rất rõ ràng như các nghiên cứu trên. Bài báo cũng không đề cập hay mở rộng các ví dụ ở các nghiên cứu trên đã triển khai trong dạy học, mà ở đó đã có những phân tích rất sâu sắc về vai trò của tương tự. Thay vào đó, những đóng góp mới của nghiên cứu sẽ được cô đọng và trình bày trong 3 phần. Phần thứ nhất sẽ chắt lọc ngắn gọn một số nghiên cứu khoa học về vật lí tiêu biểu trong từ thời cổ đại có liên quan nhiều đến sự tương tự. Phần nội dung này dựa chủ yếu vào các nghiên cứu rất rộng của Kuhn. Phần thứ hai, tác giả phân tích sâu sắc hơn so với sự phân tích của các nghiên cứu đã đề cập bên trên, về một số ví dụ tiêu biểu quan trọng trong sự hình thành một số lí thuyết vật lí cơ bản tiêu biểu, nhằm chỉ rõ vai trò sự tương tự trong nghiên cứu vật lí. Phần thứ ba sẽ đề cập tới ba ví dụ nghịch lí liên quan tới sự tượng tự trong dạy học, với mong đợi chúng sẽ có tính bất ngờ và do đó hi vọng chúng sẽ giúp tạo hứng thú học tập cho học sinh. 2. 2.1. Nội dung nghiên cứu Lịch sử của khái niệm tương tự ′ Khái niệm tương tự đã được người Hy Lạp dùng từ thời cổ đại (α ναλoγι′ α, có nghĩa là tương ứng tỉ lệ, sự hòa hợp với nhau hay sự giống nhau) [11]. Trong thời cổ đại Anaxagoras (500 420 TCN) đã coi tương tự như là một nguyên tắc để suy ra những điều chưa biết từ những điều đã biết. Ông chính là tác giả của câu nói đề cập trên đầu bài báo. Euclid (Khoảng năm 330-270 TCN) đã có những quan điểm nền móng cho suy luận tương tự là quy luật liên hệ ba yếu tố: Hai yếu tố, mà mỗi yếu tố này đều liên quan tới yếu tố khác, thì 58 Tương tự trong nghiên cứu và trong dạy học Vật lí chúng liên quan với nhau. Empedocles (490–430 TCN) đã có một loạt ví dụ về áp dụng quy luật tương tự. Theo ông thì thế giới tự nhiên được cấu tạo bởi 4 yếu tố là lửa, đất, không khí và nước. Do được cấu tạo chung như vậy nên thế giới vật chất có các mối liên hệ với nhau, và do đó chúng sẽ tương tự nhau. Một trong những ví dụ của ông là chỉ ra sự tương tự khi so sánh giữa giác mạc mắt và cái vỏ đèn lồng. Một bên so sánh là võng mạc, coi như vỏ bọc nước kín nhưng lại cho ánh sáng xuyên qua, còn bên được so sánh là cái vỏ đèn lồng, coi như vỏ bọc kín gió nhưng cũng cho ánh sáng xuên qua. Một trong những ghi chép nổi tiếng của ông là về sự giải thích nguyên tắc hoạt động máy bơm nước, thông qua các phân tích về sự tương tự của cơ chế hoạt động máy bơm nước và cơ chế hít thở của con người. Aristoteles (384-322 TCN) cũng đưa ra những quy luật liên hệ ba yếu tố và có nhiều ví dụ áp dụng cho mối liên hệ giữa các đối tượng tự nhiên. Ở đây suy luận tương tự đã được làm sáng tỏ hơn. Trong khi suy luận quy nạp (quy những cái riêng về cái chung), quy luật diễn dịch (suy từ cái chung ra cái riêng) thì suy luận tương tự lại là sự suy luận từ những cái riêng này áp dụng cho những cái riêng khác. Ví dụ, ông cho là vây của con Hình 2: Mô hình 5 khối đa diện trưng cá có sự tương tự với cánh của con chim. Tuy nhiên, tỉ bày trong vườn lâu đài Bagno – Đức. lệ kích cỡ của vây cá và con cá so với tỉ lệ kích cỡ của Theo Platon 5 khối đa diện này tương cánh chim và con chim không có sự tương tự nào. Những tự với 5 yếu tố cơ bản cấu thành người theo học thuyết của Pythagoras (570 – 495 TCN) thế giới. còn cho rằng có sự tương tự giữa các quãng âm trong âm nhạc và khoảng cách tới các hành tinh. Với Platon (427-347 TCN) đã hoàn thành một hệ tư tưởng về tương tự với tên gọi “Timaios”. Trong khi theo Aristotle các hiện tượng quan sát được chính là những đối tượng trực tiếp của sự hiểu biết tự nhiên, thì theo Platon các hiện tượng tự nhiên cần được tìm trong các dạng toán học. Các hiện tượng được cảm nhận được chẳng qua là sự phản ánh từ những thực thể toán học. Mối liên kết giữa thế giới của toán học và thế giới của các hiện tượng tự nhiên được tạo nên bởi khái niệm tương tự. Khác với Empedocles, Platon coi thế giới cấu tạo bởi 5 yếu tố, đó là các khối đa diện đều (Hình 1) [12] Trong các yếu tố lửa, đất, không khí và nước thì tương tự với các khối tứ diện, lục diện, bát diện và khối 20 mặt. Còn khối 12 mặt thì sắp đặt sự tương tự của không gian vũ trụ (Môi trường ête). Các tư tưởng từ xa xưa về các quan điểm tương tự của Platon vẫn được Heisenberg (1901-1976) xem xét sâu sắc khi ông đưa ra các nền tảng lí thuyết về các hạt cơ bản, mà ở đó cách cư xử của sự đối xứng của các hạt được tìm trong các sự miêu tả đối xứng toán học. Kepler (1571 – 1630) có quan điểm “sự tương tự là những người thầy đáng tin cậy nhất của tôi khi khám phá những bí ẩn của tự nhiên“ [13]. Ông đã áp dụng lí thuyết tương tự của Platon trong việc nghiên cứu quỹ đạo các hành tinh. Ông coi quỹ đạo của các hành tinh Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất, Sao Hỏa, Sao Mộc và Sao Thổ có sự tương tự với các hình nguyên tố của Platon là Hình 8 mặt, 20 mặt, 12 mặt, tứ diện và lập phương. Cụ thể, các quỹ đạo của 6 hành tinh này nằm trên 6 mặt cầu lồng vào nhau tương ứng lần lượt ngoại tiếp và nội tiếp 5 hình khối nguyên tố của Platon (Hình 3) [14]. Sau này, khi thấy sự không phù hợp với các dữ liệu quan sát, ông đã coi mặt trời hút các hành tinh tương tự với kiểu lực từ (tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Tại thời điểm của ông định luật hấp dẫn chưa được tìm ra). Trên cơ sở đó ông phát hiện ra sẽ có sự lệch tâm của quỹ đạo và tìm ra 3 định luật nổi tiếng. Ngoài ra, sự tương tự còn được thể hiện chính trong quan điểm thần học của ông, trong đó ông coi quan hệ của đức Chúa Cha, Chúa Con và Chúa Thánh Linh tương tự quan hệ của Mặt trời, hệ các sao và không gian vũ trụ (mà thời đó coi là ête). 59 Trần Ngọc Chất Không giống như sự tương tự có tính tôn giáo, Galilei (1564-1642) thu được các tri thức cũng như các giả thuyết thông qua sự tương tự có tính thực tế, quan sát được. Trong đó có sự quan sát “mặt trăng” của hành tinh Sao Mộc đã góp phần khẳng định tính đúng đắt của thuyết nhật tâm do Kopernik (1473-1543) đề xuất. Trong đó Sao Mộc hút mặt trăng của nó cũng tương tự như mặt trời hút các hành tinh khác, bác bó quan điểm trái đất là trung tâm vũ trụ hút các ngôi sao và hành tinh khác. Hình 3: Mô hình biểu diễn quan điểm 2.2. Sự tương tự trong các nguyên tắc khám ban đầu của Kepler, đó là qũy đạo các phá trong nghiên cứu hành tinh có sự tương tự với các khối 2.2.1. Sự tương tự của các nguyên lí cực trị đa diện Platon. Các nguyên lí cực trị, mà chủ yếu là cực tiểu đóng vai trò đặc biệt quan trọng khi tìm hiểu thế giới tự nhiên, ở đó các đại lượng cơ bản (ví dụ thời gian diễn biến của một quá trình hay của một tác động) được cho là cần phải có giá trị cực trị. Nguyên lí này được coi như là nền móng của các mối liên hệ trong tự nhiên. Để dễ hình dung nguyên lí này ta xét ví dụ sau: Ví dụ minh họa sự tương tự triết lí giữa sự kiện trong đời sống hàng ngày và nguyên lí cực trị của đường truyền ánh sáng (Hình 4): Anh nhân viên cứu hộ bãi tắm biển tại điểm A ở trên bờ (môi trường 1), cần giải cứu gấp một trường hợp đuối nước khi tắm biển tại B (môi trường 2). Đường d là danh giới giữa biển và bờ. Nhân viên cứu hộ sẽ phải chọn con đường đi sao cho tốn ít thời gian nhất (chứ không phải quảng đường ngắn nhất). Theo kinh nghiệm, nhân viên cứu hộ sẽ không chọn con đường Hình 4: Nhân viên cứu hộ sẽ chọn quỹ thẳng ngắn nhất AI0 B. Anh ta sẽ đương nhiên không đạo giải cứu tương tự như cách thức chọn chọn AI1 B với ý định quãng đường chạy bộ ngắn ánh sáng chọn đường đi nhất và cũng không AI2 B với ý định quãng đường bơi dưới nước ngắn nhất. Anh ta sẽ quyết định chọn quỹ đạo gẫy khúc AIB, dù không phải là quỹ đạo ngắn nhất nhưng thời gian tiếp cận người đuối nước theo kinh nghiệm của cứu hộ là nhanh nhất. Điều này cũng tương tự như ánh sáng truyền từ điểm A đến B, nó phải truyền qua hai môi trường trong suốt có chiết suất n1 và n2 khác nhau, ánh sáng sẽ không đi theo con đường ngắn nhất (đường thẳng) mà nó sẽ chọn con đường đi nhanh nhất tới B, đó là đường gãy khúc. Ngoài ra, nếu tốc độ truyền sáng c1 trong môi trường 1 lớn hơn tốc độ truyền sáng c2 trong môi trường 2 (tức chiết suất n1 < n2 ), thì I nằm giữa I2 I0 và trong trường hợp ngược lại thì I nằm giữa I1 I0 . I càng gần I0 nếu tốc độ truyền sáng giữa 2 môi trường càng ít khác biệt. I càng gần I2 nếu c1 »c2 và I càng gần I1 nếu c1 «c2 . Điều này hoàn toàn tương tự khi áp dụng việc lựa chọn đường đi cứu hộ: Nếu tốc độ di chuyển v1 trên bờ của cứu hộ nhanh hơn tốc độ di chuyển v2 dưới nước thì I nằm giữa giữa I2 I0 . Ngược lại, v1