Sử dụng thí nghiệm tự thiết kế trong dạy học Vật lí nhằm phát triển năng lực sáng tạo của học sinh

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE DOI: 10.18173/2354-1075.2016-0180 Educational Sci., 2016, Vol. 61, No. 8B, pp. 242-248 This paper is available online at XÂY DỰNG CÁC NHIỆM VỤ HỌC TẬP NHẰM HÌNH THÀNH NĂNG LỰC THỰC NGHIỆM CỦA HỌC SINH Xaypaseuth VYLAYCHIT Trường Cao đẳng Sư phạm Saravane, Lào Tóm tắt. Năng lực thực nghiệm là một trong những năng lực chuyên biệt của môn vật lí. Trong bài báo này chúng tôi đề xuất cấu trúc năng lực thực nghiệm và đề xuất biện pháp phát triển năng lực thực nghiệm thông qua tổ chức các nhiệm vụ học tập. Từ khóa: Năng lực thực nghiệm, nhiệt học, thí nghiệm, phát triển năng lực, hoạt động học tập. 1. Mở đầu Hiện nay, nước Cộng Hòa Dân Chủ Nhân Dân Lào đang bước vào thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa để theo kịp với sự phát triển khoa học công nghệ, hòa nhập với nến kinh tế thế giới – nền kinh tế tri thức [1]. Trước yêu cầu đó, đòi hỏi nền giáo dục phải đào tạo những con người đủ tri thức, năng lực trí tuệ và phẩm chất đạo đức. Cho nên việc dạy học bộ môn vật lí ở trường trung học phổ thông cũng như trường trung học cơ sở cũng đã được quan tâm nghiên cứu nhằm đổi mới nhiều trên nhiều phương diện: chẳng hạn như mục tiêu, nội dung trong chương trình sách giáo khoa và đặc biệt là việc đổi mới phương pháp dạy học ở tất cả các cấp học, bậc học.Yêu cầu về sự phát triển năng lực trong đó có năng lực thực nghiệm của học sinh trong học tập đã được đặt ra, các hoạt động dạy học phải tạo điều kiện cho học sinh được giải quyết vấn đề, tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của giáo viên. Mặt khác, trong môn vật lí, việc sử dụng thí nghiệm ở trường phổ thông còn rất hạn chế, đặc biệt ở Lào, chưa có những nghiên cứu về việc sử dụng thí nghiệm theo hướng phát triển năng lực học sinh. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Định hướng phát triển năng lực của học sinh Dạy học theo định hướng phát triển năng lực là một xu thế toàn cầu. Môn vật lí ngoài nhiệm vụ phát triển những năng lực chung mà mỗi học sinh cần có, còn có nhiệm vụ phát triển năng lực thực nghiệm, một năng lực hết sức quan trọng. Đã có một số tác giả nghiên cứu các biện pháp khác nhau để dạy học, đánh giá năng lực thực nghiệm [2]. Tuy nhiên đối với giáo viên cấp trung học cơ Ngày nhận bài: 10/07/2016. Ngày nhận đăng: 08/09/2016. Liên hệ: Xaypaseuth Vylaychit, e-mail: vxayparseut@yahoo.com. 242 Xây dựng các nhiệm vụ học tập nhằm hình thành năng lực... sở, cần có sự chỉ ra rõ ràng cách thức xây dựng các nhiệm vụ học tập cụ thể để phát triển những chỉ số hành vi cụ thể của năng lực thực nghiệm. 2.2. Cấu trúc năng lực thực nghiệm Để xây dựng cấu trúc năng lực, chúng tôi vận dụng mô hình xây dựng cấu trúc năng lực trong bài báo [3]. Trước hết, chúng tôi sử dụng quan niệm về năng lực của Weinert [4]. “Năng lực là những khả năng và kĩ xảo học được hoặc sẵn có của cá thể nhằm giải quyết các tình huống xã định, cũng như sự sẵn sàng về động cơ, xã hội và khả năng vận dụng các cách giải quyết vấn đề một cách có trách nghiệm và hiệu quả trong những tình huống linh hoạt” và đưa ra định nghĩa năng lực thực nghiệm như sau: Năng lực thực nghiệm, với tư cách là một năng lực nhận thức khoa học, được hiểu là năng lực nghĩ ra (thiết kế) phương án thí nghiệm khả thi cho phép đề xuất hoặc kiểm tra những giả thuyết hay phỏng đoán khoa học và thực hành được thí nghiệm thành công để rút ra kết quả cần thiết. Năng lực thực nghiệm là một trong những năng lực đặc thù được hình thành thông qua DH bộ môn vật lí. Khi giải các bài tập thí nghiệm, HS luôn phải vận dụng tổng hợp các kiến thức, lí thuyết, kết hợp các khả năng, hoạt động trí óc và thực hành các vốn hiểu biết về vật lí, kĩ thuật và thực tế đời sống. Vì vậy, có thể từ các nhiệm vụ học tập này sẽ bồi dưỡng năng lực thực nghiệm cho học sinh. Trên cơ sở tìm hiểu các nghiên cứu trong và ngoài nước [2], [3], chúng tôi tổng hợp, đề xuất cấu trúc năng lực thực nghiệm bao gồm các thành tố sau: - Đưa ra các dự đoán giả thuyết và xác định vấn đề cần nghiên cứu. - Thiết kết các phương án thí nghiệm (PATN). - Tiến hành PATN đã thiết kế. - Xử lí, phân tích và trình bày kết quả. - Chế tạo ứng dụng kĩ thuật của vật lí. Các thành tố được mô tả cụ thể thành các chỉ số hành vi sau: Đưa ra các dự đoán giả thuyết và xác định vấn đề cần nghiên cứu là đưa ra được các dự đoán giả thuyết có căn cứ, giả thuyết này phải có được câu tra lời hợp lí, có chứng cứ. Thiết kế các PATN bao gồm các chỉ số hành vi: - Xác định mục đích TN cần tiến hành. - Xác định các biến số, các chỉ số cần quan sát hoặc đo đặc các PATN. - Lựa chọn các dụng cụ TN. - Xây dựng sơ đồ TN. - Xác định cách thức quan sát, thu thập số liệu và trình bày số liệu. - Phân tích số liệu và rút ra kết luận. Thực hành PATN đã thiết kế bao gồm các chỉ số hành vi: - Biết sử dụng các dụng cụ TN. - Chuẩn bị, lắp đặt TN theo sơ đồ đã chuẩn bị. 243 Xaypaseuth Vylaychit - Tiến hành TN. Thu thập, xử lí, phân tích và trình bày kết quả bao gồm các chỉ số hành vi: - Quan sát thu thập thông tin, số liệu. - Trình bày thông tin (hiện tượng vật lí), số liệu (dưới dạng bảng số liệu) và xử lí (tính giá trị trung bình, sai số, vẽ đồ thị). - Đánh giá kết quả (Nguyên nhân sai số, các khắc phục cho các lần đo sau). Chế tạo ứng dụng kĩ thuật của vật lí bao gồm các chỉ số hành vi: - Xác định được cơ sở lí thuyết cần thiết (để làm gì, dùng ở đâu, ứng dụng khi nào). - Tìm hiểu cụ thể về các linh kiện cấu thành sản phẩm (tìm kiếm thông tin). - Lên sơ đồ thiết kế mẫu về sản phẩm. - Vẽ chi tiết chế tạo các bộ phận trên sản phẩm. - Lắp ráp và vận hành thử sản phẩm. - Biết hợp tác, vận dụng các cá nhân và tổ chức hỗ trợ về mọi mặt (kĩ thuật, tài chính, nhân lực,...) để đạt được mục tiêu và sản phẩm. Dựa trên các nghiên cứu lí luận [5], chúng tôi đề xuất các mức độ năng lực thực nghiệm gồm 4 mức độ như sau: Mức độ 1 Là mức độ thấp nhất, ở mức độ này HS cần tới sự hướng dẫn của GV hay tài liệu. GV có thể tiến hành thí nghiệm mẫu, HS làm theo hoặc GV chuẩn bị tài liệu hướng dẫn về mức đích thí nghiệm, cơ sở lí thuyết, dụng cụ, cách bố trí, thứ tự thao tác thí nghiệm, bảng biểu, hướng dẫn báo cáo thí nghiệm, HS tìm hiểu cách kiến thức, cách thức tiến hành, biểu hiện năng lực thực nghiệm ở mức độ này được thể hiện qua một số kĩ năng như: - Quan sát, mô tả, giải thích được hiện tượng vật lí. - Giải thích cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, cách sử dụng của thiết bị thí nghiệm. - Thực hành được thí nghiệm theo mẫu, theo tài liệu hướng dẫn. - Xử lí số liệu, phân tích, trình bày kết quả. - Tích cực, an toàn, trách nhiệm trong quá trình làm thí nghiệm. Đối với kĩ năng quan sát cần thấy được những vấn đề trong đối tượng mình quan sát. Hiểu được bản chất của hiện tượng vật lí, do đó có thể giải thích được hiện tượng hay có khả năng đưa ra được các dự đoán về hiện tượng vật lí (đại lượng vật lí) có căn cứ (đưa ra được câu trả lời hợp lí, có lí lẽ, chứng cứ) trước khi thực hiện thí nghiệm tìm hiểu công dụng, cách sử sụng thiết bị thí nghiệm ví dụ như: hiểu cách sử dụng nhiệt kế y tế, nhiệt kế hiện số. . . biết cách thu thập só liệu, biết cách sử dụng sai số dụng cụ, sai số ngẫu nhiên, để đưa ra sai số phép đo, có thể tính toán đưa ra kết quả và sai số của đại lượng cần xác định, đánh giá chúng. Đảm bảo các nguyên tắc về an toàn nghiêm túc trong quá trình làm thí nghiệm. Mức độ 2 Ở mức độ này vai trò của GV giảm dần, HS chủ động hơn trong quá trình thực nghiệm. HS biết vận dụng kiến thức, liên kết các kiến thức, kinh nghiệm để có thể đề xuất phương án cải tiến cách thức thí nghiệm hoặc đề xuất các phương án thí nghiệm khác. Các biểu hiện của HS trong 244 Xây dựng các nhiệm vụ học tập nhằm hình thành năng lực... gian đoạn này như sau: - Kĩ năng thiết kế các phương án thí nghiệm hay cải tiến các thiết bị thí nghiệm. - Kĩ năng lựa chọn và bố trí dụng cụ thí nghiệm (vẽ được sơ đồ). - Tự lập kế hoạch tiến hành thí nghiệm. - Kĩ năng tiến hành phương án thí nghiệm đã thiết kế - Trình bày kết quả đo dưới dạng lập bảng. - Tính toán kết quả sai số, xử lí bằng đồ thị (nếu có). - Đánh giá kết quả thí nghiệm rõ ràng mạch lạc. Mức độ 3 Ởmức độ này ngoài kĩ năng thiết kế các phương án thí nghiệm cũng như cải tiến thí nghiệm, HS có khả năng chế tạo được những dụng cụ thí nghiệm tương ứng. tiến hành các thí nghiệm theo các phương án đề ra. Đánh giá, cải tiến để có kết quả thí nghiệm. Các kĩ năng như chọn lựa dụng cụ, bố trí hay tiến hành thí nghiệm thuần thũ hơn. So với mức độ trước thì một số biểu hiện nổi bật là: - Với một mục đích thí nghiệm, đề xuất được nhiều phương án đo. - Chế tạo được thiết bị thí nghiệm đơn giản tương ứng. - Đánh giá tính khả thi, tính chín xác của các phương án. Mức độ 4 Là mức độ cao nhất ở mức độ này cần như không cần đến vai trò của GV. GV bây giờ chỉ đóng vai trò tư vấn. HS tự phát hiện ra vấn đề, tự xác định mục đích thí nghiệm và thiết kết chế tạo dụng cụ thí nghiệm. HS cũng có thể chế tạo những thiết bị ứng dụng. Thực hiện thí nghiệm cũng như xử lí kết quả một cách thuần thục. HS đạt năng lực này đòi hỏi tính tự lực, sáng tạo cao, đồng thời mang lại cho HS năng lực giải quyết vấn đề để giúp các em có khả năng ứng phó với tình huống mới. Các biểu hiện thường thấy trong giải đoạn này là: - Năng lực xác định vấn đề cần nghiên cứu và đưa ra cách dự đoán, giả thuyết. - Tự xác định được mục đích thí nghiệm, cơ sở lí thuyết phép đo. - Tự chế tạo thiết bị, bố trí thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm. - Đánh giá kết quả và trình bày kết quả rõ ràng, mạch lạc. 2.3. Xây dựng các nhiệm vụ học tập phần nhiệt học Để phát triển năng lực, giáo viên cần xây dựng các hoạt động học tập trong đó học sinh có cơ hội thực thi các chỉ số hành vi của năng lực đó. Dưới đây chúng tôi xin giới thiệu một số hoạt động cụ thể về một số phần nhiệt học sau [6]. Tương ứng với mỗi nhiệm vụ chúng tôi có liệt kê cách chỉ số hành vi của năng lực thực nghiệm dự kiến học sinh có thể sẽ tiến hành, qua đó phát triển năng lực thực nghiệm của bản thân mình. Các chỉ số hành vi Nhiệm vụ 1: (Cảm giác nóng lạnh) Theo em cảm giác nóng lạnh của con người khi tiếp xúc với vật thể có phản ánh đúng khoảng nhiệt độ của vật không? Hãy thiết kế và tiến hành một vài thí nghiệm để kiểm tra nhận định của em. 245 Xaypaseuth Vylaychit - Dự đoán được việc không phản ánh đúng nhiệt độ qua cảm giác nóng lạnh của con người từ một số hiện tượng thực tế. - Phát biểu mục đích thí nghiệm: chứng tỏ cảm giác nóng lạnh của con người không phản ánh đúng khoảng nhiệt độ của vật thể. - Nêu phương án thí nghiệm: cùng một vật thể nhưng hai tay khác nhau thì cảm giác nóng lạnh khác nhau vì hai tay trước đó có nhiệt độ khác nhau. - Lựa chọn dụng cụ thí nghiệm: 3 bát nước lạnh, nóng, ấm. - Vẽ sơ đồ thí nghiệm. - Nêu các bước tiến hành thí nghiệm: Dùng tay phải nhúng ngập vào bát nước lạnh và tay trái nhúng ngập vào bát nước nóng. Sau 1 phút, đồng thời rút hai bàn tay ra khỏi hai bát nước và đồng thời nhúng ngập vào một bát nước ấm. - Tiến hành thí nghiệm. - Ghi lại kết quả TN: cảm giác nóng lạnh của hai tay. - Nhận xét kết quả TN: cảm giác nóng lạnh của con người không phản ánh đúng khoảng nhiệt độ của vật. - Giải thích: cảm giác nóng lạnh của con người là do có nhiệt truyền từ vật đến người hay từ người đến vật. Nhiệm vụ 2: (Khả năng truyền nhiệt của các vật liệu khác nhau): Đề xuất và tiến hành phương án đánh giá khả năng truyền nhiệt của các loại vật liệu khác nhau. Ví dụ có thể làm với các vật liệu sau: Sắt, nhôm, đồng, gỗ; thủy tinh; nước muối, nước nguyên nhất, không khí, khí CO2. Quá trình truyền nhiệt ở các vật liệu này có giống nhau không? Cho nhận xét. Nêu phương án đánh giá khả năng dẫn nhiệt ở các kim loại khác nhau? Làm thí nghiệm với một vài kim loại thực tế và đưa ra bảng sắp xếp độ dẫn nhiệt tốt của các kim loại. - Đề xuất giả thuyết: Ba loại vật liệu khác nhau sẽ nóng khác nhau khi chúng ta dùng tay nắm từng vật lần lượt. nhưng thực sự của các vật liệu đó đều là nhiệt độ bằng nhau. - Thiết kế phương án thí nghiệm: - Lựa chọn dụng cụ TN: hòn bị sắt, gỗ, nút cao su; một bát sắt, nước nóng nhiệt độ khoảng 70o − 80o, khăn lau sạch. - Tiến hành thí nghiệm: Bỏ ba vật: hòn bi sắt, gỗ và nút cao su cùng một bát sắt, sau đó đổ nước nóng vào bát sắt cho nước đầy. Khoảng thời gian 5 phút thì đổ nước bỏ ra bát sắt cho hết. như hình trên. - Dùng tay nắm các từng vật, sau đó so sánh cảm nhận của da bàn tay. Nhiệm vụ 3: (Sự giãn nở vì nhiệt) Có một quả bóng bàn bị méo, nếu chúng ta đặt quả bóng 246 Xây dựng các nhiệm vụ học tập nhằm hình thành năng lực... bàn vào trong cốc nước, sau đó đổ nước nóng (khoảng) vào cốc nước, hãy dự đoán những gì xảy ra với quả bóng bàn? Làm thí nghiệm kiểm chứng lại đối với sự phán đoán đó. - Học sinh biết và vận dụng được tính chất dãn nở vì nhiệt. - Tiến hành thí nghiệm như đã mô tả trong bài tập và quan sát kĩ hiện tượng. - Giải thích hiện tượng: Khi đổ nước nóng vào cốc nước thì sẽ thấy quả bóng bàn bị méo sẽ căng lại và trở thành quả bóng giống bóng bình thường. - Tiến hành thí nghiệm: Lấy một quả bóng bàn bị méo bỏ vào trong cốc nước trống. Dần dần đổ nước nóng vào cốc nước mà có bóng bàn, cho nước đầy cốc thì chúng ta sẽ thấy một quả bóng bàn bị méo sẽ có hình dạng như quả bóng bàn bình thường. Quả bóng bàn sẽ căng và trở lại hình dạng bình thường bởi vì nó bị dãn nở dưới tác dụng của nhiệt. Bài tập 4: (Đo nhiệt độ của cơ thể) Hãy cho biết nhiệt độ trung bình của con người là bao nhiêu? Hãy làm thí nghiệm để kiểm tra kết quả đó? - Học sinh biết nguyên tắc đo nhiệt độ cơ thể của bản thân. - Biết sử dụng nguyên tắc đó để vận dụng trong cuộc sống hàng ngày. - Thao tác thí nghiệm như đã mô tả trong bài tập và quan sát kĩ hiện tượng. - Tiến hành thí nghiệm: chia nhóm để tiến hành thí nghiệm để đo nhiệt độ (một nhóm là khoảng 5-6 người). - Tính nhiệt độ trung bình của người. Bài tập 5: (Đo nhiệt độ trong lớp) Hãy dự đoán xem về nhiệt độ trong lớp học ở mỗi vị trí như thế nào như ở chỗ nắng, ở cửa số, ở tường, ở góc lớp học,... Tiến hành thí nghiệm để kiểm tra dự đoán đã đề ra? - Học sinh biết được nhiệt độ ở từng vị trí sẽ không bằng nhau và có thể giải thích được hiện tượng trong mỗi vị trí. - Giải thích hiện tượng: Ở mỗi vị trí khác nhau trong lớp học sẽ có nhiệt độ khác nhau. - Thiết kế phương án thí nghiệm: Đặt nhiệt kế dầu ở các vị trí khác nhau trong lớp học để đo nhiệt độ: chỗ có nắng chiếu vào, ngay ở cửa sổ hoặc cửa ra vào, tường trong lớp ở chỗ gần cửa, tường trong lớp ở chỗ xa các cửa, ngay giữa lớp học. - Rút ra kết luận: nhiệt độ ở mỗi vị trí sẽ không bằng nhau, nhiệt độ sẽ tăng hơn hoặc giảm xuống hơn nhiệt độ bình thường là do môi trường khác nhau. Trong phạm vi khuôn khổ bài báo này chúng tôi chưa có cơ hội trình bày quá trình tổ chức dạy học theo các nhiệm vụ trên. Quá trình này sẽ được trình bày trong một bài báo khác. 247 Xaypaseuth Vylaychit 3. Kết luận Việc xây dựng các nhiệm vụ học tập đồng thời chỉ rõ các chỉ số hành vi của năng lực thực nghiệm có thể làm rõ cách thức phát triển năng lực thực nghiệm. Các nhiệm vụ thực nghiệm cần được thực nghiệm sư phạm để đánh giá mức độ đáp ứng của học sinh trong thực tiễn dạy học. Nhiệm vụ tiếp theo của nghiên cứu sẽ là tiến hành tổ chức dạy học các hoạt động học tập đã xây dựng và sử dụng các công cụ đánh giá tương ứng để đánh giá năng lực và từ đó xác định sự phát triển năng lực thực nghiệm của học sinh. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Giáo dục Lào, 2010. Chiến lược và Kế hoạch tổng thể sự phát triển giáo dục 2010 - 2020. Viêng Chăn. [2] Nico Schreiber, Heike TheyBen, Horst Schecker,2011. Experimentelle Kompetenz messen. PhyDid B-Didaktik der Physik - Beitra¨ge zur DPG-Fru¨hjahrstagung 2(1) pp. 92-101. [3] Nguyễn Văn Biên, 2014. Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ. Xây dựng các thí nghiệm mở để sử dụng trong dạy học học phần “Thí nghiệm vật lí phổ thông”, Mã số B2012-17-19, Hà Nội. [4] Weinert, Franz E. (Hrsg), 2001. Leistungsmessungen in Schulen. Weinheim und Basel. [5] Nguyễn Văn Biên, 2013. Xây dựng chuyên đề thí nghiệm mở để bồi dưỡng học sinh chuyên. Tạp chí Giáo dục, Số đặc biệt tháng 11, tr. 119-121. [5] Sách giáo khoa Khoa học lớp 8, 2014. Viêng Chăn. ABSTRACT Construct Learning activitest to Develop of Student’s Experimental Competency Xaypaseuth Vylaychit Saravane Teachers Training College, Laos The experimental competency is a specialized competency of physics. In this paper we propose experimental competency structure and propose some learning activities to develop experimental competency. Keywords: Learning activities, experimental competency, physics, heat, temperatur. 248