Luận văn Vận dụng phương pháp thực nghiệm vào dạy học chương "động lực học chất điểm" và chương "các định luật bảo toàn" Vật lí lớp 10 với sự hỗ trợ của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH DƯƠNG QUỐC VIỆT VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀO DẠY HỌC CHƯƠNG "ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM" VÀ CHƯƠNG "CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN" VẬT LÍ LỚP 10 VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM ẢO Chuyên ngành : Lí luận và phương pháp dạy học môn Vật lí Mã số : 60 14 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. MAI VĂN TRINH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2010 LÔØI CAÛM ÔN Trong quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: - PGS.TS. Mai Văn Trinh, người hướng dẫn khoa học, đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. - Các Thầy (Cô) trong Khoa Vật lí và Phòng KHCN & SĐH Trường ĐHSP Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. - Ban giám hiệu, các Thầy (Cô) trong tổ Vật lí trường THPT Nguyễn Văn Tiếp huyện Tân Phước, Tiền Giang nơi tôi công tác và tiến hành thực nghiệm sư phạm. - Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tác giả Dương Quốc Việt i MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ................................................................................................................0 1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ...........................................................................................3 3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ......................................................3 4. Giả thuyết khoa học .............................................................................................4 5. Nhiệm vụ nghiên cứu ...........................................................................................4 6. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................4 7. Cấu trúc luận văn .................................................................................................5 8. Những đóng góp của luận văn ..............................................................................5 Chương I: CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM ẢO TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG .................................................6 1.1. Những định hướng cơ bản trong việc đổi mới phương pháp dạy học vật lí ở trường phổ thông ..................................................................................................6 1.2. Phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu khoa học vật lí ........................ 10 1.2.1. Khái niệm chung ................................................................................... 10 1.2.2. Sự ra đời của phương pháp thực nghiệm trong sự phát triển của vật lí học ....................................................................................................................... 12 1.2.3. Nội dung của phương pháp thực nghiệm ............................................... 13 1.3. Phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí ............................................ 15 1.3.1. Sự chuyển hóa của phương pháp nhận thức khoa học thành phương pháp dạy học ........................................................................................................... 15 1.3.2. Các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí ......... 15 1.3.3. Vai trò của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí ở phổ thông 17 1.3.4. Các mức độ sử dụng phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí ..... 18 1.3.5. Phối hợp phương pháp thực nghiệm và các phương pháp nhận thức khác trong dạy học vật lí ......................................................................................... 22 1.3.6. Những sự chuẩn bị cần thiết để sử dụng phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí .................................................................................................. 23 ii 1.3.7. Ưu điểm và hạn chế của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí ....................................................................................................................... 25 1.4. Phương pháp thực nghiệm với sự hỗ trợ của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo .......................................................................................................... 26 1.4.1. Thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo ................................................ 26 1.4.2. Các đặc điểm của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo ..................... 31 1.4.3. Nguyên tắc sử dụng thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo trong dạy học vật lí ......................................................................................................... 32 1.4.4. Khả năng sử dụng thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo trong dạy học vật lí ............................................................................................................... 33 1.4.5. Khả năng ứng dụng thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo vào các giai đoạn của phương pháp thực nghiệm trong dạy học vật lí ................................ 37 1.5. Phương pháp soạn thảo tiến trình dạy học một kiến thức vật lí cụ thể theo phương pháp thực nghiệm .................................................................................. 38 1.6. Kết luận chương 1 ....................................................................................... 39 Chương II: VẬN DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM ẢO VÀO DẠY HỌC CHƯƠNG “ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM” VÀ CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” VẬT LÍ 10 .............................................................. 40 2.1. Phân tích mục tiêu dạy học và cấu trúc nội dung chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” ......................................................... 40 2.1.1. Mục tiêu ................................................................................................ 40 2.1.2. Nội dung ............................................................................................... 42 2.2. Thực trạng khi dạy học chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” ............................................................................................. 47 2.3. Thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” theo phương pháp thực nghiệm với sự hỗ trợ của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo .............................................. 49 2.3.1. Định luật III Niu-tơn ............................................................................. 49 2.3.2. Định luật bảo toàn cơ năng.................................................................... 60 iii Chương III: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM ......................................................... 77 3.1. Mục đích của thực nghiệm sư phạm ............................................................ 77 3.2. Đối tượng và nhiệm vụ của thực nghiệm sư phạm ....................................... 77 3.2.1 Đối tượng thực nghiệm sư phạm ............................................................ 77 3.2.2. Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm ............................................................ 78 3.3. Phương pháp thực nghiệm sư phạm ............................................................. 78 3.3.1. Chọn mẫu thực nghiệm ......................................................................... 78 3.3.2. Quan sát giờ học ................................................................................... 79 3.3.3. Các bài kiểm tra .................................................................................... 79 3.4. Kết quả thực nghiệm sư phạm ..................................................................... 79 3.4.1. Nhận xét về tiến trình dạy học ............................................................... 79 3.4.2. Đánh giá kết quả học tập của học sinh................................................... 80 3.4.3. Kiểm định giả thuyết thống kê .............................................................. 84 3.5. Kết luận chương 3 ....................................................................................... 85 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 87 PHỤ LỤC .................................................................. Error! Bookmark not defined. iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ CNTT : Công nghệ thông tin DHVL : Dạy học vật lí ĐC : Đối chứng GV : Giáo viên HS : Học sinh PPDH : Phương pháp dạy học PPTN : Phương pháp thực nghiệm PTDH : Phương tiện dạy học SBT : Sách bài tập SGK : Sách giáo khoa TN : Thực nghiệm TNA : Thí nghiệm ảo TNMP : Thí nghiệm mô phỏng TNVL : Thí nghiệm vật lí TNSP : Thực nghiệm sư phạm VL : Vật lí VLTN : Vật lí thực nghiệm v DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 – Bảng hoạch định các hoạt động của giáo viên và học sinh 10 Bảng 1.2 – Bảng so sánh các đặc điểm của thí nghiệm thực và mô phỏng bằng máy vi tính.29 Bảng 2.1 – Cấu trúc nội dung chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn”.42 Bảng 3.1 – Bảng thống kê các điểm số (Xi) của bài kiểm tra...80 Bảng 3.2 – Bảng phân bố tần suất của hai nhóm..81 Bảng 3.3 – Bảng phân bố tần suất tích lũy của hai nhóm.82 Bảng 3.4 – Bảng phân loại theo học lực...82 Bảng 3.5 – Bảng tổng hợp các tham số thống kê.83 DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ Trang Đồ thị 3.1 – Đồ thị phân bố điểm của nhóm thực nghiệm và nhóm đối chứng........81 Đồ thị 3.2 – Đồ thị phân bố tần suất của nhóm thực nghiệm và nhóm đối chứng....81 Đồ thị 3.3 – Đồ thị phân bố tần suất tích lũy của nhóm thực nghiệm và nhóm đối chứng..................................................................................................82 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Xã hội của thế kỉ XXI là một xã hội dựa vào tri thức, xã hội của nền văn minh hiện đại, thời kì của sự bùng nổ tri thức và khoa học công nghệ Để hòa nhập với tốc độ phát triển của nền khoa học kĩ thuật trên thế giới, sự nghiệp giáo dục cũng phải nhanh chóng đổi mới nhằm đào tạo ra những con người có đủ trình độ kiến thức, năng lực trí tuệ sáng tạo và phẩm chất đạo đức tốt. Sự đổi mới này đòi hỏi nhà trường phải tạo ta những con người lao động tự chủ, năng động và sáng tạo. Đặc biệt là người học phải đạt tới trình độ: học để biết, học để làm, học để phát triển. Vì vậy, đổi mới phương pháp dạy học (PPDH) là một trong những mục tiêu lớn được ngành giáo dục đào tạo đặt ra trong giai đoạn hiện nay và là mục tiêu chính đã được Nghị quyết TW 2 (khóa VIII) nêu rõ: “Đổi mới mạnh mẽ phương pháp giáo dục và đào tạo, khắc phục lối truyền thụ một chiều, rèn luyện nếp tư duy sáng tạo của người học. Từng bước áp dụng các phương pháp tiên tiến và phương tiện hiện đại vào quá trình dạy học, đảm bảo điều kiện và thời gian tự học, tự nghiên cứu cho học sinh,” [8] và đã được thể chế hóa trong Luật Giáo dục. Điều 24.2 Luật Giáo dục qui định: “Phương pháp giáo dục phổ thông phải phát huy tích cực, tự giác, chủ động, sáng tạo của học sinh; phù hợp với đặc điểm của từng lớp học, môn học; bồi dưỡng phương pháp tự học, khả năng làm việc theo nhóm; rèn luyện kĩ năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn; tác động đến tình cảm, đem lại niềm vui, hứng thú học tập cho học sinh”. [17] Chiến lược phát triển Giáo dục 2001 - 2010 (ban kèm quyết định số 201/2001/QĐ – TTg ngày 28 tháng 12 năm 2001 của Thủ tướng Chính phủ), ở mục 5.2 ghi rõ: “Đổi mới và hiện đại hóa phương pháp giáo dục. Chuyển từ việc truyền thụ tri thức thụ động thầy giảng trò ghi sang hướng dẫn người học chủ động tư duy trong quá trình tiếp cận tri thức; dạy cho người học phương pháp tự học, tự thu nhận thông tin một cách có hệ thống, có tư duy phân tích tổng hợp; phát triển năng lực của mỗi cá nhân; tăng cường tính chủ động tích cực của học sinh, sinh viên trong quá trình học tập,”. 2 Ở nước ta, vấn đề ứng dụng công nghệ thông tin (CNTT) trong giáo dục đào tạo được Đảng và Nhà nước rất coi trọng, coi yêu cầu đổi mới PPDH có sự hỗ trợ của các phương tiện kỹ thuật hiện đại là điều hết sức cần thiết. Các Văn kiện, Nghị quyết, Chỉ thị của Đảng, Chính phủ, Bộ Giáo dục – Đào tạo đã thể hiện rõ điều này. Chỉ thị số 29 của Bộ Giáo dục – Đào tạo (ngày 30/7/2001/CT) về tăng cường giảng dạy, đào tạo và ứng dụng CNTT trong ngành giáo dục giai đoạn 2001 – 1005 nêu rõ “CNTT là phương tiện để tiến tới một xã hội hóa học tập nhưng giáo dục và đào tạo phải đóng vai trò quan trọng bậc nhất thúc đẩy sự phát triển của CNTT ”. Chiến lược phát triển Giáo dục đến năm 2010 của Bộ Giáo dục – Đào tạo đã yêu cầu ngành giáo dục phải từng bước phát triển giáo dục dựa trên CNTT, vì “CNTT và đa phương tiện sẽ tạo ra những thay đổi lớn trong quản lý hệ thống giáo dục, trong chuyển tải nội dung chương trình đến người học, thúc đẩy cuộc cách mạng về phương pháp dạy và học”. Đặc biệt, công văn số 9584/BGDĐT – CNTT ngày 7/9/2007 của Bộ Giáo dục và Đào tạo gửi cho các Sở Giáo dục và Đào tạo, các trường đại học, cao đẳng sư phạm và các khoa sư phạm, yêu cầu phải nhanh chóng “đẩy mạnh việc dạy môn Tin học và ứng dụng CNTT trong giáo dục, góp phần đổi mới phương pháp dạy học và quản lí giáo dục”. Hiện nay ở trên thế giới cũng như ở nước ta có rất nhiều PPDH hiện đại nhằm phát huy tốt vai trò của học sinh (HS) trong đó có dạy học theo phương pháp thực nghiệm (PPTN). Dạy học theo PPTN nhằm tích cực hóa tư duy của người học, giúp người học tìm kiếm, phát hiện, khám phá ra vấn đề và giải quyết vấn đề trong quá trình dạy học đồng thời nâng cao tính chủ động và sáng tạo của người học. Vì thế việc nghiên cứu và vận dụng PPTN vào dạy học vật lí (DHVL) là rất cần thiết. Thực trạng giáo dục nước ta qua nghiên cứu cho thấy việc giảng dạy kiến thức vật lí (VL) nói chung, chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” VL lớp 10 nói riêng cho HS vẫn còn được tiến hành theo lối thông báo – tái hiện. HS phổ thông có quá ít điều kiện để nghiên cứu, quan sát và tiến hành các thí nghiệm vật lí (TNVL). HS tiếp thu kiến thức một cách thụ động, máy móc chủ yếu là học thuộc lòng các kiến thức. Từ đó, HS cảm thấy chán học, mệt mỏi, không hiểu bài, không làm bài tập được 3 Bên cạnh đó, cách tiếp cận một số kiến thức trong chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” VL lớp 10 được các tác giả viết theo trình tự: xuất phát từ thí nghiệm vật lí → từ kết quả thí nghiệm rút ra các định luật vật lí → vận dụng các định luật vào việc giải thích một số hiện tượng VL thường gặp trong đời sống hoặc giải các bài tập VL trong phạm vi áp dụng các định luật đó. Trong thực tế DHVL thường gặp những hiện tượng, quá trình không thể tiến hành thí nghiệm thực để kiểm tra được do hạn chế về thời gian, không gian, giá cả quá đắt Máy vi tính với những thế mạnh về lưu trữ, xử lý và trình bày thông tin một cách linh hoạt cho phép xây dựng những thí nghiệm mô phỏng (TNMP) và thí nghiệm ảo (TNA). Những thí nghiệm này được sử dụng một cách linh hoạt trong quá trình dạy học nhằm nâng cao chất lượng nắm vững kiến thức và vận dụng kiến thức của người học. Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi chọn nghiên cứu đề tài: “Vận dụng phương pháp thực nghiệm vào dạy học chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” vật lí lớp 10 với sự hỗ trợ của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo”. 2. Mục đích nghiên cứu Vận dụng PPTN vào thiết kế một số bài dạy học thuộc chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” VL lớp 10 với sự hỗ trợ của TNMP và TNA nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của HS, giúp HS chủ động chiếm lĩnh kiến thức một cách bền vững từ đó nâng cao chất lượng dạy học. 3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu + Phương pháp thực nghiệm trong DHVL + Máy vi tính với một số phần mềm dạy học + Hoạt động dạy của giáo viên (GV) và hoạt động học của HS khi dạy học chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” VL lớp 10 * Phạm vi nghiên cứu + Thiết kế tiến trình dạy học một số nội dung chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” VL lớp 10 theo PPTN với sự hỗ trợ của TNMP và TNA 4 + Thực nghiệm sư phạm (TNSP) ở một số lớp 10 của trường trung học phổ thông (THPT) Nguyễn Văn Tiếp, huyện Tân Phước, tỉnh Tiền Giang 4. Giả thuyết khoa học Nếu vận dụng PPTN với sự hỗ trợ của TNMP và TNA một cách khoa học vào dạy học chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” VL lớp 10 thì sẽ phát huy tính tích cực học tập, tăng cường sự bền vững của kiến thức từ đó nâng cao chất lượng DHVL. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu + Nghiên cứu những định hướng đổi mới phương pháp DHVL ở trường THPT hiện nay. + Nghiên cứu lí luận về PPTN trong nghiên cứu khoa học VL và trong DHVL với sự hỗ trợ của TNMP và TNA. + Xác định mục tiêu và phân tích nội dung kiến thức chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” VL lớp 10. + Thiết kế tiến trình dạy học một số nội dung chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” VL lớp 10 theo PPTN với sự hỗ trợ của TNMP và TNA. + Tiến hành TNSP ở trường THPT để kiểm chứng giả thuyết khoa học và tính khả thi của đề tài. 6. Phương pháp nghiên cứu * Phương pháp nghiên cứu lí thuyết + Nghiên cứu các văn kiện của Đảng và Nhà nước, các nghị định, thông tư, chỉ thị của Bộ Giáo dục và Đào tạo về đổi mới PPDH hiện nay ở trường THPT. + Nghiên cứu cơ sở lí luận của PPTN trong DHVL. + Nghiên cứu nội dung chương trình, sách giáo khoa (SGK), sách giáo viên VL 10 và các tài liệu tham khảo, các bài báo đăng trong tạp chí khoa học có liên quan đến đề tài. + Nghiên cứu các tài liệu hướng dẫn một số phần mềm hỗ trợ dạy học. * Phương pháp thực nghiệm sư phạm Tiến hành TNSP ở trường THPT có đối chứng để kiểm tra tính khả thi của đề tài khi sử dụng PPTN trong DHVL với sự hỗ trợ của TNMP và TNA. 5 * Phương pháp thống kê toán học Sử dụng phương pháp thống kê toán học mô tả và thống kê kiểm định để xử lý kết quả TNSP và kiểm định giả thuyết thống kê về sự khác biệt trong kết quả học tập của nhóm đối chứng (ĐC) và thực nghiệm (TN), qua đó khẳng định kết quả nghiên cứu của đề tài. 7. Cấu trúc luận văn MỞ ĐẦU Chương I: Cơ sở lí luận của phương pháp thực nghiệm với sự hỗ trợ của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo trong dạy học vật lí ở trường phổ thông Chương II: Vận dụng phương pháp thực nghiệm với sự hỗ trợ của thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm ảo vào dạy học chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” vật lí lớp 10 Chương III: Thực nghiệm sư phạm KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 8. Những đóng góp của luận văn - Làm sáng tỏ cơ sở lí luận của PPTN trong DHVL với sự hỗ trợ của TNMP và TNA. - Soạn thảo được 5 tiến trình dạy học kiến thức vật lí chương “Động lực học chất điểm” và chương “Các định luật bảo toàn” theo các giai đoạn của PPTN. - Khai thác và sử dụng có hiệu quả một số TNMP và TNA hỗ trợ các tiến trình dạy học một số kiến thức vật lí theo các giai đoạn của PPTN. - Góp phần nâng cao chất lượng nắm vững kiến thức và bồi dưỡng PPTN trong DHVL cho HS lớp thực nghiệm. 6 Chương I CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM ẢO TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG 1.1. Những định hướng cơ bản trong việc đổi mới phương pháp dạy học vật lí ở trường phổ thông [2]