BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
Lê Hoàng Anh Linh
THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG
CẢM BIẾN SONAR VÀ SỬ DỤNG TRONG DẠY
HỌC CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN”
LỚP 10 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. PHAN GIA ANH VŨ
Thành phố Hồ Chí Minh – 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH
Lê Hoàng Anh Linh
THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG
CẢM BIẾN SONAR VÀ SỬ DỤNG TRONG DẠY
HỌC CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN”
LỚP 10 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
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
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt trong luận văn
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị trong luận văn
MỞ ĐẦU ............................................................................................................1
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN .......................................................................5
1.1. Tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học Vật lí ..........................5
1.1.1. Cơ sở tâm lí học của hoạt động nhận thức ..............................................5
1.1.2. Cơ sở khoa học của việc tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh
trong dạy học Vật lí ...........................................................................................8
1.2. Những vấn đề lí luận về thí nghiệm Vật lí ..................................................12
1.2.1. Thí nghiệm Vật lí ..................................................................................12
1.2.2. Vai trò của thí nghiệm Vật lí trong dạy học Vật lí ................................13
1.2.3. Quy trình xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lí
.........................................................................................................................14
1.2.3.1. Quy trình xây dựng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lí............14
1.2.3.2. Qui trình sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học Vật lý ...............17
1.2.4. Sử dụng máy vi tính hỗ trợ TN Vật lí [2] ..............................................21
1.2.5. Thí nghiệm vật lí trong tiến trình dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề
.........................................................................................................................24
1.3. Kết luận chương 1 .......................................................................................29
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ THÍ NGHIỆM CƠ HỌC DÙNG CẢM BIẾN
SONAR VÀ THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC
CHƯƠNG “CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN” LỚP 10 THPT ..................31
3.2. Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm ..................................95
3.2.1. Đánh giá tính khả thi của tiến trình dạy học đã thiết kế được ...............96
3.2.2. Phân tích định lượng kết quả kiểm tra.................................................104
3.2.2.1.Tính toán các số liệu cần thiết [12] ...................................................104
3.2.2.2.Kết quả tính toán ...............................................................................105
3.2.3. Kiểm định giả thuyết thống kê ............................................................108
3.2.4. Bước đầu đánh giá hiệu quả của tiến trình dạy học đã thiết kế được
trong việc nâng cao tính hứng thú, tích cực, sáng tạo của HS trong học tập 109
3.2.5. Ưu điểm, nhược điểm của bộ TN cơ học dùng cảm biến SONAR trong
dạy học chương “ Các định luật bảo toàn”. ...................................................110
3.3. Kết luận chương 3 .....................................................................................110
KẾT LUẬN....................................................................................................112
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................114
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
VIẾT ĐẦY ĐỦ
VIẾT TẮT
Giáo viên
GV
Học sinh
HS
Thí nghiệm
Hình 1.2. Sơ đồ tiến trình xây dựng, bảo vệ tri thức mới trong nghiên cứu khoa học
..................................................................................................................... 10
Hình 1.3. Dạng khái quát của sơ đồ biểu đạt lôgic của tiến trình khoa học giải quyết
vấn đề khi xây dựng, kiêm nghiệm, ứng dụng một giá trị cụ thể .......................... 11
Hình 1.4. Sơ đồ TN vật lí với sự hỗ trợ của máy vi tính ...................................... 22
Hình 1.5. Sơ đồ khái quát của tiến trình xây dựng kiến thức theo kiểu DH PH &
GQ VĐ ................................................................................................................... 24
Hình 1.6. Sơ đồ khái quát tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường lí thuyết của
kiểu DH PH & GQ VĐ ............................................................................................... 25
Hình 1.7 . Sơ đồ khái quát tiến trình xây dựng kiến thức theo con đường thực nghiệm
của kiểu DH PH & GQ VĐ ......................................................................................... 26
Hình 2.1. Nguyên lí TOF ....................................................................................... 38
Hình 2.2. Cảm biến Go! Motion của Vernier ........................................................ 38
Hình 2.3. Giao diện phần mềm Logger Pro .......................................................... 39
Hình 2.4. Góc quét của cảm biến ......................................................................... 29
Hình 2.5. Các ưu điểm của Go! Motion ................................................................ 40
Hình 2.6. Xe động lực và vật nặng ........................................................................ 41
Hình 2.7. Bộ TN xe động lực ................................................................................ 41
Hình 2.8. Sơ đồ bố trí TN chuyển động thẳng đều của xe động lực ..................... 42
Hình 2.9. Đồ thị tọa độ và vận tốc của vật chuyển động thẳng đều theo thời....... 43
Hình 2.10. Cửa sổ Cruve Fit .................................................................................. 44
Hình 2.11. Kết quả phân tích đồ thị của vật chuyển động thẳng đều .................... 44
Hình 2.12. Bố trí TN của vật chuyển động thẳng biến đổi đều ............................. 45
Hình 2.13. Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều
theo thời gian .......................................................................................................... 46
Hình 2.14. Bố trí TN của vật chuyển động thẳng biến đổi đều ............................. 47
Hình 2.15. Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều
Hình 2.38. Sơ đồ bố trí TN con lắc lò xo dao động thẳng đứng ........................... 66
Hình 2.39. Đồ thị tọa đô, vận tốc của con lắc lò xo dao động thẳng đứng theo thời
gian ......................................................................................................................... .67
Hình 2.40. Cửa sổ phần mềm Calculated Column Options .................................. 68
Hình 2.41. Mục Option ở cửa sổ phần mềm Calculated Column Options........... 69
Hình 2.42. Mục Column Option ở cửa sổ phần mềm Calculated Column Options
khi thiết lập hàm động năng ................................................................................... 69
Hình 2.43. Mục Column Option ở cửa sổ phần mềm Calculated Column Options
khi thiết lập hàm cơ năng ....................................................................................... 70
Hình 2.44. Đồ thị động năng, thế năng và cơ năng theo thời gian của con lắc lò xo
dao động theo phương thẳng đứng ......................................................................... 70
Hình 2.45. Bố trí TN con lắc lò xo dao động theo phương ngang ........................ 71
Hình 2.46. Bố trí TN con lắc lò xo dao động trên mặt phẳng nghiêng ................. 72
Hình 2.47. Đồ thị li độ, vận tốc của con lắc lò xo dao động theo phương nằm ngang
theo thời gian .......................................................................................................... 73
Hình 2.48. Đồ thị li độ, vận tốc của con lắc lò xo dao động theo phương nghiêng
theo thời gian .......................................................................................................... 73
Hình 2.49. Sơ đồ bố trí TN dao động của con lắc đơn .......................................... 74
Hình 2.50. Đồ thị li độ và vận tốc của con lắc đơn dao động theo thời gian ....... 75
Hình 2.51. Đồ thị động năng, thế năng và cơ năng của con lắc đơn dao động theo
thời gian .................................................................................................................. 76
Hình 2.52. Sơ đồ cấu trúc kiến thức chương “Các định luật bảo toàn” ................ 77
Hình 3.1. Đồ thị vận tốc theo thời gian của hệ hai vật cùng khối lượng va chạm
mềm ........................................................................................................................ 97
Hình 3.2. Đồ thị vị trí và vận tốc theo thời gian của vật rơi tự do ........................ 101
Hình 3.3. Đồ thị vị trí và vận tốc theo thời gian của con lắc lò xo dao động thẳng
đứng ........................................................................................................................ 101
Hình 3.4. Đồ thị cơ năng theo thời gian của con lắc lò xo dao động thẳng đứng .
................................................................................................................................ 102
biến để thu thập các số liệu thực nghiệm một cách nhanh chóng và chính xác. Các
số liệu thực nghiệm và kết quả xử lí được hiển thị trên bộ chỉ thị hiện số hoặc được
kết nối với máy vi tính để hiển thị, phân tích trên màn hình. Các cảm biến và bộ
ghép nối hiện số được coi như các dụng cụ đo hiện số có độ nhạy tốt, độ chia nhỏ và
thang đo rộng. Một trong các loại cảm biến thường dùng trong các thí nghiệm cơ
học nhưng ít được sử dụng trong chương trình vật lý phổ thông là cảm biến
SONAR.
2
Xuất phát từ những phân tích trên, tôi nhận thấy: Nếu xây dựng bộ thí
nghiệm cơ học trong chương trình Vật lí phổ thông dùng cảm biến SONAR sẽ
khắc phục được các hạn chế về độ chính xác và thời gian thí nghiệm của các bộ thí
nghiệm đã có. Nếu xây dựng thành công bộ thí nghiệm cơ học này thì có thể sử
dụng nó một cách hiệu quả trong quá trình dạy học chương trình Vật lí trung học
phổ thông.
Với các lí do trên, tôi lựa chọn và nghiên cứu đề tài: Thiết kế bộ thí nghiệm
cơ học dùng cảm biến SONAR và sử dụng trong dạy học chương “Các định luật
bảo toàn” lớp 10 trung học phổ thông.
2. Mục đích nghiên cứu
- Thiết kế một số bài thí nghiệm cơ học trong chương trình Vật lí phổ thông
có sử dụng cảm biến SONAR.
- Thiết kế tiến trình dạy học có sử dụng bộ thí nghiệm đã xây dựng trong dạy
học chương “Các định luật bảo toàn” lớp 10 trung học phổ thông.
3. Giả thuyết nghiên cứu
Nếu thiết kế được bộ thí nghiệm cơ học dùng cảm biến SONAR đáp ứng
các yêu cầu về mặt sư phạm và sử dụng các thí nghiệm một cách hợp lí vào quá
trình dạy học nội dung “Các định luật bảo toàn”, lớp 10, chương trình vật lí phổ
thông thì có thể nâng cao hiệu quả của việc dạy học.
về đổi mới phương pháp dạy học, các tài liệu, sách, báo, các văn kiện, các nghị
quyết của Trung ương Đảng về lĩnh vực giáo dục.
- Nghiên cứu thực tiễn: sử dụng phương pháp phỏng vấn, điều tra ngắn
nhằm thu thập thông tin về tính hiệu quả của việc sử dụng thí nghiệm trong dạy
học môn Vật lí ở trường trung học phổ thông, nghiên cứu trong phòng thí nghiệm
về thiết kế chế tạo và hoàn thiện một số thí nghiệm.
- Thực nghiệm sư phạm: tổ chức hoạt động dạy và học, ghi chép, chụp ảnh,
quay phim, khảo sát kết quả học tập, rút kinh nghiệm giờ dạy, phân tích diễn biến
quá trình thực nghiệm.
- Thống kê toán học: tổng hợp, phân tích và xử lí số liệu thống kê kết quả
thực nghiệm.
4
7. Đóng góp của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là nguồn tư liệu dạy học bổ sung cho
chương “ Các định luật bảo toàn”. Đồng thời, đây sẽ là cơ sở cho các đề tài nghiên
cứu xây dựng và sử dụng hiệu quả các thí nghiệm trong dạy và học Vật lí trong
tương lai.
5
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN
1.1. Tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học Vật lí
Trong quá trình dạy học, mục tiêu, nội dung, phương pháp và phương tiện
dạy học có mối quan hệ biện chứng với nhau. Các chuyên gia sư phạm xác định
mục tiêu dạy học và đề ra nội dung dạy học tương ứng. Trên cơ sở nội dung và mục
tiêu đã đề ra, GV phải lựa chọn, vận dụng các phương pháp và sử dụng phương tiện
chính xác khoa học cần thiết, qua đó HS lĩnh hội được kiến thức một cách sâu sắc,
có được những thao tác tư duy đúng đắn, có khả năng vận dụng những tri thức đã
học, có điều kiện để xây dựng kiến thức mới.
Những thành tựu của tâm lí học nhận thức và tâm lí học sư phạm đã khẳng
định vai trò và tác dụng của các phương tiện trực quan trong việc kích thích hứng
thú nhận thức, tạo cơ sở cho nhu cầu nhận thức xuất hiện và động lực của quá trình
nhận thức được duy trì và phát triển. Do đó làm cho người học đạt kết quả cao trong
việc chiếm lĩnh tri thức lẫn hình thành năng lực tư duy sáng tạo và kĩ năng thực
hành.[4]
Theo quan điểm của tâm lí học liên tưởng, khi sự vật, hiện tượng tác động
vào giác quan thì cảm giác sẽ được hình thành. Những cảm giác này sẽ làm xuất
hiện những ý tưởng có liên quan. Những ý tưởng được hình thành này sau đó lại
kích thích sự ra đời của những ý tưởng khác. Vì vậy, hoạt động học thực chất là quá
trình hình thành các liên tưởng, phát triển trí nhớ của người học. Hoạt động học sẽ
có hiệu quả nếu người học có thể hình thành cho mình những mối liên hệ giữa các
khái niệm, quy luật, cách thức…để từ đó ghi nhớ và tái hiện tài liệu học tập tốt hơn.
Tương tự như vậy, hoạt động dạy cần phải hình thành ở người học càng nhiều càng
tốt những mối liên hệ giữa những tri thức riêng lẻ, giữa những kiến thức của một
phần hay một phạm vi khoa học nhất định nào đó cũng như giữa các ngành khoa
học khác nhau.
Khi sử dụng TN với sự hỗ trợ của máy vi tính vào dạy học, HS có điều kiện
quan sát trực tiếp hiện tượng và quá trình vật lí xảy ra trong thí nghiệm, đồng thời
có thể quan sát được số liệu thu được từ thí nghiệm thông qua màn hình máy vi
tính. Các số liệu đó được thu thập, được sắp xếp, xử lí và hiển thị theo ý đồ sư phạm
7
của giáo viên. Nhờ đó, có thể giúp HS dễ dàng xác định được những mối liên hệ
giữa những thuộc tính khác nhau của sự vật hiện tượng, giữa cái chung và cái riêng,
cung cấp thông tin cho người học. Vai trò của các công cụ này là chủ động hỗ trợ
người học hoàn thành nhiệm vụ học tập gần với giới hạn trên của vùng phát triển
gần và thoát khỏi sự trợ giúp khi người học đạt được mức tự tin cao hơn.[2]
Như vậy, trong quá trình dạy học vật lí ở trường phổ thông, giáo viên cần
phải biết sử dụng thí nghiệm vật lí hỗ trợ cho quá trình dạy học. Đồng thời, giáo
viên cần phải tổ chức các hoạt động dạy học và hướng dẫn HS tham gia vào quá
trình thảo luận đưa ra các phán đoán (giả thuyết) sau đó xây dựng và tiến hành các
thí nghiệm kiểm chứng nhằm khẳng định hay bác bỏ giả thuyết đã đưa ra. Từ đó,
HS tự chiếm lĩnh và hình thành nên tri thức cho bản thân.
Quá trình dạy học các tri thức thuộc một môn khoa học cụ thể được hiểu là
những hoạt động của giáo viên và của HS trong sự tương tác thống nhất biện chứng
của ba thành phần: GV, HS và tư liệu học tập. Hệ thống hoạt động dạy học bao gồm
các hành động có mục đích của GV, tổ chức hoạt động trí óc và tay chân của HS,
đảm bảo cho HS chiếm lĩnh được nội dung dạy học, đạt được mục tiêu xác định.
GV tổ chức định hướng hành động chiếm lĩnh tri thức vật lí của HS phỏng theo tiến
trình của chu trình sáng tạo khoa học. Như vậy chúng ta có thể hình dung diễn biến
của hoạt động dạy học như sau:
- GV tổ chức tình huống, HS chấp nhận tình huống, nhận nhiệm vụ, nảy sinh
vấn đề cần tìm tòi giải quyết. Dưới sự chỉ đạo của GV, vấn đề được diễn đạt chính
xác hóa, phù hợp với mục tiêu dạy học và các nội dung cụ thể đã xác định.
- HS tự chủ tìm tòi, giải quyết vấn đề đặt ra với sự theo dõi, định hướng, giúp
đỡ của GV.
- GV chỉ đạo sự trao đổi, tranh luận của HS, bổ sung, tổng kết, khái quát hóa,
thể chế hóa tri thức, kiểm tra kết quả học tập phù hợp với mục tiêu dạy học các nội
dung cụ thể đã xác định.
1.1.2. Cơ sở khoa học của việc tổ chức hoạt động nhận thức cho
học sinh trong dạy học Vật lí
Quá trình sáng tạo khoa học gồm các giai đoạn chính: Từ những sự kiện khởi
đầu đi đến xây dựng mô hình trừu tượng của hiện tượng, tức là đề xuất giả thuyết,
- Suy đoán giải pháp: Để giải quyết vấn đề đặt ra, từ điểm xuất phát cho phép
đi tìm lời giải: chọn hoặc đề xuất mô hình có thể vận hành được để đi tới cái cần
tìm; hoặc phỏng đoán các biến cố thực nghiệm có thể xảy ra mà nhờ đó có thể khảo
sát thực nghiệm để xác định được vấn đề cần tìm.
10
- Khảo sát lí thuyết hoặc thực nghiệm, vận hành mô hình rút ra kết luận logic
về cái cần tìm hoặc có thể thiết kế phương án thí nghiệm, tiến hành thực nghiệm,
thu lượm các dữ liệu cần thiết và xen kẽ, rút ra kết luận về vấn đề cần tìm hiểu.
- Kiểm tra, vận dụng kết quả: xem xét khả năng chấp nhận được của các kết
quả tìm được, trên cơ sở vận dụng chúng để giải thích hoặc tiên đoán các sự kiện và
xem xét sự phù hợp của lí thuyết và thực nghiệm. Xem xét sự cách biết giữa kết
luận có được nhờ sự suy luận lí thuyết với kết luận có được từ các dữ liệu thực
nghiệm để quy nạp chấp nhận kết quả tìm được khi có sự phù hợp giữa lí thuyết và
thực nghiệm, hoặc để xét lại, bổ sung, sửa đổi đối với thực nghiệm hoặc đối với sự
xây dựng và vận hành mô hình xuất phát khi chưa có sự phù hợp giữa lí thuyết và
thực nghiệm, nhằm tiếp tục tìm tòi xây dựng điều cần tìm.[5]
Việc xây dựng tri thức khoa học như trên không phải là công việc chỉ của
riêng một nhà khoa học mà là một quá trình mang tính xã hội. Nhận thức của mỗi cá
nhân, thành viên xã hội, tiến triển trong sự tương tác xã hội và xung đột xã hội –
nhận thức. Kết quả nghiên cứu của mỗi cá nhân nhà khoa học có sự hỗ trợ của
người khác. Kết quả đó được thông báo và trải qua sự tranh luận phản bác, bảo vệ
trong cộng đồng các nhà khoa học. Nhờ đó, kết quả nghiên cứu được chỉnh lí bổ
sung, hoàn thiện và được cộng đồng khoa học chấp nhận. Chính vì vậy, quá trình
xây dựng tri thức có thể minh họa bằng sơ đồ hình 1.2
Tình huống có tiềm ẩn vấn đề
Phát biểu vấn đề - Bài toán
Giải quyết vấn đề
BÀI TOÁN
Giải bài toán bằng
suy luận lí thuyết
KẾT LUẬN
(Thu được nhờ suy luận lí thuyết)
Giải bài toán bằng thí
nghiệm và quan sát
KẾT LUẬN
(Thu được nhờ quan sát và thí nghiệm)
(Sơ đồ 2)
Hình 1.3. Dạng khái quát của sơ đồ biểu đạt logic của tiến trình khoa học
giải quyết vấn đề khi xây dựng, kiêm nghiệm, ứng dụng một giá trị cụ thể [5]
12
1.2. Những vấn đề lí luận về thí nghiệm Vật lí
1.2.1. Thí nghiệm Vật lí
Theo Từ điển tiếng Việt, TN là gây ra một hiện tượng, một sự biến đổi nào
đó trong điều kiện xác định để quan sát, tìm hiểu, nghiên cứu, kiểm tra hay chứng
minh.[6]
Một số quan điểm khác cho rằng: TN là một sự thử nghiệm hay kiểm tra một
lí thuyết khoa học bằng cách thao tác với yếu tố trong môi trường để quan sát kết
quả có phù hợp với các tiên đoán lí thuyết hay không.[2]
TN còn được hiểu là: Quá trình tạo dựng một sự quan sát hay thực hiện một
phép đo. TN là sự quan sát hiện tượng nghiên cứu trong các điều kiện được kiểm tra
thức, kỹ năng, kỹ xảo mà còn đánh giá được khả năng tự lực, sáng tạo của HS trong
quá trình TN.[7]
Theo quan điểm của lí luận nhận thức, TN là phương tiện của việc thu nhận
tri thức, là phương tiện kiểm tra tính đúng đắn của tri thức, và là phương tiện để vận
dụng tri thức thu được vào thực tiễn.
Ngày nay, dạy học không chỉ truyền thụ cho HS các kiến thức, rèn luyện kỹ
năng, kỹ xảo mà còn góp phần phát triển nhân cách HS một cách toàn diện. Giờ học
có sử dụng TN vật lí làm cho HS hứng thú hơn trong học tập và quá trình thu nhận
thông tin của HS ngày càng tích cực, tự lực và sáng tạo hơn. Như vậy, qua quá trình
tiếp cận với các TN vật lí, dần dần trong HS xuất hiện sự ham muốn tìm hiểu, ham
muốn nghiên cứu, xóa dần sự ngăn cách trong ý thức của HS giữa vật lí và cuộc
sống muôn hình muôn vẻ để tạo cho HS hứng thú nhận thức.[8]
TN vật lí là phương tiện cho phép tổ chức các hình thức làm việc tập thể
khác nhau nhằm bồi dưỡng cho HS thói quen hợp tác trong lao động, trong nghiên
cứu khoa học và trung thực khi nhận thức một sự vật hiện tượng. Hiện tượng vật lí
xảy ra trong tự nhiên chằng chịt, đan xen nhau giữa các quá trình. Do đó, để nghiên
cứu một hiện tượng, một quá trình nào đó, phương tiện có thể phản ánh đúng bản
chất của sự vật hiện tượng một cách chính xác, trung thực và đơn giản nhất là các
Copyright: Tài liệu đại học ©