Header Page 1 of 258.

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

Footer Page 1 of 258.


Header Page 2 of 258.

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

sự quan tâm và giúp đỡ rất lớn từ quý Thầy cô, đồng nghiệp và gia đình. Tôi xin
được bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình đến:
Thầy TS. Phan Gia Anh Vũ – người trực tiếp hướng dẫn về mặt chuyên môn,
đã rất tận tâm chỉ dạy, truyền đạt kinh nghiệm và giúp đỡ tôi vượt qua những khó
khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Thạc sĩ Phan Minh Tiến – người đóng góp ý kiến, giúp đỡ và tạo mọi điều
kiện thuận lợi về cơ sở vật chất để tôi hoàn thành luận văn này.
Quý Thầy cô phản biện và hội đồng chấm luận văn đã đọc và có những nhận
xét cũng như những góp ý quý giá về luận văn.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với gia đình, đồng nghiệp đã động
viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn.
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013
LÊ HOÀNG ANH LINH

Footer Page 4 of 258.


Header Page 5 of 258.

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


Footer Page 5 of 258.


Header Page 6 of 258.

2.3.4. Xây dựng thí nghiệm sự rơi tự do dùng cảm biến SONAR ..................64
2.3.5. Xây dựng các thí nghiệm về dao động của con lắc lò xo và con lắc đơn
dùng cảm biến SONAR ...................................................................................65
2.4. Thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức thuộc chương “Các định luật
bảo toàn” – Vật lí 10 THPT ...............................................................................77
2.4.1. Phân tích cấu trúc và nội dung kiến thức của chương “Các định luật bảo
toàn”. ...............................................................................................................77
2.4.2.Tiến trình dạy học bài “Động lượng. Định luật bảo toàn động lượng”..81
2.4.3. Tiến trình dạy học bài “Cơ năng”..........................................................86
2.5. Kết luận chương 2 .......................................................................................92
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM .................................................94
3.1. Mục đích, đối tượng, phương pháp và nội dung thực nghiệm ....................94
3.1.1. Mục đích thực nghiệm ...........................................................................94
3.1.2. Đối tượng thực nghiệm sư phạm ...........................................................94
3.1.3. Phương pháp thực nghiệm .....................................................................95
3.1.4. Nội dung thực nghiệm ...........................................................................95
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


Trung học phổ thông

THPT

Thực nghiệm

TN

Đối chứng

ĐC


Header Page 8 of 258.

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 3.1. Bảng thống kê điểm kiểm tra của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng
.............................................................................................................................. 107
Bảng 3.2. Bảng phân phối tần suất của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng ........
.............................................................................................................................. 107
Bảng 3.3. Bảng phân phối tần suất tích lũy của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng
.............................................................................................................................. 108
Bảng 3.4. Bảng xác định các tham số cần tìm của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng
.............................................................................................................................. 108

Footer Page 8 of 258.



theo thời gian .......................................................................................................... 46
Hình 2.14. Bố trí TN của vật chuyển động thẳng biến đổi đều ............................. 47

Footer Page 9 of 258.


Header Page 10 of 258.

Hình 2.15. Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều
theo thời gian .......................................................................................................... 48
Hình 2.16. Sơ đồ bố trí TN va chạm mềm của hai xe cùng khối lượng ................ 49
Hình 2.17. Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe va chạm mềm trước và sau tương tác ....... 50
Hình 2.18. Sơ đồ bố trí TN 2 xe động lực cùng khối lượng va chạm đàm hồi ..... 51
Hình 2.19. Đồ thị vận tốc của hệ 2 xe trước và sau tương tác đàn hồi ................. 52
Hình 2.20. Sơ đồ bố trí TN 2 xe động lực đứng yên, sau đó tương tác với nhau . 52
Hình 2.21. Đồ thị vận tốc hai xe trước và sau tương tác ....................................... 53
Hình 2.22. Ray đệm không khí ............................................................................. 54
Hình 2.23. Bộ cấp khí ........................................................................................... 54
Hình 2.24. Xe trượt ............................................................................................... 54
Hình 2.25. Các phụ kiện của bộ đệm khí .............................................................. 54
Hình 2.26. Bố trí TN chuyển động thẳng đều trên đệm không khí của xe trượt ... 55
Hình 2.27 Đồ thị tọa độ và vận tốc của vật chuyển động thẳng đều theo thời gian
................................................................................................................................ 56
Hình 2.28 Bố trí TN xe trượt chuyển động trên mặt phẳng nghiêng của đệm khí 57
Hình 2.29 Đồ thị tọa độ và vận tốc theo thời gian của xe trượt trên mặt phẳng
nghiêng ................................................................................................................... 58
Hình 2.30. Bố trí TN xe trượt chuyển động thẳng biến đổi đều trên đệm khí ..... 59
Hình 2.31. Đồ thị tọa đô, vận tốc, gia tốc của vật chuyển động thẳng biến đổi đều
theo thời gian .......................................................................................................... 60
Hình 2.32. Bố trí TN hai xe trượt cùng khối lượng va chạm mềm trên đệm không

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

Footer Page 11 of 258.


Header Page 12 of 258.

Hình 3.5. Đồ thị phân bố tần suất của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng ............ 106
Hình 3.6. Đồ thị phân bố tần suất tích lũy của lớp thực nghiệm và lớp đối chứng
................................................................................................................................ 106

Footer Page 12 of 258.


Header Page 13 of 258.

1

MỞ ĐẦU



Header Page 14 of 258.

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.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu lí luận dạy học hiện đại về các phương pháp, hình thức dạy
học nhằm tăng cường tính tích cực, sáng tạo của học sinh trong học tập.
- Phân tích nội dung phần “Các định luật bảo toàn” trong Vật lý 10 Trung
học phổ thông nhằm tìm hiểu nội dung và đặc điểm các kiến thức cần xây dựng.

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.

Footer Page 15 of 258.


Header Page 16 of 258.

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.

Footer Page 16 of 258.


Header Page 17 of 258.

5



Header Page 18 of 258.

6

Giai đoạn nhận thức cảm tính bao gồm các hoạt động cảm giác, tri giác và
hình thành biểu tượng về đối tượng cần nhận thức. Chỉ thông qua các hoạt động
cảm giác, tri giác đối tượng cần nhận thức có thể hình thành biểu tượng về đối
tượng đó một cách chân thực và đúng đắn. Nhờ đó mới có được những thao tác tư
duy (nhận thức lý tính) như: phân tích, tổng hợp, so sánh, khái quát hóa đạt độ
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

nào đó làm phương thức, phương tiện thực hiện hành vi của bản thân mình. Theo
đó, sự phát triển, hiện đại hóa các phương tiện dạy học sẽ góp phần phát triển, hoàn
thiện các hành vi của học sinh, góp phần phát triển các thao tác tư duy, năng lực
sáng tạo của người học. Trong giai đoạn đầu của việc giải quyết vấn đề, HS khuyến
khích, hỗ trợ, hướng dẫn lẫn nhau, trong giai đoạn sau HS đưa ra kết luận dựa trên
các bằng chứng thực nghiệm và giải quyết các bất đồng ý kiến bằng cách dung hòa
các lập luận khác nhau. Từ đó có thể kết luận rằng HS có thể đạt được mục tiêu học
tập thông qua hợp tác với nhau bằng các bài thuyết trình, phát biểu, tranh luận.[2]
Vưgôtxky còn cho rằng dạy học sẽ có hiệu quả hơn khi HS tham gia các hoạt
động với môi trường hỗ trợ học tập và khi họ nhận được những hướng dẫn gián tiếp
của các công cụ học tập. Những công cụ này được định nghĩa như là các chiến lược
nhận thức, người cố vấn, bạn cùng học, máy tính, tư liệu hoặc bất kí dụng cụ nào

Footer Page 19 of 258.


Header Page 20 of 258.

8

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

khi xuất hiện những sự kiện thực nghiệm mới không phù hợp với các hệ quả rút ra
từ lí thuyết dẫn tới phải xem lại lí thuyết cũ, cần phải chỉnh lí lại hoặc phải thay đổi
mô hình giả thuyết, và bắt đầu xây dựng những giả thuyết mới, thiết kế những thiết
bị mới để kiểm tra và như vậy mà kiến thức của nhân loại ngày một phong phú
thêm.[5]

Các hệ quả logic

Mô hình – Giả thuyết
trừ tượng

Các sự kiện xuất phát

Thực nghiệm

Hình 1.1. Chu trình sáng tạo khoa học [5]
Từ chu trình sáng tạo khoa học trên, tiến trình hoạt động giải quyết vấn đề
được mô tả như sau: “ Đề xuất vấn đề - suy đoán giải pháp – khảo sát lí thuyết và
(hoặc) thực nghiệm – kiểm tra, vận dụng kết quả”.
- Đề xuất vấn đề: Từ những lí thuyết, sự kiện thực tế đã biết và nhiệm vụ cần
giải quyết nảy sinh nhu cầu tìm hiểu một vấn đề còn chưa biết, về một cách giải
quyết không có sẵn, nhưng hi vọng có thể tìm tòi, xây dựng được và diễn đạt nhu
cầu đó thành câu hỏi.
- 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.

Footer Page 21 of 258.


Hình 1.2. Sơ đồ tiến trình xây dựng, bảo vệ tri thức mới trong nghiên cứu khoa học

Footer Page 22 of 258.


Header Page 23 of 258.

11

Trong quá trình dạy học Vật lí ở trường trung học phổ thông, GV cần phải
biết vận dụng các quan điểm của lí luận dạy học hiện đại theo chiến lược dạy học
giải quyết vấn đề cho từng kiến thức trong từng bài học cụ thể.
Theo GS.TS Phạm Hữu Tòng, có thể khái quát tiến trình khoa học
giải quyết vấn đề khi xây dựng, kiểm nghiệm hoặc ứng dụng thực tiễn một kiến
thức cụ thể bởi sơ đồ 1 và sơ đồ 2 hình 1.3.[5]
Vấn đề
(Đòi hỏi tìm kiếm xây dựng kiến thức)
Điều kiện cần sử dụng để đi tìm câu trả lời
cho vấn đề đặt ra
BÀI TOÁN

Giải quyết bài toán
KẾT LUẬN / NHẬN ĐỊNH

(Sơ đồ 1)
Vấn đề
(Đòi hỏi kiểm nghiệm/ứng dụng thực tiễn kiến thức)

Điều kiện cần sử dụng để đi tìm câu trả lời cho vấn đề đặt ra, một mặt
nhờ suy luận, mặt khác nhờ thí nghiệm và quan sát

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
chính xác, cho phép theo dõi tiến trình của hiện tượng và tái tạo nó mỗi lần lặp lại
các hiện tượng này.[2]
Trong Vật lí học, TN là phương pháp, là cách thức mà bằng cách nào đó con
người tác động một cách có ý thức, hệ thống lên các sự vật, hiện tượng xảy ra trong
những điều kiện nhất định. Sự phân tích về mặt lí thuyết các điều kiện và quá trình
xảy ra trong đó đóng vai trò hết sức quan trọng. Sự tác động đó có thể là trực tiếp
hay gián tiếp thông qua các thiết bị máy móc gọi là công cụ TN.
Các khái niệm trên đều cho thấy TN bao gồm các thành phần sau đây:
+ Một lí thuyết hay giả thuyết
+ Đối tượng, hệ thống, quá trình phản ánh lí thuyết đó.
+ Các thao tác lên đối tượng, hệ thống, quá trình theo một trình tự nhất định
và trong những điều kiện xác định.[7]
Từ các phân tích trên, TN Vật lí là TN để nghiên cứu các hiện tượng, quá
trình Vật lí. Kết quả của TN Vật lí nhiều khi là các định luật, các ứng dụng kĩ thuật
nhưng nhiều khi chỉ để chứng minh một giả thuyết hoặc hình thành một giả thuyết
Vật lí mới.

Footer Page 24 of 258.


Header Page 25 of 258.

13

1.2.2. Vai trò của thí nghiệm Vật lí trong dạy học Vật lí