Luận văn Xây dựng một số mô hình vật lý trên máy tính nhằm hỗ trợ học sinh tự lực và sáng tạo trong dạy học chương “dòng điện trong các môi trường” - Vật lý 11 – nâng cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH -------------------- Diệp Như Quỳnh XÂY DỰNG MỘT SỐ MÔ HÌNH VẬT LÝ TRÊN MÁY TÍNH NHẰM HỖ TRỢ HỌC SINH TỰ LỰC VÀ SÁNG TẠO TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG “DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG” - VẬT LÝ 11 – NÂNG CAO Chuyên ngành: Lý luận và phương pháp dạy học Vật lý. Mã số : 601410 LUẬN VĂN THẠC SĨ GIÁO DỤC HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN MẠNH HÙNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NĂM 2010 LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Mạnh Hùng – Trưởng Khoa Vật Lý – Trường Đại Học Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. Tôi cũng chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu cùng tập thể giáo viên trường THPT chuyên Lê Quý Đôn – Ninh Thuận đã quan tâm chia sẻ và tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt khoá học cũng như làm đề tài. Cuối cùng, tôi xin dành trọn những thành quả đạt được trong suốt khoá học cũng như trong luận văn này cho gia đình tôi, những người đã luôn bên cạnh chia sẻ và động viên tôi trong suốt thời gian qua. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những nội dung nghiên cứu được trình bày trong luận văn này là hoàn toàn mang tính độc lập, trung thực và chưa từng được công bố trên bất cứ công trình nào. Nếu có điều gì trái với lời cam đoan trên, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và mọi hình thức kỷ luật của hội đồng bảo vệ cũng như pháp luật Việt Nam. Người cam đoan Diệp Như Quỳnh DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CNTT: công nghệ thông tin. ĐC: đối chứng. GV: giáo viên. HS: học sinh. MVT: máy vi tính. NLST: năng lực sáng tạo. PPDH: phương pháp dạy học. PTDH: phương tiện dạy học. THPT: trung học phổ thông. TN: thực nghiệm. TNSP: thực nghiệm sư phạm. SGK: sách giáo khoa. DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ BIỂU ĐỒ Bảng 3.1: Thống kê điểm số Xi của bài kiểm tra Bảng 3.2: Bảng phân phối tần suất Bảng 3.3: Phân phân phối tần suất lũy tích Bảng 3.4: Các tham số đặc trưng thống kê của nhóm đối chứng và thực nghiệm Biểu đồ 3.1: Phân bố điểm số Xi của hai nhóm lớp ĐC và TN Biểu đồ 3.2: Biểu đồ phân bố tần suất Biểu đồ 3.3: Biểu đồ phân phối tần suất tích lũy MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Danh mục chữ viết tắt Danh mục các bảng và biểu đồ Mục lục MỞ ĐẦU ------------------------------------------------------------------------------------- 01 Chương 1: MÔ HÌNH TRÊN MÁY TÍNH VÀ VAI TRÒ CỦA CHÚNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ NHẰM PHÁT HUY TÍNH TỰ LỰC VÀ NÂNG CAO NĂNG LỰC SÁNG TẠO CHO HỌC SINH ---------------------------------- 06 1.1 Mục tiêu và định hướng đổi mới trong giáo dục hiện nay --------------------- 06 1.2 Cơ sở lý luận của dạy học nhằm phát huy tính tự lực và rèn luyện năng lực sáng tạo cho học sinh ---------------------------------------------------------- 08 1.2.1 Phát huy tính tự lực của học sinh trong học tập vật lý --------------------------- 08 1.2.2 Rèn luyện năng lực sáng tạo cho học sinh trong học tập vật lý ---------------- 11 1.3 Mô hình trong dạy học vật lý -------------------------------------------------------- 14 1.3.1 Khái niệm mô hình ------------------------------------------------------------------- 14 1.3.2 Tính chất của mô hình ---------------------------------------------------------------- 15 1.3.3 Phân loại mô hình --------------------------------------------------------------------- 16 1.3.4 Mô hình trong dạy học vật lý -------------------------------------------------------- 18 1.4 Máy vi tính trong dạy học vật lý ---------------------------------------------------- 20 1.4.1 Cơ sở khoa học của việc sử dụng máy vi tính trong dạy học vật lý ------------ 21 1.4.2 Sử dụng máy vi tính trong dạy học vật lý ----------------------------------------- 22 1.4.3 Giới thiệu sơ lược về Matlab và sự cần thiết của việc sử dụng Matlab trong việc hỗ trợ xây dựng các mô hình vật lý trên máy tính ------------------------- 24 Kết luận chương 1 -------------------------------------------------------------------------- 27 Trang Chương 2: XÂY DỰNG MỘT SỐ MÔ HÌNH VẬT LÝ HỖ TRỢ DẠY HỌC CHƯƠNG “DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG” ------- 28 2.1 Phân tích nội dung chương “Dòng điện trong các môi trường” – vật lý 11 nâng cao ------------------------------------------------------------------------ 28 2.1.1 Tổng quan về chương “Dòng điện trong các môi trường” – vật lý 11 nâng cao ------------------------------------------------------------------------ 28 2.1.2 Chuẩn kiến thức, kĩ năng ------------------------------------------------------------ 29 2.1.3 Phân tích logic hình thành các kiến thức cơ bản của từng bài ----------------- 31 2.2 Những vấn đề thường gây khó khăn trong dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường” ----------------------------------------------------- 37 2.3 Xây dựng một số mô hình vật lý hỗ trợ dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường” ----------------------------------------------------- 39 2.3.1 Mô hình dòng điện trong kim loại -------------------------------------------------- 39 2.3.2 Mô hình dòng điện trong chất điện phân ------------------------------------------ 43 2.3.3 Mô hình dòng điện trong chân không ---------------------------------------------- 47 2.3.4 Mô hình dòng điện trong chất khí -------------------------------------------------- 50 2.3.5 Mô hình dòng điện trong chất bán dẫn --------------------------------------------- 54 2.4 Xây dựng tiến trình dạy học một số bài trong chương với sự hỗ trợ của mô hình --------------------------------------------------------------------------------------- 58 2.4.1 Tiến trình dạy học bài dòng điện trong kim loại ---------------------------------- 58 2.4.2 Tiến trình dạy học bài dòng điện trong chất điện phân -------------------------- 63 2.4.3 Tiến trình dạy học bài dòng điện trong chân không ------------------------------ 70 2.4.4 Tiến trình dạy học bài dòng điện trong chất khí ---------------------------------- 77 2.4.5 Tiến trình dạy học bài dòng điện trong chất bán dẫn ---------------------------- 83 Kết luận chương 2 -------------------------------------------------------------------------- 92 Chương 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM ---------------------------------------------- 93 3.1 Mục đích của thực nghiệm sư phạm ----------------------------------------------- 93 3.2 Đối tượng thực nghiệm sư phạm --------------------------------------------------- 93 3.3 Nội dung thực nghiệm sư phạm ----------------------------------------------------- 94 3.4 Phương pháp thực nghiệm sư phạm ----------------------------------------------- 94 3.4.1 Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm ---------------------------------------------- 94 3.4.2 Phương pháp tiến hành và đánh giá kết quả thực nghiệm ---------------------- 95 3.5 Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm ------------------------------------------ 95 3.5.1 Đánh giá mức độ tự lực và sáng tạo của học sinh qua từng bài học cụ thể ------------------------------------------------------------------------------------------ 95 3.5.2 Đánh giá kết quả học tập của học sinh thông qua bài kiểm tra cuối chương ---------------------------------------------------------------------- 102 3.5.3 Đánh giá mức độ hiệu quả của việc sử dụng các mô hình thông qua kết quả điều tra học sinh sau khi học xong chương “Dòng điện trong các môi trường” ----------------------------------------------------- 107 Kết luận chương 3 ------------------------------------------------------------------------ 115 KẾT LUẬN -------------------------------------------------------------------------------- 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO ---------------------------------------------------------------- 120 PHỤ LỤC 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Đất nước ta đang trong thời kì hội nhập và phát triển kinh tế, mà việc gia nhập tổ chức WTO (2006) là một trong những điểm mốc quan trọng. Sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hoá đất nước đã và đang đặt ra cho nền giáo dục nước nhà những thách thức mới, đòi hỏi giáo dục phải tiến hành công cuộc đổi mới một cách mạnh mẽ, sâu sắc, toàn diện về mục tiêu, chương trình, sách giáo khoa và phương pháp dạy học nhằm hướng đến việc đào tạo nên một đội ngũ những người lao động, những cán bộ có trình độ kĩ thuật cao, có năng lực tư duy sáng tạo và giải quyết vấn đề. Trong đó, coi đổi mới phương pháp dạy học là vấn đề trọng tâm; thật vậy, theo quan điểm tâm lý giáo dục học, đổi mới phương pháp dạy học (PPDH) là hướng quan trọng có tác dụng chỉ đạo vì nó tác động trực tiếp, ảnh hưởng trực tiếp đến tâm hồn, trí tuệ, ý chí,… của người học, là yếu tố quyết định thành công. Định hướng đổi mới PPDH đã được xác định trong các nghị quyết trung ương từ năm 1996, được thể chế hoá trong luật giáo dục (12-1998), đặc biệt tái khẳng định trong điều 5, luật giáo dục (2005): “Phương pháp giáo dục phải phát huy tính tích cực, tự giác, chủ động, tư duy sáng tạo của người học, bồi dưỡng cho người học năng lực tự học, khả năng thực hành, lòng say mê học tập và ý chí vươn lên ”. Tuy nhiên, cho đến nay, sự chuyển biến về đổi mới PPDH trong các loại hình nhà trường còn chậm, chủ yếu vẫn là cách dạy truyền thống: thầy thuyết trình – trò ghi chép một cách thụ động, một số phương pháp dạy học tích cực được sử dụng nhưng mức độ thành công chưa cao, do đó vẫn chưa phát huy được tính tự lực và sáng tạo của học sinh (HS). Một trong những nguyên nhân quan trọng dẫn đến hiện trạng trên là do sự thiếu thốn về phương tiện dạy học như: thiết bị thí nghiệm, mô hình vật lý hỗ trợ dạy học, các phương tiện nghe – nhìn,… 2 Hiện nay, sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin (CNTT) đã và đang tạo ra những thành tựu tin học phong phú và hữu ích, do đó, việc khai thác và sử dụng CNTT trong dạy học nói chung, dạy học vật lý nói riêng đang là một trong những vấn đề cấp bách. Trong những năm gần đây, phong trào ứng dụng CNTT vào dạy học đang diễn ra hết sức sôi nổi và dạy học với sự trợ giúp của máy vi tính (MVT) đã và đang tỏ ra có nhiều ưu thế, mang lại nhiều hiệu quả tích cực cho quá trình dạy học, chỉ thị 29/2001/CT – BGD&ĐT của Bộ trưởng Bộ Giáo dục và Đào tạo đã khẳng định điều đó: “Công nghệ thông tin có tác động mạnh mẽ, làm thay đổi nội dung, phương pháp, phương thức dạy và học”. Song, hiện nay, việc khai thác các ứng dụng của CNTT trong dạy học còn khá hạn chế. Đa số giáo viên (GV) vẫn chỉ dừng lại ở việc sử dụng MVT để soạn giáo án điện tử hay thiết kế bài giảng điện tử trên nền Microsoft Power Point, đó mới chỉ là khai thác chức năng nghe nhìn của MVT. Các luận văn thạc sĩ giáo dục học trong nước gần đây cũng có nghiên cứu về lĩnh vực ứng dụng CNTT trong dạy học, nhưng đa số đều hướng đến việc thiết kế website hỗ trợ dạy học, thiết kế một số tư liệu thí nghiệm ảo hỗ trợ dạy học hay xây dựng các chương trình hỗ trợ kiểm tra, đánh giá…mà ít chú trọng đến khả năng xây dựng các mô hình vật lý của MVT. Hiện nay, có nhiều mô hình vật lý được thiết kế (ta có thể tìm thấy trên internet), nhưng các mô hình đó được thiết kế một cách riêng lẻ, rời rạc, chưa thể hiện được ý đồ và mục đích sử dụng của bản thân tôi cũng như chưa thật sự phù hợp với chương trình, sách giáo khoa của chúng ta. Trong chương trình vật lý trung học phổ thông (THPT), có rất nhiều kiến thức mà khi có các mô hình thích hợp thì học sinh sẽ tự lực và sáng tạo trong khi học chúng, điển hình là chương “Dòng điện trong các môi trường”. Điều đó cho thấy việc nghiên cứu khả năng xây dựng mô hình của MVT và ứng dụng trong dạy học nhằm làm cho học sinh tự lực, sáng tạo là một trong những vấn đề rất cần thiết, góp phần vào công cuộc đổi mới của nền giáo dục nước nhà. 3 Với những lý do nêu trên, tôi chọn đề tài nghiên cứu “Xây dựng một số mô hình vật lý trên máy tính nhằm hỗ trợ học sinh tự lực và sáng tạo trong dạy học chương dòng điện trong các môi trường – chương trình vật lý 11 – nâng cao”. 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu: - Phần mềm lập trình mô phỏng Mathlab và một số phần mềm khác. - Quá trình dạy học vật lý ở trường THPT. 2.2. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý và ứng dụng vào dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường” lớp 11 – chương trình nâng cao cho học sinh THPT tại TP Phan Rang – Tháp Chàm tỉnh Ninh Thuận. 3. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC Nếu xây dựng được các mô hình vật lý trên máy tính theo mục đích đã đề ra và vận dụng vào dạy học thì có thể làm cho học sinh tự lực và sáng tạo, góp phần nâng cao chất lượng dạy học. 4. MỤC ĐÍCH – NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 4.1.Mục đích nghiên cứu. - Xây dựng được một số mô hình dòng điện trong các môi trường trên máy tính bằng cách lập trình Matlab và một số chương trình khác và sử dụng trong dạy học nhằm giúp học sinh tự lực và sáng tạo trong học tập. 4.2.Nhiệm vụ nghiên cứu. - Nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý trên Matlab và một số chương trình khác. - Xây dựng các mô hình về dòng điện trong các môi trường. - Nghiên cứu cơ sở lý luận của dạy học nhằm phát triển tính tự lực và sáng tạo của HS. 4 - Nghiên cứu nội dung chương trình SGK 11 – nâng cao, chương “Dòng điện trong các môi trường”. - Xây dựng các tiến trình dạy học nhằm mục đích làm cho học sinh tự lực và sáng tạo với sự hỗ trợ của các mô hình. - Tiến hành thực nghiệm sư phạm ở trường THPT nhằm xác định mức độ phù hợp, đánh giá tính khả thi và hiệu quả của các mô hình đã xây dựng, từ đó rút kinh nghiệm để hoàn thiện chúng. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU  Nghiên cứu lí luận: - Các văn kiện, nghị quyết, luật giáo dục. - Các tạp chí giáo dục có liên quan đến mô hình trong dạy học vật lý, sử dụng máy vi tính trong dạy học Vật Lý. - Tư liệu về cơ sở lý luận của dạy học vật lý. - Tư liệu về nội dung, con đường hình thành kiến thức, mục đích, yêu cầu giảng dạy chương “ Dòng điện trong các môi trường”_ Vật lý 11 nâng cao. - Sách giáo khoa lớp 11 chương “Dòng điện trong các môi trường”. - Tài liệu hướng dẫn lập trình trên Mathlab, và một số chương trình khác. - Tài liệu chuyên sâu về cơ chế phát sinh hạt mang điện và bản chất dòng điện trong các môi trường.  Quan sát, điều tra về thực trạng dạy học chương “ Dòng điện trong các môi trường” ở các trường THPT thuộc tỉnh Ninh Thuận.  Thực nghiệm sư phạm.  Thống kê toán học để xử lý số liệu thực nghiệm. 5 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN - Cung cấp một số mô hình vật lý hỗ trợ dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường” - Vật lý 11 – Nâng cao và phương pháp sử dụng chúng nhằm phát huy tính tự lực và nâng cao năng lực sáng tạo cho học sinh. - Tạo cơ sở cho việc nghiên cứu xây dựng các mô hình vật lý trên máy tính hỗ trợ dạy học cho các phần còn lại của chương trình vật lý THPT. 6 CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH TRÊN MÁY TÍNH VÀ VAI TRÒ CỦA CHÚNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ NHẰM PHÁT HUY TÍNH TỰ LỰC VÀ NÂNG CAO NĂNG LỰC SÁNG TẠO CHO HỌC SINH 1.1 Mục tiêu và định hướng đổi mới trong giáo dục hiện nay[2][6][33] Chúng ta đang sống trong thế kỷ XXI, thế kỷ của trí tuệ sáng tạo. Đất nước ta đang bước vào thời kỳ Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa. Viễn cảnh tương lai tươi đẹp nhưng cũng ẩn chứa nhiều thách thức đòi hỏi ngành Giáo dục – Đào tạo phải thực hiện một cuộc cách mạng trong giáo dục, phải đổi mới mạnh mẽ, vươn tới ngang tầm với sự phát triển chung của khu vực và thế giới. Bởi lẽ sự nghiệp Giáo dục – Đào tạo là nhân tố góp phần quyết định vào việc bồi dưỡng trí tuệ khoa học, năng lực sáng tạo cho thế hệ trẻ - mầm sống tương lai của đất nước. Tuy nhiên, trong mấy thập kỷ vừa qua, mặc dù giáo dục đã có những bước chuyển biến tích cực hướng trung tâm của quá trình dạy học vào “người học”, nhưng kiểu dạy học như hiện nay vẫn bộc lộ một nhược điểm cơ bản là vẫn mang nặng tính chất “độc thoại, thông báo, giảng giải áp đặt, làm mẫu cho học sinh bắt chước” của sự dạy và tính chất “thụ động theo dõi, chấp nhận, ghi nhớ, thừa hành, bắt chước” của sự học. Kiểu dạy học này vẫn chưa phát huy được khả năng học tập tự lực, tìm tòi, sáng tạo giải quyết vấn đề của HS trong quá trình chiếm lĩnh tri thức. Do đó, ngành giáo dục nước nhà cần phải thực hiện công cuộc đổi mới toàn diện về chương trình Sách Giáo Khoa (SGK) và phương pháp dạy học (PPDH), trong đó đặt trọng tâm vào việc đổi mới PPDH. Chỉ có đổi mới PPDH chúng ta mới có thể tạo được sự đổi mới thực sự trong 7 giáo dục, mới có thể đào tạo lớp người năng động, sáng tạo, có tiềm năng cạnh tranh trí tuệ trong bối cảnh nhiều nước trên thế giới đang hướng tới nền kinh tế tri thức. Định hướng đổi mới PPDH đã được xác định trong Nghị quyết Trung ương 4 Khóa VII (1-1993), Nghị quyết Trung ương 2 Khóa VIII (12-1996), được thể chế hóa trong luật Giáo dục (2005), cụ thể trong các chỉ thị của Bộ Giáo dục & Đào tạo, đặc biệt là trong chiến lược phát triển giáo dục 2001-2010 (2001). Theo chiến lược phát triển giáo dục 2001-2010, ở mục 5.2 có 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 và có tư duy phân tích, tổng hợp, phát triển năng lực của mỗi cá nhân, tăng cường tính chủ động, tích cực, tự chủ của học sinh trong quá trình học tập, …” Việc đổi mới PPDH được thực hiện theo các định hướng sau: - Bám sát mục tiêu giáo dục đào tạo - Phù hợp với nội dung dạy học cụ thể - Phù hợp với đặc điểm lứa tuổi của HS - Phù hợp với cơ sở vật chất, các điều kiện dạy học của nhà trường - Phù hợp với việc đổi mới kiểm tra, đánh giá kết quả dạy-học - Kết hợp giữa việc tiếp thu và sử dụng có chọn lọc, có hiệu quả các PPDH tiên tiến, hiện đại với việc khai thác những yếu tố tích cực của các PPDH truyền thống. - Tăng cường sử dụng các phương tiện dạy học, thiết bị dạy học và đặc biệt lưu ý đến những ứng dụng của công nghệ thông tin. Hiện nay, trên thế giới và ở nước ta đã và đang có rất nhiều quan điểm, mô hình dạy học hiện đại như dạy học theo tình huống, dạy học theo lý thuyết kiến tạo, dạy học dự án (PBL), dạy học điều tra (IBL),… Song, cơ sở lý luận của các quan điểm, mô hình dạy học này còn khá mới mẻ và đang được xây dựng hoàn thiện, do đó hiệu quả và mức độ phù hợp của các quan điểm, mô hình dạy học này đối với hoàn cảnh, điều 8 kiện giáo dục ở nước ta có tốt hay không còn phải chờ một thời gian nữa mới có thể đánh giá được. Trong lúc đó, bản thân các PPDH truyền thống (thuyết trình, đàm thoại…) tuy có những mặt hạn chế nhất định nhưng nếu khai thác được những yếu tố tích cực của các phương pháp này đồng thời phối hợp nhuần nhuyễn các phương pháp thì sẽ đem lại hiệu quả giáo dục cao. Hơn nữa, bản thân các PPDH truyền thống này đã có được một nền tảng cơ sở lý luận đầy đủ, vững chắc. Ngoài ra, với sự phát triển của khoa học – kỹ thuật và công nghệ thông tin như hiện nay thì việc lựa chọn, chế tạo các phương tiện dạy học bổ trợ thích hợp là hoàn toàn có thể thực hiện được, đó cũng là một trong những yếu tố quyết định tính hiệu quả và sự thành công của PPDH. Tóm lại, cần thiết phải đổi mới PPDH, nhưng đổi mới theo hướng nào là tùy thuộc vào đối tượng học, hoàn cảnh cụ thể của địa phương, của đất nước, nhưng phải đảm bảo đi đúng định hướng đổi mới PPDH và phải thể hiện được yếu tố cốt lõi của triết lý giáo dục trong thời kỳ phát triển giáo dục sau 2010 là “người học, lợi ích và nhu cầu của người học”. Sự thành công của người học sẽ đem lại lợi ích cho xã hội, vì vậy giáo dục phải dựa vào người học và hoạt động của họ. 1.2 Cơ sở lý luận của dạy học nhằm phát huy tính tự lực và nâng cao năng lực sáng tạo cho học sinh 1.2.1 Phát huy tính tự lực của học sinh trong học tập vật lý[22][25][32] 1.2.1.1 Tự lực và sự cần thiết phải phát huy tính tự lực của HS trong giờ học Vật lý Một xu hướng cơ bản của lý luận dạy học hiện đại là “ngày càng đề cao vai trò tự lực của HS trong hoạt động học tập”. Vậy “tự lực” là gì? Tác giả Chu Bích Thu cho rằng “tự lực là tự sức mình, với sức lực của bản thân, không nhờ cậy ai”, nghĩa là “tự sức mình làm lấy, không dựa dẫm, nhờ vả người khác”. Theo quan điểm giáo dục hiện nay, tính tự lực trong học tập được hiểu là: - Tự học, tự nghiên cứu, tự tìm ra kiến thức bằng hoạt động của chính mình, tức là cá nhân hoá việc học; 9 - Tự mình khám phá những điều mình chưa rõ, chưa có chứ không phải thụ động tiếp thu những tri thức được sắp đặt sẵn; - Người học tự mình trực tiếp quan sát, thảo luận, làm thí nghiệm, giải quyết vấn đề đặt ra theo cách nghĩ của mình, từ đó tiếp thu được kiến thức mới, kĩ năng mới, bộc lộ và phát triển tiềm năng sáng tạo của bản thân. Trong hoạt động học, tự lực là nền tảng cơ sở cho tư duy độc lập, mà có tư duy độc lập mới có thể sáng tạo được. Do đó, việc bồi dưỡng và phát huy vai trò tự lực của HS trong học tập nói chung, học tập vật lý nói riêng là rất cần thiết. Thật vậy, trong nhà trường, quá trình học sinh nắm vững kiến thức không phải là tự phát mà là một quá trình có mục đích rõ ràng, có kế hoạch, có tổ chức chặt chẽ, là một quá trình nỗ lực tư duy, trong đó HS phát huy tính tích cực, tính tự giác của mình dưới sự chỉ đạo của GV. Trong quá trình ấy, mức độ tự lực của HS càng cao thì kiến thức nắm được càng sâu sắc, tư duy độc lập sáng tạo càng được phát triển, năng lực nhận thức càng được nâng cao, kết quả học tập càng tốt, đặc biệt là trong hoàn cảnh khoa học và kinh tế đang phát triển mạnh mẽ như hiện nay. Tâm lý học và lý luận dạy học hiện đại cũng đã khẳng định điều đó: “cách tốt nhất để nắm vững được những tri thức, kỹ năng, kinh nghiệm là người học tái tạo ra chúng thông qua hoạt động tự lực của bản thân”, mà con đường hiệu quả nhất để làm cho HS nắm vững được kiến thức là phát triển năng lực sáng tạo (NLST), là phải đưa HS vào vị trí của chủ thể nhận thức. Để làm được điều đó thì GV phải là người định hướng, người tạo ra điều kiện tốt nhất để HS tự lực chiếm lĩnh kiến thức, bởi vì “trẻ em không thể tự mình trực tiếp lĩnh hội kinh nghiệm xã hội – lịch sử. Để làm được điều này, trẻ em phải gián tiếp thông qua người lớn, thông qua hoạt động hợp tác giữa trẻ em và người lớn” – theo L.X.Vưgotxki Vậy thì tính tự lực của HS trong học tập nói chung, trong học tập Vật lý nói riêng có những biểu hiện như thế nào? Và GV phải làm sao để có thể phát huy tính tự lực của HS trong học tập Vật lý? 10 1.2.1.2 Những biểu hiện của tính tự lực và biện pháp phát huy tính tự lực của HS trong học tập Vật lý Trong học tập nói chung và học tập Vật lý nói riêng, tính tự lực của HS có những biểu hiện đa dạng và phong phú, trong đó có tự lực học tập ở nhà và tự lực học tập trên lớp. Ở đây, tôi xin nêu ra những biểu hiện cơ bản của tính tự lực của HS trong giờ học Vật lý trên lớp: - Tự đọc tài liệu, SGK để xây dựng nên các câu trả lời theo yêu cầu của GV. - Tự quan sát một hiện tượng hoặc một thí nghiệm, mô hình,… và nêu một khái niệm vật lý, nêu một dự đoán về tính chất của hiện tượng, mối quan hệ nhân quả ẩn chứa trong hiện tượng,… hoặc chỉ đơn giản là nêu lên một nhận xét theo yêu cầu của GV. - Tự ghi chép tóm tắt bài giảng. - Tự suy nghĩ và tìm ra hướng giải quyết cho một bài toán vật lý. - Tự tìm hiểu dụng cụ, lắp ráp và tiến hành thí nghiệm. Và để có thể phát huy được tính tự lực của HS trong giờ học vật lý, đòi hỏi GV phải kích thích được hứng thú và sự chú ý của HS đối với kiến thức. Đây là điều kiện cơ bản giúp HS có thể phát huy tính tự lực của mình trong học tập. Để làm được điều đó, người GV phải lựa chọn các phương pháp và thủ thuật dạy học thích hợp. Thật vậy, để đạt được mục đích “HS tự lực chiếm lĩnh kiến thức” thì sự giải thích mang tính chất thông báo đơn thuần của GV về các vấn đề kiến thức là không còn phù hợp. Như K.D.Usinxki đã viết “…Ngay cả trong trường hợp giả thuyết rằng HS hiểu được ý mà GV giải thích cho họ thì ý này cũng không bao giờ thâm nhập vào đầu óc họ một cách thật vững chắc và tự giác, không bao giờ trở thành vốn riêng thật hoàn toàn của HS như khi họ tìm ra…”. Sự lựa chọn các phương pháp và thủ thuật giảng dạy trên lớp phụ thuộc vào nhiều điều kiện khác nhau: nội dung của tài liệu học tập, trình độ kiến thức của các HS trong lớp, phương tiện hỗ trợ dạy học, số lượng thời gian mà GV dành để giảng vấn đề đặt ra,… Do đó, cần thiết phải phân tích kỹ lưỡng các điều kiện để lựa chọn những 11 phương pháp tốt nhất – là phương pháp mà trong đó HS được rèn luyện nhiều nhất các giác quan và bộ óc của mình trong việc phát hiện những mối liên hệ và các quy luật của vật lý. Ngoài ra, để tạo cơ sở cho việc phát huy tính tự lực của HS trong giờ học vật lý, người GV còn cần phải rèn luyện cho HS cách sử dụng SGK và các tài liệu học tập cũng như dạy cho họ cách để xây dựng các câu trả lời (phát triển năng lực ngôn ngữ cho HS). 1.2.2 Nâng cao năng lực sáng tạo cho học sinh trong học tập vật lý[2][12][15][33] 1.2.2.1 Sáng tạo và năng lực sáng tạo Theo tác giả Nguyễn Mạnh Hùng, sáng tạo là “hoạt động mà hoạt động của nó là một sản phẩm tinh thần hay vật chất có tính cách tân, có ý nghĩa xã hội, có giá trị”. Cụ thể, sáng tạo là hoạt động tạo ra những cái mới chưa từng có trong tự nhiên hay trong xã hội. Những cái mới này phải mang lại lợi ích và hiệu quả cho con người. Trong dạy học, người ta phân biệt hai cấp độ sáng tạo là sáng tạo cái mới chỉ đối với bản thân và sáng tạo cái mới đối với nhân loại, còn trong quá trình học tập vật lý của HS, sáng tạo chủ yếu thể hiện ở cấp độ thứ nhất, dưới nhiều hình thức như: sáng tạo xây dựng kiến thức vật lý (khái niệm, định luật,…), sáng tạo vận dụng các kiến thức vật lý (giải bài tập vật lý, xây dựng các mô hình vật lý, các thiết bị ứng dụng nguyên lý vật lý,…), sáng tạo để cải tiến cái cũ… Năng lực sáng tạo có thể hiểu là “khả năng tạo ra những giá trị vật chất và tinh thần, tìm ra cái mới, giải pháp mới, công cụ mới, vận dụng thành công những hiểu biết đã có vào hoàn cảnh mới” và “bất cứ lúc nào, bất cứ ở đâu, năng lực sáng tạo đều nảy sinh và phát triển trong quá trình giải quyết các vấn đề” – đó là khẳng định của nhà giáo dục học I.Ia.Lecne, cũng theo ông, năng lực sáng tạo thường thể hiện qua các đặc trưng sau: 12 - Tự lực chuyển các tri thức và kỹ năng sang một tình huống mới. Sự liên hệ giữa tình huống mới và tri thức cũ càng xa thì mức độ sáng tạo càng cao. - Nhìn thấy những vấn đề mới trong các điều kiện quen biết “đúng quy cách”. - Nhìn thấy cấu trúc của đối tượng đang nghiên cứu. Thực chất của năng lực này là bao quát nhanh chóng các bộ phận, các yếu tố của đối tượng trong mối tương quan giữa chúng với nhau. - Kỹ năng nhìn thấy nhiều lời giải cho một bài toán (kỹ năng xem xét đối tượng ở những khía cạnh khác nhau). - Kỹ năng kết hợp những phương thức giải đã biết thành một phương thức mới. - Kỹ năng sáng tạo một phương pháp giải độc đáo tuy đã biết những phương thức khác. Tác giả Nguyễn Mạnh Hùng bổ sung thêm NLST còn thể hiện ở chỗ: - Biết kiểm tra, đánh giá hiệu quả cách giải quyết vấn đề của bản thân và của những người khác. - Biết điều chỉnh các phương án giải quyết vấn đề một cách nhanh chóng và phù hợp với điều kiện thực tiễn. - Tự chủ, tin tưởng vào khả năng giải quyết các vấn đề của bản thân. Không nản chí trước một vấn đề khó mà tìm đủ mọi cách để đưa ra một phương án tốt nhất. 1.2.2.2 Mức độ và các biện pháp nhằm nâng cao NLST cho HS trong dạy học vật lý a) Các mức độ nâng cao NLST cho HS Có 3 mức độ cơ bản để nâng cao NLST cho HS, đó là: Mức độ 1: vận dụng cái đã biết, đã làm vào các tình huống tương tự. Mức độ 2: vận dụng cái đã biết vào tình huống có một số yếu tố mới. Mức độ 3: đề xuất vấn đề khác hẳn cái đã biết, đã làm. Trong đó mức độ 1 là thấp nhất, yêu cầu tối thiểu phải rèn luyện cho HS để tạo điều kiện sáng tạo, còn mức độ 3 là cao nhất của sự sáng tạo đối với HS. Tùy theo điều 13 kiện cụ thể và đối tượng HS mà giáo viên có thể lựa chọn các phương pháp thích hợp để rèn luyện NLST cho HS đạt yêu cầu của các mức độ trên. b) Các biện pháp rèn luyện NLST cho HS trong dạy học Vật lý - Tổ chức hoạt động sáng tạo gắn liền với quá trình xây dựng kiến thức mới bằng cách tổ chức quá trình nhận thức vật lý theo chu trình sáng tạo. - Luyện tập phán đoán (dự đoán, phỏng đoán), xây dựng giả thuyết. Trong giai đoạn đầu của nhận thức vật lý, HS có thể có các cách dự đoán sau: Dựa vào liên tưởng tới một kinh nghiệm đã có, Dựa trên sự tương tự, Dựa trên sự xuất hiện đồng thời của hai hiện tượng mà dự đoán giữa chúng có mối quan hệ nhân quả, Dựa trên sự thuận nghịch thường thấy của nhiều quá trình, Dựa trên sự mở rộng phạm vi ứng dụng của một số kiến thức đã biết sang một lĩnh vực khác, Dự đoán về mối quan hệ định lượng,… - Luyện tập đề xuất phương án kiểm tra dự đoán. - Luyện tập giải bài tập sáng tạo (bài tập thiết kế phương án thí nghiệm và bài tập nghiên cứu) - GV tạo hứng thú học tập, định hướng hoạt động cho HS, tổ chức cho HS tự khám phá kiến thức. - GV dạy phương pháp tự học - GV tăng cường trang bị và nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị dạy học. Như vậy, việc phát huy tính tự lực và nâng cao năng lực sáng tạo cho HS là một nhiệm vụ mà bất kỳ người GV nào cũng phải thực hiện nhằm đào tạo ra những con người “năng động, sáng tạo, có khả năng tư duy độc lập, tự lực giải quyết vấn đề,…” đáp ứng nhu cầu mới của xã hội. Nhưng có nhiều cách để rèn luyện năng lực sáng tạo cũng như phát huy tính tự lực của HS trong học tập vật lý (xây dựng phiếu học tập…) và 14 việc lựa chọn một phương pháp để phát huy tính tự lực và rèn luyện năng lực sáng tạo cho HS là một trong những vấn đề gây rất nhiều khó khăn cho GV. Ở đây, trong giới hạn đề tài này, tôi muốn nhấn mạnh vai trò của phương tiện dạy học (PTDH) hỗ trợ cho việc phát huy tính tự lực và năng lực sáng tạo của HS, đó chính là việc xây dựng và sử dụng các mô hình trong dạy học vật lý với sự hỗ trợ của máy vi tính. 1.3 Mô hình trong dạy học vật lý[26][27][28][29][34] 1.3.1 Khái niệm mô hình Khái niệm mô hình được sử dụng rộng rãi trong ngôn ngữ thường ngày với những ý nghĩa rất khác nhau. Trong cuộc sống cũng như trong học tập, HS thường gặp các khái niệm mô hình như: mô hình tế bào, mô hình máy phát điện, mô hình cấu tạo nguyên tử, mô hình liên kết hóa học, mô hình “trường học thân thiện, HS tích cực”… Trong Vật lý học, mô hình được định nghĩa như sau: Theo V.A.Stopho: “Mô hình là một hệ thống được hình dung trong óc hay được thực hiện một cách vật chất, hệ thống đó phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tượng nghiên cứu hoặc tái tạo nó, bởi vậy việc nghiên cứu mô hình sẽ cung cấp cho ta những thông tin mới về đối tượng”. Hay theo tác giả Lê Thị Thanh Thảo: “Mô hình là những hệ thống tín hiệu gồm những hình vẽ, những giản đồ, những đồ thị, những ký hiệu toán học hay đơn giản là những mệnh đề từ ngữ, những hệ thống này có khả năng biểu diễn tình huống”. Tuy nhiên, mô hình chỉ phản ánh một số tính chất của đối tượng vật chất. Cùng một đối tượng vật chất có thể có nhiều mô hình khác nhau. Tóm lại, mô hình không đồng nhất với đối tượng mà nó phản ánh. Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi có đề cập đến khái niệm “mô hình vật lý trên máy tính”. Đó là những mô hình lý thuyết được mô phỏng lại với sự trợ giúp của máy vi tính và các phần mềm tin học hỗ trợ. Việc xây dựng các mô hình này được tiến hành dựa trên cơ sở đã biết cách giải thích cơ chế bên trong của các hiện tượng, chúng 15 tôi tiến hành tìm hiểu và lựa chọn phần mềm tin học thích hợp để hỗ trợ mô phỏng lại các quá trình đó trên máy vi tính, nhằm tạo ra các mô hình vật lý trực quan hỗ trợ cho quá trình dạy học vật lý theo các mục tiêu cụ thể. 1.3.2 Tính chất của mô hình Là hệ thống phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tượng nghiên cứu, một mô hình có những tính chất cơ bản sau: 1.3.2.1 Tính tương tự “vật gốc” Khi mà bản chất của đối tượng không cho phép chúng ta trực tiếp nghiên cứu chúng thì việc mô hình hóa đối tượng Vật lý là cần thiết. Sản phẩm của quá trình này chính là sự ra đời của một mô hình Vật lý. Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô hình hóa trong Vật lý chính là lý thuyết tương tự, do đó sản phẩm của nó phải có tính “tương tự vật gốc”. 1.3.2.2 Tính đơn giản Chúng ta đã biết, thế giới khách quan vô cùng đa dạng và phong phú. Nhưng mô hình chỉ phản ánh “một số tính chất của thực tế khách quan (đối tượng nghiên cứu)”. Do đó, trong khi xây dựng mô hình, ta phải thực hiện các thao tác nhằm tước bỏ những chi tiết thứ yếu, chỉ giữ lại những thuộc tính và những mối liên hệ bản chất nhất, điều đó tất yếu sẽ dẫn đến sự đơn giản hóa đối tượng nghiên cứu. Mặt khác, cũng nhờ tính chất này mà khi nghiên cứu mô hình, ta có thể nắm chắc được những thuộc tính bản chất của đối tượng, từ đó có thể khái quát hóa chúng để rút ra các quy luật. 1.3.2.3 Tính trực quan Thông thường, khi mà việc nghiên cứu, quan sát trên đối tượng thật gặp nhiều khó khăn thì ta cần phải sử dụng đến mô hình. Bởi lẽ khi xây dựng mô hình ta đã tiến 16 hành “vật chất hóa” những tính chất, những quan hệ không thể trực tiếp tri giác được. Chẳng hạn như mô hình cấu trúc mạng tinh thể của kim loại Cu được biểu diễn bằng hình vẽ ô mạng tinh thể khối lập phương có các chấm tròn chuyển động hỗn loạn bên trong. 1.3.2.4 Tính quy luật riêng Khi xây dựng mô hình, người ta dùng một hệ thống để mô tả một số đặc tính của vật gốc mà người ta chưa biết đầy đủ. Hệ thống đó tuân theo những quy luật mà ta đã biết rõ, gọi là những quy luật riêng của mô hình. 1.3.2.5 Tính lý tưởng Mô hình xuất phát từ thực tiễn, phản ánh thực tiễn. Thực tiễn thì luôn luôn bị chi phối bởi vô số “nhiễu” của môi trường xung quanh. Do đó, khi xây dựng mô hình, ta cần phải loại bỏ tất cả những ảnh hưởng của nhiễu trong nhận thức. Điều đó ít nhiều tạo ra tính chất “lý tưởng” của mô hình. Tính chất lý tưởng của mô hình càng cao thì mô hình càng khái quát, càng giúp ta nhận thức được những nét chung nhất của hiện tượng và bao trùm được một số càng lớn hiện tượng. 1.3.3 Phân loại mô hình Mô hình có rất nhiều loại và việc phân loại mô hình cũng có nhiều cách, dựa trên nhiều cơ sở khác nhau. Ở đây, ta quan tâm đến các mô hình sử dụng trong vật lý học. Có thể phân các mô hình vật lý làm các loại sau: 17 1.3.3.1 Mô hình mô tả Là bản sao đơn giản hóa của các đối tượng vật lý đúng như ta cảm nhận. Ví dụ: mô hình máy bay… 1.3.3.2 Mô hình hình ảnh Dùng để mô tả các đối tượng không thể cảm nhận trực tiếp hay những đối tượng mà ta tưởng tượng nó tồn tại đằng sau bề mặt cảm nhận được. Ví dụ: mô hình nguyên tử (mô hình phóng to) hay mô hình hệ mặt trời (mô hình thu nhỏ),… Đây là loại mô hình mang dấu ấn sáng tạo của con người. Trong dạy học vật lý, loại mô hình này có vai trò rất quan trọng vì nó có tính trực quan rất cao, góp phần hỗ trợ cho HS trong quá trình nhận thức về đối tượng Vật lý. 1.3.3.3 Mô hình tượng trưng Là loại mô hình biểu diễn đối tượng hay hiện tượng vật lý bằng ngôn ngữ, ít nhiều mang tính trừu tượng như ngôn ngữ văn chương (ngôn ngữ kỹ thuật hay thong tin), ngôn ngữ hình ảnh (đồ thị, đường cong biểu diễn,…) ngôn ngữ toán học (các ký hiệu toán học). Ví dụ: Mô hình đường đặc tuyến Volt – Ampere là mô hình tượng trưng được biểu diễn bằng ngôn ngữ hình ảnh, cho ta biết mối quan hệ giữa cường độ và hiệu điện thế một mạch điện nào đó. Hay phương trình sóng Schrodinger được biểu diễn bằng ngôn ngữ toán học... 1.3.3.4 Mô hình tương tự Dựa trên cơ sở phép tương tự trong Vật lý, người ta có thể xây dựng các mô hình trong lĩnh vực khác từ mô hình đã có trong lĩnh vực nào đó. Ví dụ: mô hình sóng cơ là cơ sở để xây dựng mô hình quang học song. 18 1.3.3.5 Mô hình lý thuyết Là mức độ cao nhất của các loại mô hình trừu tượng, nó mang dấu ấn của sự sáng tạo cao nhất của con người. Là một hệ thống các khái niệm nối kết nhau nhờ những phát biểu mà giữa chúng có mối quan hệ cú pháp. 1.3.4 Mô hình trong dạy học Vật lý 1.3.4.1 Vai trò của mô hình trong dạy học Vật lý Triết học Mác – Lênin đã chỉ rõ: nhận thức của con người là hình ảnh của thế giới bên ngoài, phản ánh sự tồn tại của các sự vật, hiện tượng trong thế giới khách quan. Trong dạy học, muốn tạo ra sự chuyển biến trong nhận thức của người học từ cảm giác đến tư duy trừu tượng, từ tư duy trừu tượng đến thực tiễn, thì đòi hỏi người học phải nhận thức được đối tượng học tập, muốn thế họ phải có hình ảnh trực quan về chúng. Do đó, trong dạy học, phải tạo ra những hình ảnh và biểu tượng của đối tượng nhận thức cho HS, để từ đó hình thành các khái niệm khoa học. Nói chung, “dạy học phải bắt đầu từ cái cụ thể trực quan, đây là một nguyên tắc của lý luận nhận thức và dạy học”. Song, trong thực tế, không phải đối tượng vật lý nào cũng có thể cảm nhận bằng các giác quan của con người, trong trường hợp này ta cần thiết phải sử dụng đến các mô hình vật lý. Việc xây dựng mô hình trong quá trình học tập cũng góp phần rất quan trọng trong sự hình thành và phát triển tư duy sáng tạo cho HS, nhiều khi HS lại không đủ khả năng xây dựng mô hình để thay thế cho đối tượng nghiên cứu, lúc đó GV có thể sử dụng mô hình với mục đích sư phạm như một phương tiện trực quan nhằm làm HS hiểu rõ vấn đề nào đó, đặc biệt là những cái không quan sát được. Ví dụ: mô hình về cấu trúc mạng tinh thể kim loại giúp HS có thể giải thích được các tính chất điện của kim loại… 19 Tóm lại, trong dạy học vật lý ở trường phổ thong, trong khuôn khổ bài học không cho phép chúng ta tổ chức quá trình học tập sao cho HS hoàn toàn tự lực xây dựng các mô hình và khám phá lại các định luật vật lý, mà chỉ có thể dẫn dắt họ trải qua những giai đoạn của sự phát minh khoa học, hiểu được ý nghĩa của các mô hình và tầm quan trọng của việc kiểm tra bằng thực nghiệm các hệ quả lý thuyết. Tùy theo điều kiện cụ thể, ta có thể cho HS tham gia vào các giai đoạn của phương pháp mô hình với các mức độ khác nhau. 1.3.4.2 Mức độ sử dụng mô hình trong dạy học Vật lý Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi muốn nhấn mạnh hai mức độ sử dụng mô hình trong dạy học vật lý: Mức độ 1: Sử dụng mô hình trong dạy học vật lý nhằm phát huy tính tự lực của HS trong học tập. Nghĩa là thông qua việc quan sát mô hình và sự vận hành của chúng, HS có thể tự lực: - Nêu một nhận xét về hiện tượng theo yêu cầu của GV; - Mô tả lại cơ chế của hiện tượng; - Nêu một định nghĩa về hiện tượng,… Mức độ 2: Sử dụng mô hình trong dạy học vật lý nhằm nâng cao năng lực sáng tạo cho HS. Nghĩa là thông qua việc quan sát mô hình vận hành và phân tích các yếu tố trên mô hình, HS có thể: - Tự lực nêu một dự đoán (một giả thuyết) về hiện tượng theo yêu cầu của GV; - Tự lực đề xuất các phương án thí nghiệm kiểm chứng; Hoặc thậm chí HS có thể thông qua việc quan sát, phân tích các yếu tố hiển thị trên mô hình để đề xuất ý kiến cải tạo mô hình sao cho phù hợp hơn với bài học,… 20 1.4 Máy vi tính trong dạy học vật lý[11][13][30][34] Công nghệ nói chung là một thành tố trong quá trình dạy học. Công nghệ giúp tối đa hoá thời gian học tập, tối thiểu hoá các lao động cấp thấp, tạo thuận lợi cho các mối quan hệ tương tác, phát triển môi trường học tập thuận lợi. Qua nghiên cứu của các nhà tâm sinh lý học cho thấy vai trò của thính giác và thị giác trong quá trình thu nhận và lưu giữ tri thức là rất quan trọng( thính giác chiếm 11% và thị giác chiếm đến 83%). Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy tỉ lệ tri thức còn lưu lại trong trí nhớ sau khi thu nhận như sau: Phương thức thu nhận tri thức Tỉ lệ tri thức còn lưu lại Nghe 20% Nhìn 30% Nghe và nhìn 50% Tự trình bày 80% Tự trình bày và làm 90% Từ những kết quả nghiên cứu trên cho thấy việc lựa chọn và sử dụng công nghệ và thiết bị dạy học một cách hợp lý là rất quan trọng, nó góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả của quá trình dạy học. Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật là sự bùng nổ của công nghệ thông tin đã và đang cung cấp cho giáo dục một kho tàng thông tin phong phú cũng như một hệ thống thiết bị dạy học hiện đại, trong đó không thể không kể đến vai trò đặc biệt quan trọng của máy vi tính và các phần mềm tin học ứng dụng trong công cuộc đổi mới toàn diện ngành giáo dục như hiện nay. 21 1.4.1 Cơ sở khoa học của việc sử dụng máy vi tính trong dạy học vật lý 1.4.1.1 Cơ sở triết học và tâm lý học Theo triết học Mac – Lênin, sự nhận thức thế giới khách quan của con người trải qua hai trình độ: cảm tính và lí tính, trong đó nhận thức cảm tính chính là nhận thức trực quan. Đây cũng là hình thức nhận thức đầu tiên của con người về thế giới. Ở giai đoạn này, sự vật hiện tượng của thế giới tự nhiên tác động trực tiếp vào các cơ quan thụ cảm của con người, gây nên kích thích ở những tế bào thần kinh, từ đó xuất hiện những cảm giác và hình ảnh của chúng. Hình ảnh trực quan tuy mới cho ta biết được các thuộc tính riêng lẻ, tạm thời và lẫn lộn giữa những yếu tố bản chất với không bản chất, nhưng chúng lại rất quan trọng trong quá trình nhận thức. Tâm lý học dạy học cũng đã khẳng định rằng: các hình ảnh, mô hình trực quan,…có tác động tích cực vào các giác quan của HS gây nên hứng thú học tập cho HS và tạo cơ sở cho việc phát huy năng lực tự học và năng lực sáng tạo của họ. Do đó, việc lựa chọn và sử dụng các phương tiện trực quan hỗ trợ dạy học đóng một vai trò rất quan trọng. Một trong những phương tiện dạy học trực quan phổ biến hiện nay là máy vi tính. 1.4.1.2 Cơ sở lý luận dạy học Theo quan điểm của lý luận dạy học, máy vi tính được xem là một trong những phương tiện hỗ trợ dạy học đắc lực. Với những tính năng ưu việt như có khả năng lưu trữ và hiển thị lại thông tin dưới nhiều dạng như văn bản, hình ảnh, âm thanh,…máy vi tính được sử dụng để hỗ trợ GV trong việc minh họa các hiện tượng, quá trình tự nhiên cần nghiên cứu. Với chức năng của một phương tiện dạy học, máy vi tính có thể được sử dụng trong tất cả các giai đoạn của quá trình dạy học: xây dựng kiến thức mới, củng cố và vận dụng kiến thức, ôn tập và kiểm tra, đánh giá trình độ tri thức, kĩ năng của HS. Điều 22 này chứng tỏ máy vi tính có thể góp phần thực hiện một cách có hiệu quả các nhiệm vụ của quá trình dạy học. 1.4.1.3 Cơ sở thực tiễn Việc ứng dụng công nghệ thông tin vào dạy học là một trong những hướng nhằm đổi mới việc dạy và học hiện nay. Đa số các trường THPT đều được trang bị máy vi tính và các thiết bị hiện đại khác (các loại máy chiếu, màn chiếu,…) hỗ trợ dạy học. Cùng với sự phát triển và phổ biến của công nghệ thông tin và truyền thông, cả GV và HS đều có nhiều điều kiện thuận lợi để tiếp cận với máy vi tính. Hơn nữa, hiện nay, tại các trường THPT đã tổ chức được các lớp học phổ cập tin học cho GV và trong chương trình THPT cũng đã đưa vào môn tin học nên HS cũng được trang bị một số kiến thức cơ bản về sử dụng máy vi tính và các phần mềm. Sự phát triển của công nghệ phần mềm đã cho ra đời rất nhiều phần mềm hỗ trợ cho giảng dạy như: các phần mềm tin học văn phòng của Microsoft, các phần mềm hỗ trợ thiết kế thí nghiệm ảo (croccodile physics, interactive physics,…), các phần mềm hỗ trợ mô phỏng và xây dựng các mô hình (flash, maple, matlab,…)…và các nguồn tư liệu dạy học phong phú từ internet. 1.4.2 Sử dụng máy vi tính trong dạy học vật lý Bên cạnh các ứng dụng thường thấy của máy vi tính trong các môn học khác như: học, ôn tập, kiểm tra, đánh giá bằng máy, xử lý và tính toán kết quả bằng máy,… máy vi tính còn được sử dụng trong dạy học vật lý chủ yếu ở các lĩnh vực quan trọng sau: - Mô phỏng các đối tượng vật lý cần nghiên cứu. - Hỗ trợ trong việc xây dựng các mô hình vật lý. - Hỗ trợ các thí nghiệm vật lý. 23 - Hỗ trợ cho việc phân tích băng video ghi các quá trình vật lý thực. Trong khuôn khổ của đề tài này, chúng tôi chỉ giới hạn tìm hiểu và khai thác hai ứng dụng đầu của máy vi tính trong dạy học vật lý. 1.4.2.1 Sử dụng máy vi tính để mô phỏng các đối tượng vật lý cần nghiên cứu. Không phải mọi quá trình xảy ra trong tự nhiên đều dễ quan sát. Có những quá trình ta có thể khảo sát được sự thay đổi vị trí của vật như chuyển động của ô tô, tàu hoả,…nhưng cũng có những quá trình hoặc xảy ra quá nhanh hoặc quá chậm mà ta không thể quan sát trực tiếp được, ví dụ như dao động của một con lắc lò xo hay quá trình phân rã phóng xạ của một hạt nhân,…và thậm chí có những quá trình xảy ra bên trong đối tượng nghiên cứu khiến ta cũng không thể quan sát trực tiếp được. Trong những trường hợp đó, máy vi tính đóng một vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ mô phỏng lại các các quá trình đó, tức là hiển thị hiện tượng, quá trình nghiên cứu trên màn hình và biến các quá trình đó thành các quá trình có thể điều khiển được (có thể làm cho nó nhanh thêm hay chậm đi, thậm chí dừng lại mọi lúc). Tuy nhiên, việc mô phỏng chính xác đến đâu còn phụ thuộc vào: - Khả năng nhận thức của người nghiên cứu về các quy luật phản ánh hiện tượng, quá trình vật lý. - Khả năng sử dụng các phần mềm lập trình để phản ánh lại các quy luật đó một cách chính xác. 1.4.2.2 Sử dụng máy vi tính để hỗ trợ trongcho việc xây dựng các mô hình vật lý. Khi nghiên cứu các hiện tượng, quá trình vật lý mới, người ta tiến hành quan sát, đo đạc, thu thập, phân tích, xử lý số liệu để đi tới nhận thức được các quy luật chi phối chúng. Nếu các hiện tượng, quá trình đang nghiên cứu quá phức tạp, không tuân theo các quy luật đã biết thì việc thử đưa ra, xây dựng một mô hình toán học mới (đồ thị, biểu thức, phương trình) cho hiện tượng, quá trình vật lý đang nghiên cứu sao cho 24 giải thích được các kết quả quan sát, đo đạc đã thu thập được trong quá trình nghiên cứu chúng là hết sức cần thiết và thường được sử dụng trong nghiên cứu vật lý. Các bước xây dựng mô hình toán học với sự hỗ trợ của máy vi tính: - Bước 1: Quan sát hiện tượng, quá trình vật lý cần nghiên cứu - Bước 2: đưa ra giả thuyết về các mối liên hệ có tính quy luật của một số đại lượng vật lý trong hiện tượng, quá trình đang nghiên cứu (xây dựng mô hình toán học) - Bước 3: kiểm tra giả thuyết (đối chiếu kết quả của quá trình vận hành mô hình với quá trình quan sát thực nghiệm). 1.4.3 Giới thiệu sơ lược về Matlab và sự cần thiết của việc sử dụng Matlab trong việc hỗ trợ xây dựng các mô hình vật lý trên máy tính [7][24] 1.4.3.1 Giới thiệu sơ lược về Matlab Theo TS. Phạm Minh Việt, “Matlab (Maxtrix Laboratory) là một công cụ phần mềm của MathWork với giao diện cực mạnh cùng những lợi thế trong kĩ thuật lập trình đáp ứng được những vấn đề hết sức đa dạng: từ các lĩnh vực kĩ thuật chuyên ngành như điện, điện tử, điều khiển tự động, vật lý hạt nhân cho đến các ngành xử lý toán chuyên dụng như thống kê, kế toán,…đã giải quyết được những vấn đề nói trên một cách đơn giản,trực quan mà không cần đòi hỏi người sử dụng phải là những lập trình viên chuyên nghiệp.” Matlab có thể thực hiện các chức năng của một máy tính cá nhân: giống như các máy tính cơ bản (cộng, trừ, nhân, chia,… ); giống như máy tính kĩ thuật (các phép tính với số phức, căn thức, số mũ,…); như một máy tính cá nhân PC (khả năng lập trình, lưu trữ, tìm kiếm dữ liệu,…);… Matlab cùng bộ lệnh rất mạnh của nó cho phép giải quyết các bài toán khác nhau, đặc biệt là các bài toán ma trận với kết quả nhanh chóng và chính xác. Bên cạnh đó, Matlab còn cho phép xử lý dữ liệu, biểu diễn dữ liệu và có khả năng đồ họa một cách mềm dẻo, đơn giản và chính xác trong không gian hai chiều cũng như ba chiều 25 giúp người sử dụng có thể quan sát kết quả một cách trực quan. Qua đó, ta có thể tạo ra các giao diện riêng cho người sử dụng (GUIs) để giải quyết những vấn đề riêng cho mình. 1.4.3.2 Sự cần thiết của Matlab trong việc hỗ trợ xây dựng các mô hình vật lý trên máy tính Như đã đề cập ở các phần trên, hiện nay trên internet có rất nhiều mô hình vật lý trên máy tính đã được xây dựng nhằm hỗ trợ cho quá trình dạy học. Tuy nhiên, các mô hình này do nhiều tác giả xây dựng và nằm rải rác trong các phần khác nhau của chương trình vật lý THPT, do đó chúng còn rời rạc và chưa đáp ứng được các mục đích dạy học cụ thể của từng GV. Vì vậy, việc xây dựng lại các mô hình vật lý trên máy tính một cách hệ thống theo bài, chương, phần là rất cần thiết. Trong khuôn khổ đề tài này, chúng tôi chú trọng nghiên cứu việc xây dựng các mô hình vật lý trên máy tính hỗ trợ dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường”. Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin là sự ra đời của rất nhiều phần mềm tin học hỗ trợ xây dựng mộ hình vật lý trên máy tính, chẳng hạn như: macro media flash, maple, matlab,…Trong đó, flash thì mạnh về thiết kế hiệu ứng hoạt hình, còn maple và matlab thì mạnh về hỗ trợ lập trình và đồ họa. Qua nghiên cứu phân tích nội dung chương “Dòng điện trong các môi trường”, cũng như những hiểu biết về tính năng của các chương trình, chúng tôi chọn matlab để hỗ trợ xây dựng các mô hình vật lý trên máy tính. Vì: - Cơ chế của các hiện tượng điện được đề cập trong chương là các quá trình xảy ra bên trong đối tượng nghiên cứu, không thể trực tiếp quan sát được, đồng thời các đối tượng bên trong cũng tham gia nhiều chuyển động phức tạp như: dao động của các nút mạng, chuyển động nhiệt hỗn loạn, chuyển động định hướng dưới tác dụng của điện trường ngoài,…do đó cần thiết phái sử dụng công cụ lập trình hỗ trợ mô phỏng lại các quá trình này một cách tương đối chính xác. 26 - Một số môi trường có cấu trúc dạng mạng tinh thể như kim loại hay chất bán dẫn,…do đó, ta có thể biểu diễn chúng dưới dạng ma trận để tiện cho việc tính toán và mô tả hiện tượng. - Các hiện tượng điện xảy ra bên trong các môi trường phụ thuộc vào nhiều thông số như nhiệt độ, cường độ điện trường, hiệu điện thế, cường độ dòng điện,…do đó cần phải xây dựng mô hình sao cho thể hiện được ảnh hưởng của việc thay đổi thông số bên ngoài đến các quá trình xảy ra bên trong hoặc thể hiện được mối quan hệ giữa các thông số điện bên ngoài của môi trường. - Các quá trình xảy ra bên trong các môi trường như: quá trình va chạm giữa các phân tử khí để tạo ion; quá trình tan các nguyên tử kim loại ở điện cực trong hiện tượng dương cực tan; hay quá trình tạo electron tự do và lỗ trống trong bán dẫn,… đều là các quá trình ngẫu nhiên. 27 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Trên đây, chúng tôi đã trình bày những vấn đề về cơ sở lý luận của việc xây dựng và sử dụng mô hình vật lý trên máy tính nhằm hỗ trợ cho quá trình dạy học vật lý. Chúng tôi có một số kết luận sau: - Với đặc thù của môn học vật lý thì việc xây dựng các mô hình vật lý hỗ trợ dạy học là hoàn toàn có tính khả thi và có thể mang lại hiệu quả cao. - Việc sử dụng máy vi tính như một phương tiện hỗ trợ dạy học hoàn toàn phù hợp với mục tiêu đổi mới trong giáo dục hiện nay. Các kết quả nghiên cứu trong tâm lý học và giáo dục học cũng đã khẳng định điều đó. - Với các điều kiện thuận lợi như: + Sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin đã cho ra đời nhiều phần mềm tiện ích hỗ trợ cho việc dạy học. + Đa số các trường THPT đều được trang bị khá đầy đủ về phòng ốc, các phương tiện hiện đại hỗ trợ dạy học( máy chiếu, máy vi tính,…) + Trình độ ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học của GV cũng được nâng lên rất nhiều so với trước đây. Chúng tôi nhận thấy việc ứng dụng máy vi tính để xây dựng các mô hình hỗ trợ dạy học vật lý hoàn toàn có tính khả thi. Trên cơ sở thực tiễn của quá trình dạy học, chúng tôi nhận thấy trong chương trình vật lý THPT có rất nhiều kiến thức cần đến sự hỗ trợ của mô hình nhằm giúp HS có thể học tập tự lực và sáng tạo. Chúng tôi đã tiến hành phân tích và lựa chọn một số kiến thức cơ bản của chương “Dòng điện trong các môi trường” để làm đối tượng nghiên cứu và thực nghiệm cho việc xây dựng và sử dụng mô hình trong dạy học vật lý. 28 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MỘT SỐ MÔ HÌNH VẬT LÝ HỖ TRỢ DẠY HỌC CHƯƠNG “DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG” 2.1. Phân tích nội dung chương “Dòng điện trong các môi trường” – Vật lý 11 – Nâng cao.[2][18][19] 2.1.1 Tổng quan về chương “dòng điện trong các môi trường”- Vật lí lớp 11 – nâng cao. Chương “dòng điện trong các môi trường” là một chương thuộc phần I – Điện học – Điện từ học của chương trình vật lí lớp 11 – nâng cao, được giảng dạy trong 14 tiết, từ tiết 27 đến tiết 42 (trừ tiết 35 – ôn tập và tiết 36 – kiểm tra học kì I). Nội dung chính của chương giới thiệu các kiến thức cơ bản về: bản chất dòng điện trong các môi trường, mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua các môi trường đó, các định luật và ứng dụng của dòng điện qua các môi trường đó. SGK vật lí 11 – nâng cao trình bày 5 môi trường cơ bản nhất, theo trình tự logic từ đơn giản đến phức tạp: Dòng điện trong kim loại Dòng điện trong chất điện phân Dòng điện trong chân không Dòng điện trong chất khí Dòng điện trong bán dẫn Rắn Lỏ Khí Môi trường mới ng Loại hạt và cơ chế tạo hạt có tính phức tạp tăng dần Có thể khái quát nội dung chương bằng sơ đồ sau: 29 2.1.2 Chuẩn kiến thức, kĩ năng NỘI DUNG CHUẨN KIẾN THỨC, KĨ NĂNG Dòng điện trong kim loại - Nêu được các tính chất điện của kim loại - Nêu được điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ - Vận dụng được thuyết electron cổ điển để giải thích định tính các tính chất điện của kim loại Dòng điện trong chất điện phân - Nêu được bản chất của dòng điện trong chất điện phân - Mô tả được hiện tượng dương cực tan và trình bày được điều kiện để xảy ra hiện tượng dương cực tan - Phát biểu được các định luật Faraday về hiện tượng điện phân và viết được công thức Faraday về hiện tượng điện phân - Trình bày được một số ứng dụng của hiện tượng điện phân 30 Dòng điện trong chân không - Trình bày được cách tạo ra dòng điện trong chân không, bản chất của dòng điện trong chân không và đặc điểm về chiều của dòng điện này - Phát biểu được định nghĩa tia Katốt và nêu được các tính chất của tia Katốt - Nêu được nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của ống phóng điện tử Dòng điện trong chất khí - Nêu được các loại hạt tải điện trong chất khí và trình bày được cơ chế của quá trình ion hoá chất khí - Mô tả được mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua chất khí - Trình bày được cách tạo ra tia lửa điện và nguyên nhân hình thành chúng - Trình bày được cách tạo ra hồ quang điện, các đặc điểm chính và ứng dụng của hồ quang điện - Mô tả được quá trình phóng điện trong chất khí ở áp suất thấp Dòng điện trong bán dẫn - Trình bày được các tính chất điện đặc biệt của bán dẫn - Nêu được các loại hạt tải điện trong bán dẫn và giải thích được cơ chế hình thành chúng - Nêu được tác dụng của việc pha tạp chất vào bán dẫn tinh khiết và giải thích được sự tạo thành hai loại bán dẫn n và p. - Trình bày được sự hình thành lớp chuyển tiếp p – n và giải thích được tính chất chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp này. 31 2.1.3 Phân tích logic hình thành các kiến thức cơ bản của từng bài. 2.1.3.1 Dòng điện trong kim loại SGK vật lí 11 – nâng cao chia nội dung bài này thành ba phần chính: Phần 1: các tính chất điện của kim loại Đa số các tính chất điện của kim loại được trình bày dưới dạng thông báo. Riêng có tính chất thứ tư – “điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ” được suy ra từ thực nghiệm, tuy nhiên, ở đây SGK đã thông báo sẵn bảng số liệu kết quả thí nghiệm và hình ảnh đường đặc tuyến Volt – Ampere. Phần 2: electron tự do trong kim loại Nhắc lại cấu trúc mạng tinh thể kim loại và thông báo một số đặc điểm của electron tự do trong kim loại Phần 3: giải thích tính chất điện của kim loại SGK thông báo đặc điểm chuyển động của các electron tự do trong kim loại khi không có và có điện trường ngoài (có hình vẽ minh hoạ), từ đó khái quát bản chất của dòng điện trong kim loại. SGK thông báo nguyên nhân gây ra điện trở kim loại, sau đó nêu câu hỏi tổng hợp C3: tại sao các kim loại khác nhau có điện trở suất khác nhau? SGK giải thích sự phụ thuộc của điện trở kim loại vào nhiệt độ và sự toả nhiệt trên dây dẫn kim loại có dòng điện chạy qua. Nhận xét: Theo tôi, logic hình thành các kiến thức của bài này có những ưu, khuyết điểm sau: Ưu điểm: Các kiến thức được trình bày trong SGK có tính chọn lọc, cô đọng và khá đầy đủ, vừa sức học sinh, Có hình vẽ minh họa cho một số kiến thức, Khuyết điểm: 32 Đa số kiến thức được trình bày dưới dạng thông báo, mang tính chấp nhận. Câu hỏi C1 là một câu hỏi gợi mở rất hay, có thể phát huy được năng lực sáng tạo của HS nếu nó được xếp vào vị trí của một phương án thí nghiệm kiểm chứng sự phụ thuộc của điện trở kim loại vào nhiệt độ (sau khi giải thích xong tính chất điện này). 2.1.3.2 Dòng điện trong chất điện phân SGK chia nội dung bài này thành năm phần chính: Phần 1: hình thành khái niệm chất điện phân và hiện tượng điện phân Từ việc tiến hành các thí nghiệm điện phân với nhiều chất khác nhau (nước cất, dung dịch mối ăn), SGK rút ra kết luận về tính dẫn điện của hai chất này (nước cất cách điện còn dung dịch muối dẫn điện). SGK thông báo thêm kết quả thí nghiệm với dung dịch axit hay bazơ, sau đó khái quát khái niệm về hiện tượng điện phân và chất điện phân. Phần 2: tìm hiểu bản chất dòng điện trong chất điện phân SGK trình bày sơ lược về quá trình điện li các chất tan trong dung dịch dẫn đến kết quả là sự tạo thành các hạt tải điện trong chất điện phân (ion dương và ion âm). SGK mô tả chuyển động của các ion khi không có và có điện trường ngoài, từ đó khái quát bản chất của dòng điện trong chất điện phân. Phần 3: hình thành khái niệm phản ứng phụ trong hiện tượng điện phân và tìm hiểu về hiện tượng dương cực tan SGK mô tả các quá trình xảy ra tại các điện cực khi các ion dịch chuyển đến, sau đó thông báo khái niệm phản ứng phụ. Từ việc tiến hành thí nghiệm điện phân dung dịch CuSO4 với cực dương bằng Cu (kết quả: có một lớp đồng mỏng bám vào Katốt), SGK hướng dẫn giải thích cơ chế của các phản ứng phụ xảy ra tại điện cực dẫn đến kết quả là “cực dương bị hao dần”, sau đó SGK thông báo khái niệm về hiện tượng dương cực tan. 33 SGK trình bày kết quả thí nghiệm điện phân dung dịch CuSO4/cực dương Cu bằng bảng số liệu (19.1) và đồ thị (19.4), sau đó nêu kết luận “khi có hiện tượng dương cực tan, dòng điện trong chất điện phân tuân theo định luật Ohm”. Ngoài ra, SGK còn mở rộng thông báo mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua chất điện phân khi không có hiện tượng dương cực tan. Phần 4: các định luật Faraday về hiện tượng điện phân SGK thông báo hai định luật Faraday về hiện tượng điện phân, từ đó tổng hợp thành công thức Faraday. Phần giải thích các định luật Faraday được trình bày ở phần đọc thêm bên cột trái. Phần 5: các ứng dụng của hiện tượng điện phân SGK giới thiệu sơ lược ba ứng dụng cơ bản nhất của hiện tượng điện phân: điều chế hóa chất, luyện kim và mạ điện. Nhận xét: Theo tôi, logic hình thành các kiến thức bài này theo SGK có những ưu điểm sau: Nội dung kiến thức bài này được trình bày khá đầy đủ, chi tiết, có phần đọc thêm về giải thích cơ chế của các hiện tượng và giải thích định luật Faraday, Có trình bày nhiều hình vẽ minh họa cho hiện tượng (hiện tượng điện li, hiện tượng dương cực tan) Tuy nhiên, bên cạnh đó vẫn còn tồn tại những khuyết điểm: Logic hình thành kiến thức về hiện tượng dương cực tan chưa hợp lí, vì: Để thấy được hiện tượng dương cực tan, ta cần phải tiến hành thí nghiệm trong một thời gian tương đối dài (theo tôi, ít nhất là 30 phút) trong khi đây chỉ là một phần kiến thức nhỏ của bài. Hơn nữa, SGK có nhấn mạnh “đóng K1 trong khoảng thời gian từ 5 đến 10 phút. Quan sát kĩ Katốt ta thấy có một lớp đồng mỏng bám vào”, như vậy, theo SGK thì phần thí nghiệm này không có tác dụng giúp HS hình thành khái niệm về 34 hiện tượng dương cực tan (hiện tượng cực dương bị “mòn” chỉ được hình thành sau một quá trình phân tích cơ chế của các phản ứng xảy ra tại các điện cực – trình bày bằng chữ nhỏ trong SGK). Có thể nói thí nghiệm này chỉ có tác dụng giúp HS thấy được hiện tượng “có chất thoát ra ở điện cực” và góp phần hình thành mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện trong trường hợp này mà thôi. Theo tôi, điều này rất dễ gây khó khăn cho HS trong việc hình thành khái niệm về hiện tượng dương cực tan. Ở đây, ta có thể sử dụng thí nghiệm này như là một phương án thí nghiệm kiểm chứng (được tiến hành trong một tiết học ngoại khóa hoặc tự học sinh tiến hành ở nhà sau đó báo cáo kết quả). 2.1.3.3 Dòng điện trong chân không SGK vật lí 11 – nâng cao chia nội dung kiến thức bài này thành bốn phần: Phần 1: tìm hiểu về bản chất dòng điện trong chân không SGK trình bày khái niệm chân không lí tưởng và điều kiện để tạo ra chân không trong thực tế. SGK mô tả cách tiến hành thí nghiệm với điốt chân không (hình 21.1), hướng dẫn các chi tiết cần quan sát để thu được các dữ kiện cần thiết, sau đó SGK nêu câu hỏi gợi mở C1 và C2 để đi đến giải thích cơ chế của quá trình tạo hạt tải điện trong chân không. SGK mô tả chuyển động của các electron trong chân không dưới tác dụng của điện trường “thuận”, từ đó khái quát về bản chất của dòng điện trong chân không. SGK thông báo về chuyển động của các electron trong điốt chân không khi đảo cực nguồn điện (Anốt[-], Katốt[+]), từ đó khái quát thành tính chất dẫn điện một chiều của điốt chân không. 35 Phần 2: Khảo sát sự phụ thuộc của I theo U SGK mô tả đường đặc tuyến Volt – Ampere của dòng điện trong chân không bằng hình (21.2), sau đó suy ra “dòng điện trong chân không không tuân theo định luật Ohm”. SGK phân tích ý nghĩa từng đoạn của đặc tuyến Volt – Ampere. Nêu câu hỏi gợi mở C3 và C4. Phần 3: tìm hiểu về tia Katốt SGK thông báo cách tạo ra tia Katốt và các tính chất của tia Katốt. Phần 4: tìm hiểu về cấu tạo và hoạt động của ống phóng điện tử Các đặc điểm về cấu tạo và hoạt động của ống phóng điện tử được trình bày bằng chữ nhỏ. Nhận xét Nhìn chung, kiến thức bài này được SGK trình bày khá đầy đủ, vừa sức HS, có nhấn mạnh một đặc điểm quan trọng của hạt tải điện trong chân không (khác với các môi trường đã học) là: “trong ống chân không, không có các electron tự do chuyển động hỗn loạn”. Tuy nhiên, các thí nghiệm được trình bày trong SGK (thí nghiệm 21.1 và 21.4) khó thực hiện thành công và hiện chưa được trang bị đầy đủ ở các trường THPT. 2.1.3.4 Dòng điện trong chất khí SGK chia nội dung kiến thức bài này thành bốn phần: Phần 1: tìm hiểu về bản chất dòng điện trong chất khí Tiến hành thí nghiệm như hình (22.1), thu được kết quả về điều kiện để tạo ra dòng điện trong chất khí (đốt nóng chất khí). SGK giải thích cơ chế của quá trình ion hóa xảy ra trong chất khí dưới tác dụng của tác nhân ion, từ đó nêu tên các loại hạt tải điện được tạo ra trong chất khí. 36 SGK mô tả chuyển động của các hạt tải điện trong chất khí, sau đó khái quát thành bản chất dòng điện trong chất khí. Phần 2: tìm hiểu sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chất khí vào hiệu điện thế Tương tự như bài “chân không”, SGK mô tả đặc tuyến Volt – Ampere bằng hình (22.3), sau đó nhận xét dạng đường đặc tuyến để kết luận “dòng điện trong chất khí không tuân theo định luật Ohm”, sau đó phân tích ý nghĩa từng giai đoạn của đặc tuyến (nhấn mạnh sự ion hoá do va chạm dưới tác dụng của điện trường mạnh và sự phóng điện tự lực của chất khí khi đó). Phần 3: tìm hiểu về các dạng phóng điện trong không khí ở áp suất thường SGK trình bày điều kiện và các đặc điểm của hai dạng phóng điện trong không khí ở áp suất bình thường, nhấn mạnh giải thích hiện tượng sét, ứng dụng của cột thu lôi và các ứng dụng của hồ quang điện trong đời sống và kĩ thuật. Phần 4: tìm hiểu về sự phóng điện thành miền trong chất khí ở áp suất thấp SGK mô tả quá trình phóng điện thành miền trong chất khí ở áp suất thấp và giải thích sự hình thành tia Katốt. 2.1.3.5 Dòng điện trong chất bán dẫn SGK vật lí 11 – nâng cao chia nội dung kiến thức bài này thành bốn phần chính: Phần 1: tìm hiểu các tính chất điện của bán dẫn Dựa trên cơ sở hướng dẫn phân tích hai đồ thị ở hình (23.1) và (23.2), SGK đưa ra ba tính chất điện cơ bản của bán dẫn. Phần 2: tìm hiểu sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết SGK mô tả cấu trúc mạng tinh thể Si ở nhiệt độ thấp, sau đó trình bày cơ chế phát sinh hai loại hạt tải điện (electron và lỗ trống) ở điều kiện nhiệt độ cao. SGK mô tả chuyển động của các loại hạt tải điện khi có điện trường ngoài, từ đó khái quát bản chất của dòng điện trong bán dẫn tinh khiết. 37 SGK nhấn mạnh về đặc điểm số lượng electron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết và giải thích sự phụ thuộc của số cặp electron – lỗ trống vào nhiệt độ. Phần 3: tìm hiểu sự dẫn điện của bán dẫn có tạp chất SGK trình bày rõ cơ chế của quá trình hình thành hai loại bán dẫn n và bán dẫn p. Phần 4: tìm hiểu sự hình thành lớp chuyển tiếp p – n và đặc tính dẫn điện của nó SGK chia phần này thành ba nội dung nhỏ: SGK trình bày rõ cơ chế của quá trình hình thành lớp chuyển tiếp p – n, sau đó, tiếp tục phân tích cơ chế dẫn điện của lớp chuyển tiếp khi áp vào nó một điện trường thuận, nghịch, từ đó rút ra kết luận về đặc tính dẫn điện một chiều của lớp chuyển tiếp p – n. Cuối cùng SGK mô tả đặc tuyến Volt – Ampere của dòng điện qua lớp chuyển tiếp và giới thiệu một số ứng dụng của lớp chuyển tiếp. 2.2 Những vấn đề thường gây khó khăn trong dạy học chương “dòng điện trong các môi trường” Qua thực tế khảo sát cho thấy, hầu hết giáo viên tham gia giảng dạy chương trình vật lý lớp 11 đều cho rằng chương “dòng điện trong các môi trường” là một trong những chương “khó dạy” nhất, gây nhiều khó khăn cho cả giáo viên và học sinh. Tôi xin trình bày một số khó khăn ghi nhận được từ quá trình khảo sát như sau: Thứ nhất là về nội dung kiến thức: Chương này trình bày về bản chất dòng điện trong năm môi trường với sự khác biệt về loại hạt tải điện, cơ chế tạo hạt tải điện,…nên rất dễ gây nhầm lẫn cho học sinh. Xét về góc độ THPT, hầu hết kiến thức của chương đều được giải thích dựa trên cơ sở vật lý học cổ điển (thuyết electron cổ điển), trong khi trên thực tế, cơ chế của các quá trình diễn ra bên trong các môi trường rất phức tạp và tuân theo các định luật cơ học lượng tử về vật rắn, do đó đôi khi lý thuyết cổ điển không thể giải thích thỏa đáng 38 một số đặc điểm về tính chất điện của các môi trường. Điều này rất dễ gây ra sự nhầm lẫn về mặt nhận thức cho học sinh (đặc biệt là kiến thức về sự dẫn điện của bán dẫn pha tạp chất). Nhìn chung, nội dung kiến thức về bản chất dòng điện trong các môi trường rất trừu tượng, khó hiểu (ví dụ khái niệm về lỗ trống trong sự dẫn điện của bán dẫn), nhưng lại xảy ra bên trong vật chất, không thể quan sát được nên gây rất nhiều khó khăn cho học sinh trong quá trình chiếm lĩnh kiến thức cũng như giáo viên khi giảng dạy chương này. Thứ hai là về phương tiện dạy học: Nhiều kiến thức trong SGK được suy ra từ kết quả thí nghiệm, tuy nhiên, một số thí nghiệm lại còn mang tính chất tưởng tượng, thiếu tính khả thi hoặc chiếm nhiều thời gian mới có thể thu được kết quả mong muốn. Hơn nữa, thực tế hiện nay tại các trường THPT (ở tỉnh Ninh Thuận) không được trang bị đầy đủ các thiết bị thí nghiệm có liên quan đến chương (chỉ có thí nghiệm về hiện tượng điện phân, thí nghiệm về sự phóng tia lửa điện và bài thí nghiệm thực hành linh kiện bán dẫn). Vì kiến thức chương khá trừu tượng nên rất cần có các mô hình trực quan hỗ trợ giảng dạy nhưng hiện nay hầu như các trường đều không được trang bị. Thứ ba là về phương pháp giảng dạy: Đa số giáo viên còn dạy chương này theo phương pháp thuyết trình cổ điển, nặng về thuyết giảng, mang tính chất truyền thụ kiến thức một chiều. Các kiến thức về ứng dụng được giảng dạy sơ sài, thiếu liên hệ thực tế. Có một số ít giáo viên thiết kế bài giảng điện tử trên nền powerpoint và bổ sung thêm các hình ảnh minh họa cho bài học. Tóm lại, có thể nói chính những khó khăn trên đã dẫn đến một thực trạng mà theo tôi nghĩ không chỉ có ở Ninh Thuận mà còn ở nhiều địa phương khác trong cả nước, đó là: thái độ học tập của học sinh thiếu hứng thú, tích cực và đa số các em 39 không tự lực chiếm lĩnh kiến thức cũng như tự lực sáng tạo để tìm ra kiến thức khi học chương “dòng điện trong các môi trường” 2.3 Xây dựng một số mô hình vật lý [7][8][17][18][19][23][24] 2.3.1. Mô hình dòng điện trong kim loại(Mh1) 2.3.1.1. Mô hình mô tả chuyển động của electron trong kim loại(Mh1.1) a. Mục đích - Qua khảo sát thực tế cho thấy: HS thường không tự lực mô tả được một cách chính xác chuyển động của các electron trong mạng tinh thể kim loại khi có điện trường ngoài áp vào. (Đa số HS thường bỏ qua hẳn chuyển động nhiệt của các electron, chỉ đề cập đến chuyển động định hướng của electron dưới tác dụng của điện trường ngoài. Đây là một trong những sai lầm mà HS thường mắc phải, vì trên thực tế, chuyển động định hướng của electron là rất nhỏ so với chuyển động nhiệt của nó). - Để khắc phục tình trạng trên, tôi xây dựng mô hình vật lý nhằm giúp HS có thể tự lực mô tả một cách chính xác chuyển động của electron trong mạng tinh thể kim loại khi có điện trường ngoài. Tức là HS có thể tự lực phát biểu được: “các electron vừa chuyển động hỗn loạn vừa định hướng ngược chiều điện trường ngoài”. b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình: - Bước 1: Thực hiện mô hình chuyển động nhiệt của electron trong mạng tinh thể kim loại khi không có điện trường ngoài: + Mô hình (1.1a): mô tả chuyển động hỗn loạn của electron trong mạng tinh thể 3 chiều. + Mô hình (1.1a’): mô tả chuyển động hỗn loạn của electron trong mạng tinh thể theo một mặt cắt vuông góc. - Bước 2: Áp điện trường ngoài vào mạng tinh thể kim loại, mô hình sẽ thể hiện được chuyển động của các electron: vừa chuyển động hỗn loạn, vừa định hướng ngược chiều điện trường ngoài. 40 + Mô hình này được biểu diễn trên một mặt cắt. (Mh1.1b) + Ta đã biết tính chất của kim loại được giải thích dựa trên thuyết electron cổ điển (đối với chương trình phổ thông): coi các electron chuyển động tự do trong mạng tinh thể như khí electron. Do đó, ta có thể mô tả chuyển động nhiệt của electron dưới dạng chuyển động Brown, khi có điện trường ngoài, ta viết thêm thuật toán chuyển động biến đổi đều dưới tác dụng của lực điện trường. c. Hoàn thành mô hình (Mh1.1a) 41 (Mh1.1a’) 2.3.1.2. Mô hình giải thích tính chất điện của kim loại(Mh1.2) a. Mục đích - Qua khảo sát thực tế, với phương pháp dạy như hiện nay (thuyết trình, đàm thoại tái hiện là chủ yếu), học sinh gặp nhiều khó khăn trong việc: + Tự lực nêu dự đoán về các nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại + Tự lực giải thích sự phụ thuộc của R vào nhiệt độ. - Trên cơ sở đó, tôi xây dựng mô hình nhằm giúp học sinh có thể tự lực nêu dự đoán về các yếu tố gây cản trở chuyển động của electron (tức nguyên nhân gây ra điện trở, ở đây chỉ nhấn mạnh nguyên nhân chủ yếu là sự va chạm giữa electron và ion ở nút mạng). Ngoài ra, mô hình còn có thể giúp học sinh tự lực giải thích sự phụ thuộc của điện trở R vào nhiệt độ. Từ đó, học sinh có thể tự lực nêu ra dự đoán về dạng đường đặc tuyến Volt-Ampere của vật dẫn kim loại khi nhiệt độ tăng, mức cao hơn nữa là có thể đề xuất phương án thí nghiệm kiểm chứng hệ quả trên. 42 b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình: Bước 1: Sử dụng mô hình (1.1b), điều chỉnh thêm: + Cho các Ion ở nút mạng dao động quanh nút. + Có thể tăng thêm số lượng electron. Sau khi điều chỉnh ta được mô hình (1.2a). Bước 2: Thêm vào mô hình (1.2a) yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ để thấy rõ sự va chạm giữa electron và Ion ở nút mạng tăng. Ta được mô hình (1.2b) c. Hoàn thành mô hình: (Mh1.2a) Các mô hình dòng điện trong kim loại vừa xây dựng xong (Mh1.1 và Mh1.2) đều được thể hiện trên cùng một giao diện: 43 (Mh1) 2.3.2. Mô hình dòng điện trong chất điện phân (Mh2) a. Mục đích: - Qua việc phân tích logic hình thành kiến thức theo sách giáo khoa hiện hành, cũng như việc khảo sát thực tế, tôi nhận thấy: + Học sinh hầu như không tự lực nêu được khái niệm hiện tượng dương cực tan, + Học sinh gặp nhiều khó khăn trong việc tự lực giải thích cơ chế của hiện tượng dương cực tan (vì đây là một quá trình xảy ra bên trong, không quan sát được, hơn nữa giải thích theo hướng dẫn của sách giáo khoa đòi hỏi HS phải có kiến thức vững vàng về hóa học). - Từ những cơ sở trên, tôi xây dựng mô hình về hiện tượng dương cực tan nhằm giúp đỡ HS tự lực: + Nêu khái niệm về hiện tượng dương cực tan + Giải thích được cơ chế của hiện tượng dương cực tan. 44 + Dự đoán được mối quan hệ giữa U và I khi có hiện tượng dương cực tan. b. Phát thảo mô hình trên giấy: Bước 1: Mô tả điện cực dương dưới dạng ma trận các nguyên tử kim loại (các nguyên tử kim loại cấu tạo nên điện cực xếp thành m hàng, n cột) Bước 2: Mô tả dung dịch điện phân (CuSO4) dưới dạng các ion Cu2+ (màu đỏ) và SO42- (màu xanh). Bước 3: Mô tả các phản ứng phụ xảy ra ở điện cực (trường hợp cực dương bằng đồng) Nhập thông số cho hiệu điện thế giữa hai cực của bình điện phân, mô hình thể hiện: + Các ion chuyển động có hướng về hai điện cực theo hai dòng dịch chuyển ngược chiều nhau. + Tại cực âm: Ion Cu2+ nhận e và bám vào điện cực + Tại cực dương: Ion SO42- đập vào điện cực và biến mất, đồng thời làm cho một nguyên tử đồng ở điện cực biến mất. Sau một thời gian ngắn, có thể thấy hiện tượng sau: + Cực dương bị khuyết dần và cực âm dày thêm (có một lớp màu đỏ) Sau khi thực hiện các bước trên, ta có mô hình được mô tả như sau: Sau một thời gian điện phân Bước 4: Thay đổi thông số hiệu điện thế giữa hai cực, mô hình thể hiện sự thay đổi tương ứng của lượng ion đến các điện cực. c. Hoàn thành mô hình 45 46 Mô hình chỉnh sửa lại sau khi TNSP: 47 2.3.3 Mô hình dòng điện trong chân không(Mh3) 2.3.3.1 Mô hình bản chất dòng điện trong chân không(Mh3.1) a. Thực trạng và mục đích xây dựng mô hình Thực tế, HS chưa tự lực: - Nêu dự đoán về loại hạt tải điện có thể tạo ra trong chân không, - Giải thích cơ chế phát sinh hạt tải điện trong môi trường chân không - Giải thích tính chất dẫn điện một chiều của ống chân không. Mục đích của mô hình: - Giúp HS có thể tự lực nêu dự đoán về loại hạt tải điện có thể tạo ra trong chân không (Tự lực sáng tạo) - Giúp HS có thể tự lực giải thích cơ chế phát sinh hạt tải điện trong môi trường chân không. - Giúp HS có thể tự lực giải thích tính chất dẫn điện một chiều của ống chân không. b. Phát thảo mô hình trên giấy Bước 1: Biểu diễn bản điện cực Katốt (bằng kim loại hay bán dẫn) trong ống chân không dưới dạng mặt cắt mạng tinh thể như bài kim loại. Bước 2: Cung cấp năng lượng cho Katốt bằng cách áp thông số nhiệt độ thích hợp, khi đó mô hình sẽ thể hiện có một số hạt thoát ra khỏi Katốt (có thể có một vài hạt chuyển động về Anốt). Thông số nhiệt độ trung bình có thể làm bứt electron ra khỏi bề mặt kim loại: KT oo 000.15 Nhưng trên thực tế: (vì trong kim loại luôn tồn tại mốt số electron có năng lượng lớn hơn năng lượng trung bình nhiều.) KKT ooo 000.3000.1  48 Bước 3: Áp thông số UAK > 0 vào, mô hình thể hiện các hạt tải điện dịch chuyển có hướng về Anốt. Bước 4: Áp thông số UAK < 0 vào, mô hình thể hiện các hạt tải điện dịch chuyển về lại bề mặt Katốt. c. Lựa chọn phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình: Matlab d. Hoàn thành mô hình 49 2.3.3.2 Mô hình hỗ trợ dự đoán mối quan hệ giữa I và U (Mh3.2) a. Thực trạng và mục đích Trên thực tế, học sinh gặp rất nhiều khó khăn khi giải thích mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện qua ống chân không và hoàn toàn không tự lực nêu dự đoán về dạng đường đặc tuyến Volt – Ampere. Mục đích của mô hình: Tùy theo cách sử dụng của GV, mô hình có thể hỗ trợ HS: - Tự lực giải thích được đường đặc tuyến Volt – Ampere - Hoặc có thể tự lực nêu dự đoán về dạng đường đặc tuyến Volt – Ampere (dành cho lớp khá giỏi). b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình Bước 1: Sử dụng nền mô hình (3.1), thêm một số yếu tố: + Khi UAK > 0 và tăng (<Ub): mô hình thể hiện được số lượng electron về Anốt tăng. + Khi UAK > 0 và tăng vượt quá giá trị Ub: mô hình thể hiện toàn bộ electron sinh ra từ Katốt đều chạy về Anốt hết. Bước 2: Vẫn sử dụng mô hình trên, thêm yếu tố: khi nhiệt độ Katốt tăng, số lượng electron thoát ra ở Katốt cũng tăng theo. c. Lựa chọn phần mềm xây dựng mô hình: matlab d. Hoàn thành mô hình 50 2.3.4 Mô hình dòng điện trong chất khí (Mh4) 2.3.4.1 Mô hình mô tả cơ chế phát sinh hạt tải điện (4.1) a. Thực trạng và mục đích Thực tế: HS thường gặp nhiều khó khăn trong việc tự lực nêu được dự đoán về loại hạt tải điện trong chất khí, và giải thích cơ chế tạo các hạt tải điện này. Mục đích của mô hình: giúp HS có thể tự lực: - Nêu được dự đoán về các loại hạt tải điện có thể có trong chất khí. - Giải thích được cơ chế của quá trình ion hóa chất khí. b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình Bước 1: Biểu diễn môi trường chất khí bằng vùng không gian giữa hai bản kim loại làm điện cực Anốt và Katốt, trong đó có các phân tử khí trung hòa được biễu diễn bằng các chấm tròn màu xanh da trời. Bước 2: Khi áp thông số nhiệt độ vào, mô hình thể hiện được cơ chế của quá trình ion hóa: từ trong một số phân tử khí màu xanh da trời, có hạt nhỏ màu đen (electron) bứt ra 51 và ngay lập tức phân tử trung hòa chuyển thành màu đỏ (ion dương). Tất cả các hạt đều chuyển động hỗn loạn. Bước 3: Khi các hạt electron bị bứt ra chuyển động hỗn loạn, có một số hạt “chui vào” trong phân tử trung hòa màu xanh làm cho nó biến thành màu tím (ion âm). Lúc này trong không gian giữa hai điện cực có 4 loại hạt: - Các phân tử khí trung hòa (màu xanh); - Các electron tự do (màu đen); - Các ion dương (màu đỏ); - Các ion âm (màu tím). c. Lựa chọn phần mềm xây dựng mô hình: matlab d. Hoàn thành mô hình 52 2.3.4.2 Mô hình hỗ trợ dự đoán mối quan hệ giữa I và U (4.2) a. Thực trạng và mục đích HS thường không thể hoặc rất khó khăn trong việc tự lực phác thảo dự đoán về dạng đường đặc tuyến Volt – Ampere. Mục đích của mô hình: Tuỳ theo cách sử dụng của GV, mô hình có thể hỗ trợ HS: - Tự lực giải thích được đường đặc tuyến Volt – Ampere - Hoặc có thể tự lực nêu dự đoán về dạng đường đặc tuyến Volt – Ampere (dành cho lớp khá giỏi). b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình Bước 1: Trong chất khí đã có sẵn các loại hạt tải điện. Bước 2: Áp thông số hiệu điện thế giữa hai điện cực vào, mô hình thể hiện: + Khi UAK > 0 và tăng (<Ub): mô hình thể hiện được số lượng electron và các ion về các điện cực tăng. + Khi Ub < UAK <UC: mô hình thể hiện toàn bộ hạt tải điện sinh ra đều chạy về các điện cực hết. 53 + Khi UAK > UC: mô hình thể hiện quá trình ion hoá do va chạm: electron chuyển động mạnh và hỗn loạn dưới tác dụng của điện trường mạnh đến va chạm với các phân tử khí trung hòa làm bứt ra thêm một electron và phân tử trung hòa biến thành ion dương. Đồng thời các hạt tạo thành đều chuyển động nhanh về các cực. Bước 3: Biểu diễn đường đặc tuyến Volt – Ampere mô tả cho sự thay đổi của I theo U. c. Lựa chọn phần mềm xây dựng mô hình: matlab d. Hoàn thành mô hình 54 2.3.5 Mô hình dòng điện trong bán dẫn (Mh5) 2.3.5.1 Mô hình về sự dẫn điện của bán dẫn tinh khiết(Mh5.1) a. Thực trạng và mục đích Thực tế, HS thường gặp nhiều khó khăn trong việc tự lực nêu dự đoán về loại hạt tải điện trong bán dẫn tinh khiết (ở điều kiện thích hợp). Thông thường, đa số HS chỉ có thể tự lực nêu dự đoán về sự có mặt của electron tự do trong chất bán dẫn dựa trên sự tương tự với dòng điện trong các môi trường đã học, mà khó có thể dự đoán được sự có mặt của một loại hạt mới – “lỗ trống dương”. Ngoài ra, HS thường rất dễ lầm lẫn về sự di chuyển của lỗ trống và electron: - lỗ trống chỉ có thể di chuyển từ vị trí liên kết này sang vị trí liên kết khác trong mạng tinh thể bán dẫn, - còn electron có thể di chuyển cả trong khoảng trống giữa các nguyên tử. Mục đích của mô hình: - Làm cho HS có thể tự lực nêu được dự đoán về các loại hạt mang điện trong bán dẫn là electron tự do và lỗ trống dương. - Làm cho HS có thể phân biệt được điểm khác biệt trong sự di chuyển của electron tự do và lỗ trống trong mạng tinh thể bán dẫn. b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình Bước 1: Mô tả mạng tinh thể Si tinh khiết, trong đó: Nguyên tử Si được biểu diễn bằng một hình tròn màu đỏ, kích thước lớn, Các electron được biểu diễn bằng các chấm tròn nhỏ, màu xanh, Các lỗ trống được biểu diễn bằng các vòng tròn trắng, viền xanh. 55 Bước 2: Khi nhập thông số thích hợp về nhiệt độ cho mạng tinh thể bán dẫn, mô hình thể hiện: một số electron ngẫu nhiên tại các liên kết bị bứt ra và chuyển động tự do trong mạng tinh thể, để lại tại các vị trí liên kết đó là các lỗ trống thiếu electron. Electron tự do Lỗ trống dương Bước 3: Áp vào mạng tinh thể bán dẫn một hiệu điện thế, mô hình thể hiện: Các electron chuyển động ngược chiều điện trường, Các lỗ trống di chuyển từ vị trí liên kết này đến vị trí liên kết khác theo chiều điện trường. c. Phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình Đối với mô hình này, ta có thể xây dựng bằng các phần mềm hỗ trợ khác nhau như: tạo hiệu ứng trên power point, thiết kế hiệu ứng hoạt hình trên macromedia flash hoặc sử dụng phần mềm matlab, trong giới hạn đề tài này, tôi chọn matlab làm phần mềm hỗ trợ vì nó thể hiện được tính ngẫu nhiên của quá trình bứt electron ra khỏi vị trí liên kết. 56 d. Hoàn thành mô hình 2.3.5.2 Mô hình về sự dẫn điện của bán dẫn pha tạp chất(Mh5.2) a. Thực trạng và mục đích Thực tế, HS gặp khó khăn trong việc tự lực giải thích cơ chế dẫn điện của bán dẫn tạp chất cũng như phân biệt sự khác nhau về hạt tải điện của hai loại bán dẫn tạp chất này. Mục đích của mô hình: - Giúp HS có thể tự lực giải thích cơ chế dẫn điện của bán dẫn loại n và loại p. - Giúp HS có tự lực nêu lên điểm khác biệt về hạt tải điện của các loại bán dẫn: Bán dẫn tinh khiết: hạt tải điện cơ bản là electron và lỗ trống có số lượng bằng nhau, Bán dẫn loại n: hạt tải điện cơ bản là electron, lỗ trống là hạt tải điện không cơ bản; số electron nhiều hơn số lỗ trống. Bán dẫn loại p: hạt tải điện cơ bản là lỗ trống, electron là hạt tải điện không cơ bản; số lỗ trống nhiều hơn số electron. b. Phác thảo ý tưởng xây dựng mô hình 57 Sử dụng nền của mô hình (5.1), thêm phần lựa chọn tạp chất. Khi pha tạp chất, mô hình thể hiện: - Loại n: pha Photpho(P) (thể hiện bằng một nguyên tử khác màu trong mạng tinh thể), có electron tự do xuất hiện trong mạng tinh thể (ở điều kiện bình thường). - Loại p: pha Bo(B) (thể hiện bằng một nguyên tử khác màu trong mạng tinh thể), có lỗ trống xuất hiện trong mạng tinh thể (ở điều kiện bình thường). Khi áp thông số hiệu điện thế, mô hình vận hành như mô hình (5.1) c. Phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình: matlab d. Hoàn thành mô hình 58 2.4 Xây dựng tiến trình dạy học một số bài trong chương có sự hỗ trợ của các mô hình [2][13][18][19] 2.4.1 Tiến trình dạy học bài “Dòng điện trong kim loại” (Tiết 27 theo phân phối chương trình vật lý lớp 11 nâng cao) I. Mục tiêu: 1. Kiến thức: Giải thích được cơ chế tạo ra các electron tự do trong kim loại. Nêu được dạng chuyển động của các electron tự do trong mạng tinh thể kim loại khi có điện trường ngoài và phát biểu được bản chất dòng điện trong kim loại. Nêu được các tính chất điện của kim loại. 2. Kĩ năng: Vận dụng được thuyết electron cổ điển để giải thích các tính chất điện của kim loại. Quan sát mô hình vật lý và phát hiện được các yếu tố cơ bản của hiện tượng vật lý. Vận dụng được công thức để giải các bài toán về sự phụ thuộc của điện trở kim loại vào nhiệt độ. )1( oot t  3. Thái độ: Hứng thú và tích cực quan sát các mô hình vật lý trên máy tính để tìm kiến thức. Tự lực làm việc và trả lời các câu hỏi trong phiếu học tập. II. Chuẩn bị: 1. Giáo viên: a. Xác định kiến thức, xây dựng phương án dạy học cho từng kiến thức. Vấn đề 1- Các tính chất điện của kim loại: thông báo kiến thức. Vấn đề 2- Electron tự do trong kim loại: - Cấu trúc mạng tinh thể kim loại: đàm thoại tái hiện. 59 - Cơ chế phát sinh các electron tự do và chuyển động của chúng: đàm thoại gợi mở với sự hỗ trợ của mô hình. - Vấn đề 3- Giải thích các tính chất điện của kim loại: đàm thoại gợi mở với sự hỗ trợ của mô hình. b. Xây dựng các mô hình vật lý trên máy tính hỗ trợ cho bài giảng - Mô hình (Mh1.1): chuyển động của các electron tự do trong mạng tinh thể kim loại, - Mô hình (Mh1.2): giải thích các tính chất điện của kim loại c. Thiết kế phiếu học tập 2. Học sinh: Xem lại bài 12 – Điện năng và công suất điện – Định luật Joule – Lentz. Xem lại nội dung kiến thức về cấu tạo của các loại chất rắn đã học ở lớp 10. Xem lại nội dung thuyết electron cổ điển. III. Tiến trình bài học Giới thiệu chương: Chương này đi vào nghiên cứu về bản chất bên trong của dòng điện chạy trong các môi trường cơ bản( kim loại, chất điện phân, chân không, chất khí và chất bán dẫn), tìm hiểu bản chất của một số hiện tượng liên quan đến dòng điện qua các môi trường trên và một số ứng dụng của chúng. Như vậy, để tìm hiểu bản chất của dòng điện chạy trong một môi trường nào đó ta phải tìm hiểu những vấn đề gì? Để trả lời câu hỏi này, các em hãy trả lời các câu hỏi sau: - Dòng điện là gì? - Điều kiện để có dòng điện trong một môi trường nào đó là gì? Sau khi HS trả lời các câu hỏi trên, GV hướng dẫn HS xác định nhiệm vụ nghiên cứu của chương: 60 Vấn đề 1- Các tính chất điện của kim loại HOẠT ĐỘNG CỦA HS TRỢ GIÚP CỦA GV - Trả lời câu hỏi của GV - Nêu câu hỏi: Hãy nêu những tính chất điện của kim loại mà em biết? - Yêu cầu nhiều HS trả lời câu hỏi trên, sau đó GV bổ sung cho hoàn thiện - Thông báo công thức (17.1) Vấn đề 2- Bản chất của dòng điện trong kim loại: HOẠT ĐỘNG CỦA HS TRỢ GIÚP CỦA GV - HS: cá nhân trả lời câu hỏi: “dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt tải điện tự do” - HS: gồm 2 điều kiện: + Môi trường đó phải có hạt tải điện tự do, + Phải làm cho các hạt tải điện này chuyển động có hướng. - GV: Nêu câu hỏi: dòng điện là gì? - GV: yêu cầu HS phân tích định nghĩa dòng điện và trả lời câu hỏi: điều kiện để có dòng điện chạy trong một môi trường là gì? 61 - HS: electron tự do - HS: thảo luận nhóm và trình bày cơ chế tạo electron tự do trong kim loại. - HS: quan sát mô hình và có thể tự lực trả lời câu hỏi của GV: chuyển động hỗn loạn trong không gian của mạng tinh thể. - HS: áp vào một hiệu điện thế. - HS: quan sát mô hình và trả lời: các electron vừa chuyển động hỗn loạn vừa chuyển động định hướng ngược chiều điện trường ngoài. - GV:Nhận xét và yêu cầu HS ghi nhận kiến thức. Nêu câu hỏi: Bản chất dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời của loại hạt nào? - GV: Các electron tự do này được tạo thành như thế nào? - GV: bình thường trong mạng tinh thể kim loại các electron chuyển động như thế nào? Nếu HS khó khăn trong việc tự lực trả lời câu hỏi này, GV chiếu mô hình hỗ trợ (1.1a ). - GV: để tạo ra dòng điện trong kim loại ta phải làm gì? - GV: chiếu mô hình (1.1b). Nêu câu hỏi: dựa vào mô hình hãy mô tả chuyển động của các electron khi có điện trường ngoài áp vào? - GV: nhấn mạnh cho HS hiểu rằng chuyển động định hướng của các electron là rất nhỏ. Yêu cầu HS phát biểu hoàn chỉnh bản chất dòng điện trong kim loại. 62 Vấn đề 3: Giải thích một số tính chất điện của kim loại HOẠT ĐỘNG CỦA HS TRỢ GIÚP CỦA GV * Giải thích nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại: - HS: là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện. - HS: cản trở chuyển động có hướng của hạt tải điện tự do. - HS: cá nhân quan sát mô hình vận hành và nêu dự đoán về nguyên nhân gây cản trở chuyển động của electron: các ion dương dao động ở nút mạng va chạm với các electron trong quá trình chuyển động. * Giải thích sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ: - HS: quan sát mô hình, cá nhân tự lực giải thích sự phụ thuộc của R vào nhịêt độ: Khi nhiệt độ tăng: Ion dao động mạnh, electron chuyển động nhanh hơn nên khả năng va chạm nhiều hơn, do đó điện trở kim loại tăng. - GV: nêu câu hỏi: điện trở là gì? - GV: nêu câu hỏi: về mặt bản chất, cản trở dòng điện là cản trở “cái gì”? - GV: Chiếu mô hình (1.2a) và yêu cầu HS nêu dự đoán về nguyên nhân chính cản trở chuyển động của các electron tự do trong mạng tinh thể kim loại. - GV: xác nhận dự đoán và thông báo them các yếu tố cản trở phụ: nguyên tố lạ trong mạng tinh thể, sự biến dạng cơ học của mạng tinh thể. - GV: chiếu mô hình (1.2b) và yêu cầu HS tự lực giải thích sự phụ thuộc của điện trở kim loại vào nhiệt độ. * Câu hỏi phụ: hãy thiết kế mô hình thí nghiệm để kiểm chứng sự phụ thuộc của điện trở kim loại vào nhiệt độ? Gợi ý: Khi nhiệt độ thay đổi, đường đặc tuyến V – A của dòng điện qua dây dẫn kim loại có dạng gì? Dụng cụ nào làm bằng dây dẫn 63 kim loại mà khi có dòng điện chạy qua ta có thể nhận biết được, đồng thời nó nóng lên nhanh. IV. Củng cố Bản chất của dòng điện trong kim loại là gì? Tại sao khi nhiệt độ tăng, điện trở kim loại tăng? Trả lời các câu hỏi trong SGK. 2.4.2 Tiến trình dạy học bài “Dòng điện trong chất điện phân” (Tiết 29 - 30 theo phân phối chương trình vật lý lớp 11 nâng cao) I. Mục tiêu: 1. Kiến thức: Nêu được các định nghĩa: chất điện phân, hiện tượng điện phân, phản ứng phụ trong hiện tượng điện phân, hiện tượng dương cực tan. Phát biểu được bản chất của dòng điện trong chất điện phân. Phát biểu được các định luật Faraday về hiện tượng điện phân và viết được các biểu thức tương ứng. Nêu và giải thích được nguyên tắc đúc điện, mạ điện, tinh chế và điều chế kim loại. 2. Kĩ năng: Vận dụng được thuyết điện li để giải thích cơ chế của quá trình phát sinh hạt tải điện trong chất điện phân Quan sát mô hình vật lý và phát hiện được các yếu tố cơ bản của hiện tượng vật lý. Quan sát thí nghiệm và nêu các nhận xét . 64 Vận dụng được các định luật Faraday và công thức Faraday để giải các bài toán về hiện tượng điện phân. 3. Thái độ: Hứng thú và tích cực quan sát các mô hình vật lý trên máy tính để tìm kiến thức. Tự lực làm việc và trả lời các câu hỏi trong phiếu học tập. Tích cực sưu tầm và tìm hiểu thêm các ứng dụng của dòng điện trong chất điện phân. II. Chuẩn bị: 1. Giáo viên: a. Xác định kiến thức, xây dựng phương án dạy học cho từng kiến thức. Vấn đề 1- Tìm hiểu về hiện tượng điện phân: phương pháp đàm thoại và thí nghiệm biểu diễn. Vấn đề 2- Bản chất dòng điện trong chất điện phân: đàm thoại gợi mở. Vấn đề 3- Phản ứng phụ trong chất điện phân và hiện tượng dương cực tan: đàm thoại gợi mở với sự trợ giúp của mô hình. Vấn đề 4- Định luật Faraday về điện phân: thuyết trình Vấn đề 5- Ứng dụng của hiện tượng điện phân: HS tự nghiên cứu theo nhóm rồi báo cáo. b. Xây dựng các mô hình vật lý trên máy tính hỗ trợ cho bài giảng Mô hình (Mh2.1): mô tả cơ chế của hiện tượng dương cực tan. Mô hình (Mh2.2): thiết lập mối quan hệ giữa U và I khi có hiện tượng dương cực tan. c. Thiết kế phiếu học tập d. Chuẩn bị bộ dụng cụ thí nghiệm về dòng điện trong chất điện phân 2. Học sinh: Ôn lại kiến thức hoá học về sự điện li. 65 Giấy kẻ ô milimet dùng để vẽ đồ thị. Sưu tầm một số sản phẩm, tranh ảnh về mạ điện, đúc điện,… III. Tiến trình bài học Kiểm tra bài cũ: Câu hỏi 1: Mô tả chuyển động của các elctron tự do trong mạng tinh thể kim loại khi không có và có điện trường ngoài đặt vào? Câu hỏi 2: Giải thích sự phụ thuộc của điện trở kim loại vào nhiệt độ? Câu hỏi 3: Thế nào là hiện tượng nhiệt điện, hiện tượng siêu dẫn? Kể tên ứng dụng của chúng? Bài mới: Vấn đề 1: Hiện tượng điện phân HOẠT ĐỘNG CỦA HS TRỢ GIÚP CỦA GV - Quan sát Trả lời: nước cất không dẫn điện vì kim điện kế không lệch. - Quan sát Trả lời: dung dịch muối ăn dẫn điện vì kim điện kế không lệch. - HS kết luận chung cho các trường hợp muối, axit, bazơ nói chung - Tiến hành thí nghiệm điện phân: + Thí nghiệm 1: đổ nước cất vào bình điện phân. Nêu câu hỏi: nước cất có dẫn điện không? Vì sao? + Thí nghiệm 2: cho vào bình điện phân đã có nước cất một ít muối ăn (NaCl). Nêu câu hỏi: dung dịch muối ăn có dẫn điện không? Vì sao? - Nếu thay muối ăn bằng một muối tan khác hoặc axit hoặc bazơ tan thì kim điện kế có lệch không? - Gọi tên hiện tượng điện phân và chất điện phân. 66 Vấn đề 2: Bản chất dòng điện trong chất điện phân HOẠT ĐỘNG CỦA HS TRỢ GIÚP CỦA GV - Cá nhân tự lực trả lời câu hỏi. - Vì trong các môi trường đó có hạt tải điện tự do. - Là các ion dương và ion âm. Các hạt này được tạo thành do quá trình điện li.   ClNaNaCl - Khi không có điện trường các ion chuyển động hỗn loạn trong dung dịch. - Khi có điện trường, các ion có thêm chuyển động có hướng: ion dương chạy cùng chiều và ion âm chạy ngược chiều điện trường. - Phát biểu bản chất dòng điện. - Nêu câu hỏi: Nhắc lại những vấn đề cần nghiên cứu về bản chất dòng điện trong một môi trường? - Vì sao các môi trường dung dịch muối, axit, bazơ dẫn điện được? - Vậy hạt tải điện trong các môi trường này (gọi chung là chất điện phân) là gì? Các hạt tải điện này được tạo thành như thế nào? - Yêu cầu HS viết phương trình phản ứng minh hoạ. -Khi không có điện trường ngoài, các hạt tải điện này chuyển động như thế nào? - Nếu đặt vào giữa hai điện cực thì các hạt tải điện này chuyển động như thế nào? - Hãy phát biểu bản chất dòng điện trong chất điện phân? Vấn đề 3: Phản ứng phụ trong hiện tượng điện phân và hiện tượng dương cực tan HOẠT ĐỘNG CỦA GV VÀ HS TRỢ GIÚP CỦA GV - Thảo luận nhóm và đưa ra câu trả lời: + Cực dương: Ion âm nhường e cho - Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các ion chuyển động có hướng đến các 67 điện cực. + Cực âm: ion dương nhận e và trở thành phân tử hay nguyên tử trung hoà. - Quan sát mô hình và tự lực trả lời câu hỏi của GV: + Ở cực âm có một lớp đồng đỏ bám vào điện cực. + Cực dương bị ăn mòn dần. - Trường hợp cực dương bằng Ag. - phát biểu định nghĩa hiện tượng dương cực tan. - Quan sát kĩ mô hình vận hành một lần nữa và tự lực phân tích cơ chế của hiện tượng để giải thích. điện cực. Em hãy mô tả quá trình xảy ra ở các điện cực? - Nếu điện phân ddCuSO4 và sử dụng kim loại đồng làm cực dương thì có những hiện tượng gì xảy ra tại các điện cực? Chiếu mô hình hỗ trợ (Mh2.1) - Nếu điện phân ddAgNO3 với điện cực dương làm bằng Ag hoặc làm bằng Pb thì trong trường hợp nào cực dương bị mòn như trên? - Gọi tên hiện tượng “dương cực tan” và yêu cầu HS phát biểu định nghĩa. - Chiếu lại mô hình (2.1), giải thích rõ các biểu tượng, yêu cầu HS quan sát và giải thích cơ chế của hiện tượng dương 68 - Quan sát kĩ mô hình một lần nữa, chú ý đến sự thay đổi số lượng các ion trong dung dịch, trả lời câu hỏi: số ion trong dung dịch không đổi suy ra nồng độ dung dịch không đổi. - Quan sát mô hình và tự lực đề xuất dự đoán: I tỉ lệ thuận với U hay dòng điện qua chất điện phân khi có dương cực tan tuân theo định luật Ohm. - Có thể tự lực đề xuất phương án thí nghiệm như sách giáo khoa. cực tan. - Chiếu lại mô hình (2.1) (giảm bớt thông số về số lượng ion trong dung dịch) và nêu câu hỏi: hãy cho biết trong hiện tượng dương cực tan, nồng độ các ion trong dung dịch như thế nào? (tăng, giảm hay không đổi) - Chiếu mô hình (2.2), thay đổi giá trị U, yêu cầu HS quan sát sự thay đổi số lượng ion về các điện cực và đề xuất dự đoán về mối quan hệ giữa I và U. - Có thể mở rộng: hãy đề xuất một phương án thí nghiệm để kiểm chứng giả thuyết của em? - GV mở rộng thông báo cho HS: trong trường hợp không có hiện tượng dương cực tan, bình điện phân đóng vai trò như một máy thu. Vấn đề 4: Định luật Faraday HOẠT ĐỘNG CỦA HS TRỢ GIÚP CỦA GV - Trả lời câu hỏi: omNm . om : là khối lượng một nguyên tử Cu. - Trong thí nghiệm hiện tượng dương cực tan, cứ một nguyên tử Cu ở Anốt bị tan ra thì ở Katốt có một nguyên tử Cu bám vào. Nếu gọi N là số nguyên tử đồng bám vào Katốt sau thời gian t thì 69 - HS có thể quan sát lại thật kĩ mô hình (2.2), suy nghĩ và nêu dự đóan: N phụ thuộc vào cường độ dòng điện qua bình và thời gian điện phân. - Suy nghĩ và nêu dự đoán: tIkmm o ... - Làm theo hướng dẫn của GV, ghi nhận kiến thức về định luật 1. - Lắng nghe và ghi chép - Biến đổi để đưa ra công thức Faraday: It n A F m 1 khối lượng Cu thu được ở điện cực được tính như thế nào? - Theo em, số nguyên tử Cu bám vào Katốt có thể phụ thuộc vào những yếu tố nào?( có thể cho HS xem lại mô hình 2.2). - Hãy viết biểu thức dự đoán về khối lượng Cu thu được ở Katốt sau thời gian t? - Hướng dẫn HS điều chỉnh lại biểu thức theo đúng nội dung định luật 1- Faraday. Yêu cầu HS phát biểu và viết biểu thức định luật 1. qkm . - Thông báo nội dung định luật 2. n Ack . - Từ các định luật Faraday và công thức q= It, hãy suy ra công thức Faraday cho hiện tượng điện phân nói chung. Vấn đề 5: Ứng dụng của hiện tượng điện phân HOẠT ĐỘNG CỦA HS TRỢ GIÚP CỦA GV -Ngồi theo nhóm đã phân công. - Đọc sách giáo khoa, tóm tắt kiến thức, - Tổ chức cho HS ngồi theo nhóm nhỏ. - Yêu cầu HS các nhóm đọc sách giáo khoa phần ứng dụng, sau đó từng nhóm 70 liên hệ kiến thức với các sản phẩm mà nhóm mình đã sưu tầm được để giải thích nguyên tắc tạo sản phẩm. - Đại diện nhóm thuyết trình. lên thuyết trình về các ứng dụng và các sản phẩm, hình vẽ mà nhóm mình đã sưu tầm được. - Lắng nghe và nhận xét IV. Củng cố Thế nào là hiện tượng dương cực tan? Viết biểu thức định luật Ohm cho trường hợp có hiện tượng dương cực tan? Phát biểu và viết biểu thức các định luật Faraday? 2.4.3 Tiến trình dạy học bài “Dòng điện trong chân không” (Tiết 32 theo phân phối chương trình vật lý lớp 11 nâng cao) I. Mục tiêu: 1. Kiến thức: - Nêu được cách tạo ra hạt tải điện trong chân không. - Nêu được bản chất dòng điện trong chân không và đặc điểm về chiều của dòng điện trong chân không. - Nêu được định nghĩa và các tính chất của tia Katốt. - Nêu được nguyên tắc hoạt động của ống phóng điện tử. 2. Kĩ năng: - Quan sát mô hình vật lý và phát hiện được các yếu tố cơ bản của hiện tượng vật lý. - Giải thích được các giai đoạn của đường đặc tuyến Volt – Ampere. 3. Thái độ: - Hứng thú và tích cực quan sát các mô hình vật lý trên máy tính để tìm kiến thức. - Tự lực làm việc và trả lời các câu hỏi trong phiếu học tập. 71 II. Chuẩn bị: 1. Giáo viên: a. Xác định kiến thức, xây dựng phương án dạy học cho từng kiến thức. Vấn đề 1: Bản chất dòng điện trong chân không: đàm thoại có sự hỗ trợ của mô hình. Vấn đề 2: Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong chân không vào hiệu điện thế: đàm thoại có sự hỗ trợ của mô hình. Vấn đề 3: Ứng dụng của dòng điện trong chân không: - Tia K