Luận án: Xây dựng thí nghiệm dạy học chương Dòng điện trong các môi trường Vật lí 11 nhằm phát triển năng lực khoa học

Lí do chọn đề tài Năng lực khoa học của học sinh đã trở thành một vấn đề quan trọng của giáo dục, ở cấp quốc gia và quốc tế khi nhân loại đang đối mặt với những thách thức lớn trong việc cung cấp nƣớc, thực phẩm, kiểm soát bệnh tật, tạo ra đủ năng lƣợng và thích nghi với biến đổi khí hậu (UNEP, 2012),[72]. Nhiều vấn đề thực tiễn - nơi các cá nhân có thể phải đối mặt với các quyết định về sự ảnh hƣởng của khoa học - công nghệ đến sức khỏe và nguồn cung cấp thực phẩm của họ, cũng nhƣ việc sử dụng hợp lý các vật liệu, năng lƣợng và công nghệ mới. Đối phó với tất cả những thách thức trên đòi hỏi mọi công dân phải có kiến thức khoa học. Theo Ủy ban châu Âu, các giải pháp cho những vấn đề nan giải về chính trị và đạo đức liên quan đến khoa học và công nghệ "không thể là chủ đề của cuộc tranh luận, trừ khi những người trẻ tuổi có nhận thức nhất định về mặt khoa học" (European Commission, 1995), [72].

Điều này không có nghĩa là “biến” tất cả mọi ngƣời thành một chuyên gia khoa học, mà năng lực khoa học có vai trò giác ngộ mỗi con ngƣời trong việc đƣa ra các lựa chọn ít ảnh hƣởng đến môi trƣờng sống của chính mình và cộng đồng. Với kiến thức về khoa học - công nghệ dựa trên khoa học, đã đóng góp đáng kể vào cuộc sống con ngƣời, xã hội và nghề nghiệp của mỗi cá nhân, sự hiểu biết về khoa học - công nghệ là yếu tố trung tâm đối với việc chuẩn bị cho cuộc sống của một thanh thiếu niên. Vì vậy, ở các nƣớc có nền giáo dục tiên tiến, khoa học là một yếu tố bắt buộc trong chƣơng trình Giáo dục từ mẫu giáo đến khi hoàn thành giáo dục phổ thông [72]. Nghị quyết số: 29-NQ/TW, ngày 4 tháng 11 năm 2013 về đổi mới căn bản toàn, diện giáo dục và đào tạo đã chỉ rõ: “Đổi mới chương trình nhằm phát triển năng lực và phẩm chất người học, tăng thực hành, vận dụng kiến thức vào thực tiễn.

Đa dạng hóa nội dung, tài liệu học tập, đáp ứng yêu cầu của các bậc học, các chương trình giáo dục, đào tạo. Tiếp tục đổi mới mạnh mẽ phương pháp dạy và học theo hướng hiện đại; phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và vận dụng kiến thức, kỹ năng của người học; khắc phục lối truyền thụ áp đặt một chiều, ghi nhớ máy móc. Tập trung dạy cách học, cách nghĩ, khuyến khích tự 1 học, tạo cơ sở để người học tự cập nhật và đổi mới tri thức, kỹ năng, phát triển năng lực. Chuyển từ học chủ yếu trên lớp sang tổ chức hình thức học tập đa dạng, chú ý các hoạt động ngoại khóa, nghiên cứu khoa học.

Theo chƣơng trình giáo dục phổ thông (2018) môn Vật lí ở cấp Trung học phổ thông, thí nghiệm, thực hành đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong việc hình thành khái niệm, quy luật, định luật Vật lí. Vì vậy, bên cạnh việc sử dụng các mô hình Vật lí và Toán học, chƣơng trình môn Vật lí chú trọng thích đáng đến việc hình thành năng lực tìm tòi khám phá các thuộc tính của đối tƣợng Vật lí thông qua các nội dung thí nghiệm, thực hành dƣới các góc độ khác nhau.[2] Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các phƣơng tiện kĩ thuật số, thí nghiệm Vật lí kết nối với thiết bị vi tính cũng ngày càng phát triển không chỉ trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học Vật lí mà đã đƣợc sử dụng trong các nhà trƣờng. Các thí nghiệm kết nối với thiết bị vi tính đã cho phép thực hiện đƣợc nhiều thí nghiệm với các phép đo tín hiệu bé (mV) mà trƣớc kia, với thiết bị thí nghiệm truyền thống chƣa thực hiện đƣợc, đặc biệt có thể nghiên cứu không chỉ định tính mà cả mặt định lƣợng của các hiện tƣợng Vật lí. Việc thu thập, xử lí nhanh chóng, chính xác các dữ liệu, tiết kiệm thời gian tiến hành thí nghiệm là một trong những ƣu điểm nổi trội của thí nghiệm kết nối với thiết bị vi tính.

Trong những năm qua, mặc dù các trƣờng phổ thông của nƣớc ta đã đƣợc trang bị các thiết bị thí nghiệm theo “Danh mục thiết bị dạy học tối thiểu” của Bộ Giáo dục và Đào tạo, nhƣng hiệu quả sử dụng chúng vẫn còn nhiều hạn chế. Trong đó, các thí nghiệm về “Dòng điện trong các môi trường” (Vật lí 11) hiện hành, số lƣợng thiết bị thí nghiệm thiếu; còn nhiều thí nghiệm định tính, một số phép đo dùng đồng hồ đa năng hiện số có độ chính xác không cao, khó sử dụng chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu dạy học phát triển năng lực cho học sinh. Vì vậy, cần phải hoàn thiện và xây dựng thêm các thí nghiệm kết nối với thiết bị vi tính, có độ chính xác cao, thu thập và xử lí dữ liệu trong thời gian ngắn, tạo điều kiện nhiều hơn về thời gian cho các hoạt động tìm tòi - nghiên cứu, đa dạng hóa hình thức học tập, chuyển phƣơng pháp khoa học thành phƣơng pháp tự học, phát triển năng lực khoa học cho học sinh. Vì những lí do nêu trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là: 2 “Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường” Vật lí 11 nhằm phát triển NLKH cho học sinh trung học phổ thông”.

Mục đích nghiên cứu Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” Vật lí 11 nhằm phát triển năng lực khoa học cho học sinh. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu + Đối tƣợng nghiên cứu - Hoạt động dạy học và thí nghiệm hỗ trợ dạy và học một số kiến thức về: “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” trong chƣơng trình Vật lí lớp 11 THPT. - NLKH của học sinh THPT trong học tập môn Vật lí + Phạm vi nghiên cứu - Xây dựng, hoàn thiện thí nghiệm hỗ trợ hoạt động dạy và học; Tổ chức hoạt động học một số kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” trong chƣơng trình Vật lí lớp 11 THPT. - Học sinh lớp 11 ở tỉnh Ninh Bình và thành phố Hà Nội.

Nhiệm vụ nghiên cứu 1) Nghiên cứu tổng quan về dạy học phát triển năng lực, đánh giá NLKH của học sinh ở trƣờng phổ thông. 2) Nghiên cứu lí luận dạy học phát triển năng lực, đánh giá NLKH của học sinh THPT trong học tập môn Vật lí. 3) Nghiên cứu vai trò của thí nghiệm Vật lí ở trƣờng THPT trong việc phát triển NLKH cho học sinh. 4) Nghiên cứu thực trạng về sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về “Dòng điện trong các môi trường”, theo định hƣớng dạy học phát triển năng lực cho học sinh.

5) Xây dựng, hoàn thiện 3 bộ thí nghiệm và sử dụng chúng vào thiết kế tiến trình dạy học góp phần phát triển NLKH cho học sinh trong dạy học một số kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn”. 3 6) Xây dựng bộ công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH của học sinh trong tiến trình dạy học có sử dụng các thí nghiệm đã xây dựng. 7) Thực nghiệm sƣ phạm, nhằm đánh giá tính khả thi của các thiết bị thí nghiệm và tiến trình dạy học về khả năng phát triển NLKH cho học sinh trong học một số kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11). Giả thuyết khoa học “Nếu xây dựng được các thí nghiệm và sử dụng chúng để thiết kế tiến trình dạy học phù hợp với lí luận phát triển năng lực trong dạy học một số kiến thức về “Dòng điện trong các môi trường”(Vật lí 11), thì NLKH của học sinh sẽ được phát triển”.

Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lí thuyết: Nghiên cứu các tài liệu, luận án trong và ngoài nƣớc về lí luận dạy học Vật lí, có sử dụng thí nghiệm phát triển NLKH cho học sinh để xây dựng cơ sở lí luận của luận án. - Nghiên cứu thực tiễn dạy học: Sử dụng phiếu điều tra thu thập thông tin về thực trạng dạy và học Vật lí có sử dụng thí nghiệm, phát triển năng lực học sinh ở trƣờng THPT. - Thực nghiệm khoa học: Chế tạo, hoàn thiện và thử nghiệm thí nghiệm; Dạy thực nghiệm Sƣ phạm ở trƣờng THPT. Đánh giá tính khả thi của việc xây dựng và sử dụng thí nghiệm phát triển NLKH của học sinh THPT.

- Thống kê toán học: Sử dụng các phần mềm thống kê chuyên dụng, phân tích kết quả thực nghiệm để đánh giá tính khả thi của luận án. Những đóng góp mới của luận án 7. Đóng góp về mặt lí luận - Xây dựng đƣợc 3 nguyên tắc xây dựng và 6 biện pháp sử dụng thí nghiệm hỗ trợ dạy học Vật lí phát triển NLKH cho học sinh THPT. - Xây dựng đƣợc quy trình sử dụng thí nghiệm, hỗ trợ hoạt động dạy và học kiến thức mới, thực hành thí nghiệm và giải bài tập thí nghiệm ở nhà phát triển NLKH cho học sinh.

- Xây dựng đƣợc bộ công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH của học sinh THPT trong học tập môn Vật lí có sử dụng thí nghiệm. Đóng góp về mặt thực tiễn - Xây dựng và đƣa vào sử dụng 3 bộ thí nghiệm dạy và học kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11) phát triển NLKH cho học sinh. - Xây dựng đƣợc tiến trình dạy và học 4 nội dung kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11), có sử dụng các thí nghiệm đã xây dựng nhằm phát triển NLKH cho học sinh. - Xây dựng đƣợc bộ công cụ đánh giá mức độ phát triển NLKH của học sinh trong và sau khi học 4 nội dung kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” (Vật lí 11).

- Bằng những linh kiện bán dẫn phổ biến, rẻ tiền đã thiết kế và chế tạo đƣợc thiết bị thu thập và xử lí số liệu thí nghiệm với các phép đo tín hiệu nhỏ (mV), có độ chính xác cao, phù hợp với dạy học phát triển NLKH cho học sinh ở trƣờng THPT. Cấu trúc của luận án Cấu trúc của luận án, ngoài phần mở đầu, kết luận kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận án gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu Chƣơng 2: Cơ sở lí luận và thực tiễn Chƣơng 3: Xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học kiến thức về “Dòng điện trong kim loại và chất bán dẫn” nhằm phát triển NLKH cho học sinh. Chƣơng 4: Thực nghiệm sƣ phạm 5 Chƣơng 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.