Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Vật lí là môn khoa học thực nghiệm, hầu hết tri thức vật lí trong chương trình trung học phổ thông đều được hình thành và phát triển thông qua con đường thực nghiệm. Trong xu thế đổi mới giáo dục từ tiếp cận nội dung sang tiếp cận năng lực người học, việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học trở thành một thành tố quan trọng. Tuy nhiên, thực tiễn tại các trường phổ thông ở Việt Nam cho thấy việc tổ chức dạy học bằng thí nghiệm còn gặp nhiều khó khăn do trang thiết bị lạc hậu, thiếu thốn, khâu chuẩn bị tốn thời gian và thiếu công cụ chuẩn mực để đánh giá năng lực thực nghiệm của học sinh.

Nhằm khắc phục rào cản về cơ sở vật chất và tăng cường liên hệ thực tiễn, hướng tiếp cận thí nghiệm gắn kết cuộc sống sử dụng các vật liệu quen thuộc, dễ tìm kiếm để giải quyết các vấn đề thực tế. Đồng thời, trong Chương trình Giáo dục phổ thông 2018, nội dung "Động lượng" môn Vật lí 10 được tách thành một mạch nội dung riêng với thời lượng 6 tiết (thay vì 2 tiết như chương trình 2006) và được bố trí sau bài "Động năng", tạo điều kiện thuận lợi để tổ chức dạy học thực nghiệm về va chạm và định luật bảo toàn. Xuất phát từ bối cảnh đó, khóa luận thực hiện nghiên cứu đề tài: "Bồi dưỡng năng lực thực nghiệm của học sinh trong dạy học nội dung Động lượng – Vật lí 10 thông qua thí nghiệm gắn kết cuộc sống".

Mục đích nghiên cứu: Thiết kế một số thí nghiệm gắn kết cuộc sống và áp dụng vào tổ chức dạy học nội dung Động lượng - Vật lí 10 nhằm phát triển năng lực thực nghiệm của học sinh trung học phổ thông.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định gồm 6 nhiệm vụ:

  1. Nghiên cứu cơ sở lí luận của việc đánh giá năng lực thực nghiệm.
  2. Nghiên cứu cơ sở lí luận các thí nghiệm vật lí.
  3. Thiết kế thí nghiệm gắn kết cuộc sống trong dạy học chương Động lượng.
  4. Lên kế hoạch tổ chức tiết dạy có sử dụng thí nghiệm Vật lí gắn kết cuộc sống.
  5. Tổ chức thực nghiệm trên đối tượng học sinh lớp 10 tại trường trung học phổ thông.
  6. Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình dạy học cho học sinh trung học phổ thông có sử dụng các thí nghiệm.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mạch nội dung Động lượng thuộc chương trình môn Vật lí 10 năm 2018; địa bàn thực nghiệm tại lớp 10A4 Trường THCS – THPT Hoa Sen, Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 04/2022).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống cơ sở lí thuyết dựa trên các khái niệm và khung tham chiếu học thuật:

  • Khái niệm thí nghiệm vật lí: Dựa trên lí luận của Phạm Hữu Tòng (2001), thí nghiệm là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào đối tượng thực tế khách quan nhằm thu nhận tri thức mới hoặc kiểm chứng quy luật vật lí.
  • Thí nghiệm vật lí gắn kết cuộc sống: Dựa trên các nghiên cứu của Võ Thị Minh Ngọc, Nguyễn Thành Danh (2018) và Nguyễn Đăng Thuấn (2018), được định nghĩa là các thí nghiệm xuất phát từ tình huống thực tiễn, thực hiện bằng phương tiện gần gũi, triển khai được trong hoàn cảnh đời sống nhằm trả lời các câu hỏi thực tế.
  • Khái niệm và cấu trúc năng lực thực nghiệm (NLTN): Tổng hợp từ quan điểm của Nguyễn Thị Kim Dung (2015), Chương trình GDPT tổng thể 2018, Trương Xuân Cảnh (2015), Trần Thị Thanh Thư (2016), Lê Vũ Trường Sơn (2019), Nguyễn Đình Can (2019) và Phùng Thị Thái Hà (2020). Cấu trúc NLTN gồm 4 năng lực thành phần (NLTP) với 12 chỉ số hành vi:
    • NLTP 1: Phát hiện vấn đề và đưa ra giả thuyết (2 chỉ số hành vi: 1.1 Tìm hiểu và phát biểu vấn đề; 1.2 Đưa ra dự đoán/giả thuyết).
    • NLTP 2: Đề xuất, lựa chọn và lập kế hoạch tiến hành thí nghiệm (3 chỉ số hành vi: 2.1 Nêu cơ sở lí thuyết; 2.2 Lựa chọn/đề xuất phương án thí nghiệm; 2.3 Lập kế hoạch tiến hành).
    • NLTP 3: Thực hiện phương án thí nghiệm đã thiết kế (4 chỉ số hành vi: 3.1 Lựa chọn/xây dựng dụng cụ; 3.2 Bố trí/lắp ráp thiết bị; 3.3 Tiến hành thí nghiệm; 3.4 Thu thập và ghi lại kết quả).
    • NLTP 4: Xử lí, phân tích, trình bày kết quả và đánh giá (3 chỉ số hành vi: 4.1 Xử lí số liệu; 4.2 Biện luận kết quả và rút ra kết luận; 4.3 Đánh giá và đề xuất cải tiến).
  • Khung đánh giá: Tham khảo chuẩn đánh giá Practical Endorsement của Hội đồng khảo thí OCR (Anh) và thang đánh giá theo tiêu chí (Rubric 3 mức độ).

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp nghiên cứu lí luận: Phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên ngành về phương pháp dạy học vật lí, chương trình Vật lí 2018 và các nghiên cứu về đánh giá năng lực thực nghiệm.
  • Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Tiến hành dạy học tại lớp 10A4 Trường THCS – THPT Hoa Sen; sử dụng phiếu hướng dẫn thí nghiệm, phiếu học tập, quay video lớp học để phân tích hành vi và thu thập sản phẩm học tập của học sinh.
  • Phương pháp thống kê toán học: Xử lí và phân tích định lượng số liệu thực nghiệm để đánh giá sự phát triển năng lực của từng học sinh và nhóm học sinh.

Nguồn dữ liệu: Toàn bộ dữ liệu nghiên cứu được thu thập trực tiếp từ phiếu đánh giá năng lực theo rubric, bảng số liệu thực nghiệm đo đạc của các nhóm học sinh (nhóm 1 đến nhóm 5) và video ghi hình các tiết học thực nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lí luận về dạy học thí nghiệm Vật lí gắn kết cuộc sống của học sinh trung học phổ thông

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lí luận về thí nghiệm gắn kết cuộc sống và năng lực thực nghiệm của học sinh THPT:

  • Phân tích 6 đặc điểm và 6 vai trò của thí nghiệm gắn kết cuộc sống: tính khả thi, tạo sức hút từ hiện tượng gần gũi, khả năng thực hiện ngoài phòng thí nghiệm, tăng cường tương tác xã hội, bồi dưỡng tính tự lập và ý thức tiết kiệm, bảo vệ môi trường.
  • Xác định 2 biện pháp bồi dưỡng NLTN trong dạy học vật lí: (1) Tăng cường sử dụng thí nghiệm trong dạy học; (2) Tổ chức cho học sinh giải thích hiện tượng tự nhiên, tự chế tạo dụng cụ thí nghiệm và đổi mới kiểm tra đánh giá theo hướng tiếp cận năng lực.
  • Đề xuất tiến trình thiết kế thí nghiệm vật lí gắn kết cuộc sống gồm 6 bước:
    • Bước 1: Xuất phát từ bối cảnh thực tế cuộc sống liên quan đến thí nghiệm.
    • Bước 2: Nghiên cứu nội dung bài học.
    • Bước 3: Lựa chọn ý tưởng thí nghiệm phù hợp.
    • Bước 4: Dự trù nguyên vật liệu và thiết kế bản vẽ.
    • Bước 5: Chuẩn bị dụng cụ, lắp ráp, bố trí theo bản thiết kế và vận hành thí nghiệm.
    • Bước 6: Xây dựng kế hoạch dạy học sử dụng thí nghiệm.
  • Xây dựng tiến trình tổ chức dạy học phát triển NLTN qua 5 hoạt động học tập:
    • Hoạt động 1: Xác định vấn đề thí nghiệm gắn kết cuộc sống.
    • Hoạt động 2: Tìm hiểu kiến thức vật lí và đề xuất dự đoán/giả thuyết.
    • Hoạt động 3: Thiết kế phương án thí nghiệm.
    • Hoạt động 4: Chế tạo, vận hành thí nghiệm.
    • Hoạt động 5: Trình bày kết quả, đánh giá và cải tiến.
  • Xây dựng bảng Rubric đánh giá NLTN chuẩn gồm 4 NLTP, 12 chỉ số hành vi với 3 mức độ thể hiện rõ ràng (Mức độ 1: Chưa đạt/Sơ sài; Mức độ 2: Đạt mức trung bình/Còn thiếu sót; Mức độ 3: Đầy đủ, chính xác, tối ưu).

Chương 2: Thiết kế và sử dụng thí nghiệm Vật lí gắn kết cuộc sống trong dạy học nội dung Động lượng – Vật lí 10

Chương 2 tập trung phân tích chương trình và chế tạo 4 bộ thí nghiệm gắn kết cuộc sống cho mạch nội dung Động lượng:

  • Mã hóa 7 yêu cầu cần đạt (YCCĐ) của mạch nội dung Động lượng (từ Y1 đến Y7) bao gồm: định nghĩa động lượng $\vec{p}=m\vec{v}$ (Y1); định luật bảo toàn động lượng trong hệ kín $\sum \vec{p} = \sum \vec{p}'$ (Y2); vận dụng định luật bảo toàn (Y3); liên hệ giữa xung lượng của lực và độ biến thiên động lượng $\sum \vec{F}\Delta t = \Delta \vec{p}$ (Y4); khảo sát năng lượng trong va chạm (Y5); giải thích hiện tượng va chạm (Y6); thiết kế, đo đạc và đánh giá động lượng trước/sau va chạm (Y7).
  • Thiết kế chi tiết 4 thí nghiệm gắn kết cuộc sống:
Tên thí nghiệm Bối cảnh thực tiễn Dụng cụ sử dụng Cơ sở lí thuyết & Nguyên lí đo YCCĐ đáp ứng
1. "Nào mình cùng Thổi!" Ống thổi (blow gun) bắt cá của nông dân miền Tây Ống hút trân châu, giấy A4 vo viên, kéo, băng keo trong, thước dây Liên hệ xung lượng và động lượng: $\Delta p = F\Delta t$. Khảo sát tầm xa theo vị trí đặt viên đạn và chiều dài ống thổi Y4
2. "Viên bi tung tăng" Trò chơi bắn bi, bi-a (billiard) 2 khúc gỗ (25cm và 10cm), ống nhựa dẻo $\phi 21\text{ mm}$ dài 35cm, súng bắn keo, 2 viên bi sắt $\phi 10\text{ mm}$, bìa carton, giấy A4, giấy than Bảo toàn động lượng trong va chạm: đo tầm ném ngang $L = v_0\sqrt{2H/g}$ để xác định tỉ số vận tốc và tỉ số động lượng: $\frac{p}{p'} = \frac{m_1 s_1}{m_1 s_1' + m_2 s_2'}$ Y1, Y2, Y3, Y5, Y7
3. "Cuộc chia tay không nước mắt" Người bước từ thuyền lên bờ làm thuyền giật lùi 3 que đè lưỡi 15cm, xiên que gỗ, kéo, keo, ống hút, 8 nắp chai, 1 lò xo $\phi 1\text{ cm}$, dây thun, thước đo Chuyển động bằng phản lực: cắt dây thun giải phóng lò xo đẩy 2 xe về 2 phía, kiểm chứng va chạm đồng thời với vật chắn theo tỉ số: $\frac{m_1}{m_2} = \frac{s_2}{s_1}$ Y2, Y3
4. "Siêu xe gắn động cơ tên lửa" Đồ chơi tự chế không dùng pin cho trẻ em vùng khó khăn Bìa carton $4\times 10\text{ cm}$, bóng bay, 2 ống hút, xiên que gỗ, nắp chai Định luật bảo toàn động lượng ứng dụng trong chuyển động phản lực của khí phụt từ bóng bay Y2, Y3
  • Thiết kế 2 kế hoạch bài dạy chi tiết kèm bộ công cụ đánh giá Rubric chuyên biệt cho Thí nghiệm 1 ("Nào mình cùng Thổi!") và Thí nghiệm 2 ("Viên bi tung tăng").

Chương 3: Thực nghiệm sư phạm

Chương 3 trình bày việc triển khai thực nghiệm sư phạm tại lớp 10A4 Trường THCS – THPT Hoa Sen:

  • Tiến hành giảng dạy và đánh giá năng lực thực nghiệm qua 2 chủ đề/thí nghiệm tương ứng với 2 kế hoạch bài dạy đã chuẩn bị.
  • Phân tích diễn biến các hoạt động: Học sinh làm việc theo nhóm (từ nhóm 1 đến nhóm 5), thực hiện thiết kế, thử nghiệm ống thổi tự chế, bố trí máng nghiêng bằng ống nhựa dẻo và đo vết viên bi trên giấy than.
  • Đánh giá định tính: Ghi nhận sự chuyển biến tích cực trong thái độ học tập, khả năng thảo luận nhóm, giải quyết vấn đề và phản biện sản phẩm học tập (thể hiện qua các phiếu đánh giá của học sinh Lê Gia Huy, Đỗ Doãn Thanh Vy, Trần Hoàng Long).
  • Đánh giá định lượng: Thống kê điểm số và tỉ lệ phần trăm mức độ đạt được của học sinh ở 4 năng lực thành phần và năng lực thực nghiệm tổng thể qua 2 thí nghiệm:
    • Ở Thí nghiệm 1: Đa số học sinh đạt ở Mức độ 1 và Mức độ 2 ở các khâu lập kế hoạch, xử lí sai số và đánh giá cải tiến phép đo.
    • Ở Thí nghiệm 2: Tỉ lệ học sinh đạt Mức độ 2 và Mức độ 3 tăng lên rõ rệt ở cả 4 NLTP, đặc biệt là kĩ năng lắp ráp thiết bị, thu thập số liệu qua vết giấy than và lập luận bảo toàn động lượng.
    • Đánh giá sự phát triển các năng lực chung (giao tiếp, hợp tác, tự chủ) và phẩm chất (chăm chỉ, trách nhiệm, trung thực).

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính của khóa luận:

  • Xây dựng thành công khung cấu trúc năng lực thực nghiệm gồm 4 NLTP và 12 chỉ số hành vi, đi kèm bộ công cụ đánh giá Rubric 3 mức độ phù hợp với chương trình môn Vật lí 10.
  • Đề xuất tiến trình 6 bước thiết kế thí nghiệm gắn kết cuộc sống và tiến trình 5 hoạt động dạy học phát triển NLTN.
  • Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh 4 bộ thí nghiệm vật lí gắn kết cuộc sống bằng vật liệu tái chế, chi phí thấp cho mạch nội dung Động lượng: "Nào mình cùng Thổi!", "Viên bi tung tăng", "Cuộc chia tay không nước mắt", "Siêu xe gắn động cơ tên lửa".
  • Xây dựng 2 kế hoạch bài dạy hoàn chỉnh và triển khai thực nghiệm sư phạm thành công tại lớp 10A4 Trường THCS – THPT Hoa Sen, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của các thí nghiệm tự chế trong việc nâng cao NLTN của học sinh.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả:

  • Giáo viên cần linh hoạt tận dụng vật liệu đời sống để tổ chức hoạt động thực hành, giảm sự phụ thuộc vào phòng thí nghiệm tiêu chuẩn.
  • Cần áp dụng Rubric tiêu chí rõ ràng trong quá trình dạy học để học sinh tự đánh giá và đánh giá đồng đẳng, giúp nâng cao năng lực tự học và tư duy phản biện.

Đóng góp mới so với các nghiên cứu trước:

  • Khắc phục hạn chế của các đề tài trước (như nghiên cứu của Hoàng Thị Thu Thủy năm 2019 về Sóng ánh sáng chưa thể hiện tính gắn kết đời sống) bằng cách đưa yếu tố "gắn kết cuộc sống" vào toàn bộ dụng cụ và tình huống học tập.
  • Là công trình đầu tiên xây dựng hệ thống thí nghiệm tự tạo gắn kết cuộc sống và bộ công cụ đánh giá NLTN chuyên biệt cho mạch nội dung Động lượng – Vật lí 10 theo Chương trình GDPT 2018.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của khóa luận:

  • Khóa luận chỉ giới hạn phạm vi nghiên cứu trong mạch nội dung Động lượng – Vật lí 10, chưa mở rộng sang các mạch nội dung khác của chương trình Vật lí THPT 2018.
  • Quy mô thực nghiệm sư phạm còn hẹp (tiến hành trên 1 lớp học là lớp 10A4 Trường THCS – THPT Hoa Sen) và thời gian thực nghiệm tập trung vào 2 kế hoạch bài dạy (Thí nghiệm 1 và Thí nghiệm 2), chưa thực nghiệm toàn diện cả 4 thí nghiệm đã thiết kế.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng việc thiết kế các thí nghiệm vật lí gắn kết cuộc sống cho các chương, mạch nội dung khác trong chương trình Vật lí 10, 11 và 12 theo Chương trình GDPT 2018.
  • Mở rộng phạm vi và quy mô thực nghiệm sư phạm tại nhiều trường THPT với các điều kiện cơ sở vật chất khác nhau để kiểm chứng sâu rộng tính hiệu quả của bộ công cụ đánh giá.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên ngành Sư phạm Vật lí và học viên cao học: Tham khảo phương pháp luận thiết kế tiến trình dạy học phát triển năng lực, cấu trúc rubric đánh giá NLTN và quy trình tổ chức thực nghiệm sư phạm.
  • Giáo viên Vật lí THPT: Trực tiếp sử dụng 4 bản thiết kế thí nghiệm tự tạo ("Nào mình cùng Thổi!", "Viên bi tung tăng", "Cuộc chia tay không nước mắt", "Siêu xe gắn động cơ tên lửa") cùng 2 kế hoạch bài dạy chi tiết để giảng dạy mạch nội dung Động lượng môn Vật lí 10 Chương trình GDPT 2018 tại các trường còn thiếu thốn thiết bị thí nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận định nghĩa thí nghiệm vật lí gắn kết cuộc sống theo những khía cạnh nào? Khóa luận định nghĩa thí nghiệm vật lí gắn kết cuộc sống theo hai khía cạnh: (1) Thí nghiệm xuất phát từ các vấn đề thực tiễn hàng ngày của học sinh, đòi hỏi học sinh vận dụng kiến thức vật lí để tìm lời giải; (2) Dụng cụ thí nghiệm là những vật dụng quen thuộc, dễ tìm kiếm hoặc tự chế tạo từ nguyên liệu sẵn có xung quanh.

2. Cấu trúc năng lực thực nghiệm của học sinh trong khóa luận gồm những năng lực thành phần nào? Cấu trúc NLTN gồm 4 năng lực thành phần: (1) Phát hiện vấn đề và đưa ra giả thuyết; (2) Đề xuất, lựa chọn và lập kế hoạch tiến hành thí nghiệm; (3) Thực hiện phương án thí nghiệm đã thiết kế; (4) Xử lí, phân tích, trình bày kết quả và đánh giá (thể hiện qua 12 chỉ số hành vi).

3. Thí nghiệm "Viên bi tung tăng" kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng bằng phương pháp nào? Thí nghiệm cho viên bi 1 lăn từ máng cong cố định độ cao để va chạm với viên bi 2, sau đó cả hai chuyển động ném ngang rơi xuống máng thẳng lót giấy than trên nền giấy trắng A4. Tầm ném xa $L = v_0\sqrt{2H/g}$ tỉ lệ thuận với vận tốc, từ đó đo tầm xa $s_1, s_1', s_2'$ để tính tỉ số động lượng trước và sau va chạm: $\frac{p}{p'} = \frac{m_1 s_1}{m_1 s_1' + m_2 s_2'}$.

4. Dụng cụ của thí nghiệm "Nào mình cùng Thổi!" gồm những gì và giải thích hiện tượng nào? Dụng cụ gồm: ống hút cỡ to (loại hút trân châu), kéo, giấy A4 vo tròn thành viên đạn, băng keo trong và thước dây. Thí nghiệm khảo sát mối liên hệ giữa xung lượng của lực và độ biến thiên động lượng ($\Delta p = F\Delta t$), giải thích việc tăng chiều dài ống thổi hoặc đặt viên đạn ở đầu miệng thổi giúp tăng thời gian tác dụng lực $\Delta t$, làm tăng tầm bay xa của viên đạn.

5. Thực nghiệm sư phạm của đề tài được triển khai tại đâu và với các bài dạy nào? Thực nghiệm sư phạm được tiến hành tại lớp 10A4 Trường THCS – THPT Hoa Sen (TP.HCM) với 2 kế hoạch bài dạy sử dụng Thí nghiệm 1 ("Nào mình cùng Thổi!") và Thí nghiệm 2 ("Viên bi tung tăng").

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Châu Đạt đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu đề ra. Đề tài đã hệ thống hóa cơ sở lí luận về năng lực thực nghiệm, xây dựng thành công 4 thí nghiệm tự tạo gắn kết cuộc sống và bộ công cụ đánh giá Rubric cho mạch nội dung Động lượng – Vật lí 10. Kết quả thực nghiệm sư phạm tại Trường THCS – THPT Hoa Sen chứng minh tính hiệu quả và khả thi của giải pháp trong việc nâng cao năng lực thực nghiệm của học sinh phổ thông.