Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Vật lí là môn khoa học thực nghiệm, song thực tế giảng dạy tại các trường trung học phổ thông (THPT) ở Việt Nam còn nhiều hạn chế: thiết bị thí nghiệm lạc hậu, thiếu thốn; khâu chuẩn bị tốn kém thời gian; và thiếu công cụ đánh giá năng lực thí nghiệm của học sinh (Nguyễn Văn Nguyên, 2016). Để ứng phó với những rào cản này, nhiều giáo viên tại Thành phố Hồ Chí Minh đã hướng đến việc sử dụng thí nghiệm gắn kết cuộc sống — loại thí nghiệm xuất phát từ vấn đề thực tiễn, thực hiện bằng vật dụng gần gũi và không đòi hỏi thiết bị chuyên dụng phức tạp (Võ Thị Minh Ngọc, Nguyễn Thành Danh, 2018).

Trong chương trình Vật lí phổ thông 2018, mạch nội dung Động lượng thuộc Vật lí 10 được mở rộng từ 2 tiết (chương trình 2006) lên 6 tiết, tạo điều kiện thuận lợi để triển khai dạy học tích cực. Kiến thức về động lượng và định luật bảo toàn động lượng có liên hệ mật thiết với nhiều hiện tượng đời sống (va chạm vật thể, nguyên lí tên lửa, súng, pháo), do đó phù hợp để tích hợp thí nghiệm gắn kết cuộc sống nhằm phát triển năng lực thực nghiệm (NLTN) cho học sinh.

Trước đó, đề tài của Hoàng Thị Thu Thủy (2019) về bài tập thực nghiệm chương Sóng ánh sáng Vật lí 12 đã áp dụng chuẩn đánh giá của Practical Endorsement (OCR — Oxford, Cambridge and RSA), nhưng các thí nghiệm trong đề tài chưa thể hiện tính "gắn kết cuộc sống". Riêng mảng nội dung Động lượng, chưa có đề tài nào kết hợp thiết kế thí nghiệm gắn kết cuộc sống với mục tiêu bồi dưỡng và đánh giá NLTN của học sinh.

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 NLTN của học sinh THPT.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu cơ sở lí luận về đánh giá NLTN.
  2. Nghiên cứu cơ sở lí luận về 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 THPT.
  6. Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm.

Đối tượng nghiên cứu: Quá trình dạy học cho học sinh THPT có sử dụng các thí nghiệm.

Phạm vi nghiên cứu: Mạch nội dung Động lượng thuộc chương trình Vật lí 10 năm 2018; thực nghiệm sư phạm được tiến hành tại lớp 10A4, Trường Trung học cơ sở — Trung học phổ thông Hoa Sen, Thành phố Hồ Chí Minh, năm học 2021–2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm nền tảng

Đề tài xây dựng trên ba nhóm khái niệm chính:

  • Thí nghiệm vật lí gắn kết cuộc sống: được định nghĩa theo Võ Thị Minh Ngọc và cộng sự (2018) và Nguyễn Đăng Thuân (2018) là các thí nghiệm xuất phát từ vấn đề thực tiễn, thực hiện bằng phương tiện gần gũi, giải quyết câu hỏi cuộc sống. Trong khóa luận, khái niệm này được xác định theo hai khía cạnh: (1) thí nghiệm xuất phát từ tình huống đời sống hằng ngày; (2) dụng cụ là vật dụng thông thường mà học sinh có thể tự kiếm hoặc tự chế tạo.

  • Năng lực thực nghiệm (NLTN): được hiểu là khả năng huy động tổng hợp kiến thức, kĩ năng, thái độ trong các hoạt động thu thập, phân tích, nghiên cứu thông tin vật lí nhằm giải quyết hiệu quả vấn đề đặt ra. Khái niệm "năng lực" trong khóa luận dựa trên định nghĩa của Chương trình Giáo dục phổ thông tổng thể (Bộ Giáo dục và Đào tạo, 2018) và Nguyễn Thị Kim Dung và cộng sự (2015).

  • Cấu trúc NLTN: bao gồm 4 năng lực thành phần (NLTP) với 12 chỉ số hành vi, được xác định dựa trên các nghiên cứu của Nguyễn Đình Cán (2019), Lê Vũ Trường Sơn (2019), và Phùng Thị Thái Hà (2020):

Năng lực thành phần Số chỉ số hành vi
NLTP 1: Phát hiện vấn đề và đưa ra giả thuyết 2
NLTP 2: Đề xuất, lựa chọn và lập kế hoạch tiến hành thí nghiệm 3
NLTP 3: Thực hiện phương án thí nghiệm đã thiết kế 4
NLTP 4: Xử lí, phân tích, trình bày kết quả và đánh giá 3

  • Tiêu chuẩn đánh giá: Tham chiếu chuẩn Practical Endorsement của OCR (Oxford, Cambridge và hội đồng khảo thí RSA), đang hoạt động tại hơn 160 quốc gia.

  • Văn bản pháp lí/chương trình: Chương trình môn Vật lí 2018 (Bộ Giáo dục và Đào tạo) với các yêu cầu cần đạt (YCCĐ) Y1–Y7 trong mạch nội dung Động lượng.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phối hợp ba phương pháp:

  1. Nghiên cứu lí luận: Tổng hợp sách, báo, luận văn, tạp chí chuyên ngành về lí luận và phương pháp dạy học vật lí, thí nghiệm gắn kết cuộc sống, NLTN.
  2. Thực nghiệm sư phạm: Tổ chức dạy học trực tiếp trên học sinh lớp 10A4; xây dựng phiếu câu hỏi, phiếu bài tập thực nghiệm; quay video quá trình giảng dạy để phân tích hành vi, thái độ học sinh; đánh giá qua sản phẩm học tập.
  3. Thống kê toán học: Thống kê, phân tích và xử lí số liệu thực nghiệm để rút ra kết luận.

Nguồn dữ liệu

Dữ liệu được thu thập trực tiếp từ thực nghiệm sư phạm tại lớp 10A4, Trường THCS–THPT Hoa Sen, Thành phố Hồ Chí Minh (năm học 2021–2022), gồm phiếu học tập, phiếu đánh giá rubric, bảng số liệu thí nghiệm của học sinh, và video ghi hình buổi học.

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 THPT

Chương này xây dựng nền tảng lí luận cho toàn bộ đề tài, gồm bốn nhóm nội dung. Thứ nhất, tác giả làm rõ khái niệm, đặc điểm và vai trò của thí nghiệm vật lí gắn kết cuộc sống: thí nghiệm loại này xuất phát từ tình huống thực tiễn (pha nước chanh, người bước từ thuyền lên bờ, ống thổi bắt cá...), dụng cụ là vật liệu thông thường, có thể thực hiện ngoài lớp học, có khả năng chia sẻ qua mạng Internet. Thứ hai, chương trình bày cấu trúc NLTN gồm 4 NLTP với 12 chỉ số hành vi và rubric đánh giá ba mức độ tương ứng (Bảng 1.2). Thứ ba, tác giả nêu bốn biện pháp bồi dưỡng NLTN: tăng cường sử dụng thí nghiệm, tổ chức cho học sinh giải thích hiện tượng tự nhiên và chế tạo dụng cụ, thường xuyên dùng phương pháp thực nghiệm, đổi mới kiểm tra đánh giá theo hướng phát triển NLTN. Thứ tư, chương trình bày hai tiến trình: (1) tiến trình 6 bước thiết kế thí nghiệm gắn kết cuộc sống (từ xuất phát bối cảnh thực tế đến xây dựng kế hoạch dạy học); (2) tiến trình 5 hoạt động tổ chức dạy học (xác định vấn đề → tìm hiểu kiến thức → thiết kế phương án → chế tạo/vận hành → trình bày và đánh giá).

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 này là phần ứng dụng trực tiếp của lí luận chương 1 vào nội dung cụ thể. Tác giả trước hết phân tích vị trí, vai trò và các YCCĐ (Y1–Y7) của mạch nội dung Động lượng trong chương trình 2018, sau đó thiết kế 4 thí nghiệm gắn kết cuộc sống:

Thí nghiệm Bối cảnh thực tế Kiến thức VL tương ứng YCCĐ
TN1 "Nào mình cùng Thổi!" Người nông dân dùng ống thổi (blow gun) bắt cá ở miền Tây Xung lượng, liên hệ xung lượng — động lượng Y4
TN2 "Viên bi tung tăng" Quy luật vận tốc trong trò chơi bắn bi/billard Kiểm chứng bảo toàn động lượng, các loại va chạm Y1, Y2, Y3, Y5, Y7
TN3 "Cuộc chia tay không nước mắt" Người bước từ thuyền lên bờ, thuyền bị giật lùi Bảo toàn động lượng, chuyển động phản lực Y2, Y3
TN4 "Siêu xe gắn động cơ tên lửa" Xe đồ chơi chạy bằng bong bóng cho trẻ em vùng sâu Ứng dụng bảo toàn động lượng, chuyển động phản lực Y3

Với mỗi thí nghiệm, tác giả trình bày đầy đủ theo tiến trình 6 bước: bối cảnh thực tế → nội dung bài học → ý tưởng thí nghiệm → danh sách dụng cụ → các bước chuẩn bị và tiến hành → kế hoạch dạy học. Đáng chú ý, TN2 sử dụng nguyên lí ném ngang để đo vận tốc viên bi qua tầm ném xa (tỉ lệ L ∝ v₀), cho phép tính tỉ số động lượng trước và sau va chạm mà không cần thiết bị đo chuyên dụng. TN3 dùng hai xe trượt tự chế từ ống hút và nắp chai, gắn lò xo nén, để kiểm chứng bảo toàn động lượng qua việc so sánh quãng đường hai xe di chuyển.

Chương 2 còn xây dựng 2 kế hoạch bài dạy chi tiết (Chủ đề 1 tương ứng TN1, Chủ đề 2 tương ứng TN2) cùng 2 bộ công cụ đánh giá NLTN riêng biệt — mỗi bộ gồm rubric đánh giá theo cấu trúc 4 NLTP.

Chương 3: Thực nghiệm sư phạm

Chương 3 trình bày kết quả triển khai dạy học thực tế. Thực nghiệm được tiến hành với học sinh lớp 10A4, Trường THCS–THPT Hoa Sen, theo kế hoạch đã xây dựng. Tác giả mô tả chi tiết diễn biến từng buổi học với TN1 và TN2: hoạt động của giáo viên (GV), phản ứng của học sinh (HS) theo từng nhóm, câu trả lời ghi nhận được, bảng số liệu thực nghiệm của các nhóm, và ảnh chụp minh họa. Kết quả NLTN của học sinh được đánh giá định tính và định lượng qua rubric, sau đó tổng hợp thành biểu đồ phân bố mức độ đạt được ở từng NLTP (Biểu đồ 3.1–3.10). Chương kết thúc bằng nhận xét và đề xuất giải pháp phát triển NLTN, cùng đánh giá năng lực chung và phẩm chất của học sinh qua quá trình thực nghiệm.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

Thực nghiệm sư phạm tại lớp 10A4 cho thấy học sinh đạt được các mức độ NLTN khác nhau qua hai thí nghiệm. Kết quả được tổng hợp và trình bày qua 10 biểu đồ (Biểu đồ 3.1–3.10) và các bảng thống kê mức độ đạt được ở từng NLTP (Bảng 3.5–3.20), cùng bảng tổng hợp điểm phần trăm các NLTP của mỗi học sinh qua hai thí nghiệm (Bảng 3.21). Đánh giá định tính ghi nhận học sinh tích cực tham gia, chủ động đề xuất phương án thí nghiệm, và thể hiện tư duy phản biện khi nhận xét kết quả của nhóm khác.

Đóng góp mới của đề tài

Theo tác giả tự xác định, đề tài có 5 đóng góp mới so với nghiên cứu trước:

  1. Xây dựng được tiến trình 6 bước thiết kế thí nghiệm vật lí gắn kết cuộc sống.
  2. Xây dựng được tiến trình 5 hoạt động dạy học thí nghiệm gắn kết cuộc sống nhằm phát triển NLTN của học sinh.
  3. Xây dựng được bộ công cụ đánh giá NLTN của học sinh THPT (rubric 4 NLTP, 12 chỉ số hành vi, 3 mức độ).
  4. Thiết kế được 4 thí nghiệm vật lí gắn kết cuộc sống thuộc mạch nội dung Động lượng — Vật lí 10.
  5. Xây dựng được 2 kế hoạch dạy học sử dụng thí nghiệm gắn kết cuộc sống kèm công cụ đánh giá tương ứng cho mạch nội dung Động lượng — Vật lí 10.

Giải pháp và kiến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm, tác giả đề xuất các giải pháp phát triển NLTN của học sinh, đồng thời kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo để mở rộng và hoàn thiện đề tài.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận được thực hiện trong phạm vi một lớp học (10A4) tại một trường, nên kết quả thực nghiệm chưa mang tính đại diện rộng. Số lượng thí nghiệm được đưa vào thực nghiệm sư phạm chỉ gồm TN1 và TN2 (trong 4 thí nghiệm đã thiết kế), do đó TN3 và TN4 mới dừng lại ở thiết kế lí thuyết, chưa được kiểm chứng trực tiếp qua dạy học. Chương trình ghi nhận điều kiện thuận lợi và khó khăn trong quá trình thực nghiệm (Bảng 3.2), nhưng không lượng hóa cụ thể tác động của từng yếu tố.

Các hướng nghiên cứu tiếp được tác giả đề xuất gồm: mở rộng thực nghiệm sang các lớp, trường và địa bàn khác để kiểm chứng tính phổ quát; thiết kế thêm thí nghiệm gắn kết cuộc sống cho các mạch nội dung khác trong chương trình Vật lí phổ thông 2018; và hoàn thiện bộ công cụ đánh giá NLTN để có thể áp dụng rộng rãi hơn.

Giá trị tham khảo

Khóa luận có giá trị tham khảo chủ yếu cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên ngành Sư phạm Vật lí đang thực hiện khóa luận về dạy học thực nghiệm, thiết kế thí nghiệm đơn giản hoặc xây dựng công cụ đánh giá năng lực; phần thiết kế 4 thí nghiệm (Chương 2) và tiến trình 6 bước thiết kế là tài liệu thực hành cụ thể.
  • Giáo viên Vật lí THPT muốn triển khai dạy học chương Động lượng — Vật lí 10 theo hướng tích cực, đặc biệt ở điều kiện trường thiếu thiết bị chuyên dụng; 2 kế hoạch bài dạy chi tiết kèm rubric (Chương 2) có thể áp dụng trực tiếp hoặc điều chỉnh phù hợp.
  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học thuộc lĩnh vực lí luận và phương pháp dạy học Vật lí, đặc biệt những ai nghiên cứu về đánh giá năng lực thực nghiệm và dạy học gắn kết thực tiễn; hệ thống cơ sở lí luận ở Chương 1 và bộ rubric đánh giá là tài liệu có tính hệ thống.
  • Người nghiên cứu về thí nghiệm vật lí từ vật liệu đơn giản (low-cost experiments): danh sách dụng cụ và các bước chế tạo thí nghiệm "Viên bi tung tăng", "Cuộc chia tay không nước mắt" là minh họa kĩ thuật chi tiết.

Câu hỏi thường gặp

1. Bốn thí nghiệm gắn kết cuộc sống được thiết kế tương ứng với những nội dung kiến thức nào trong mạch Động lượng — Vật lí 10? TN1 "Nào mình cùng Thổi!" minh họa mối liên hệ giữa xung lượng và động lượng (YCCĐ Y4) qua hình ảnh ống thổi bắt cá. TN2 "Viên bi tung tăng" dùng để kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng và khảo sát va chạm đàn hồi (Y1, Y2, Y3, Y5, Y7). TN3 "Cuộc chia tay không nước mắt" kiểm chứng bảo toàn động lượng qua mô hình người bước từ thuyền lên bờ (Y2, Y3). TN4 "Siêu xe gắn động cơ tên lửa" dạy ứng dụng chuyển động phản lực (Y3).

2. Tiến trình thiết kế thí nghiệm gắn kết cuộc sống gồm những bước nào? Tác giả xây dựng tiến trình 6 bước: (1) Xuất phát từ bối cảnh thực tế cuộc sống; (2) Nghiên cứu nội dung bài học liên quan; (3) Lựa chọn ý tưởng thí nghiệm phù hợp; (4) Dự trù nguyên vật liệu và thiết kế bản vẽ; (5) Chuẩn bị dụng cụ, lắp ráp, vận hành thí nghiệm; (6) Xây dựng kế hoạch dạy học sử dụng thí nghiệm.

3. Thí nghiệm "Viên bi tung tăng" đo vận tốc viên bi bằng cách nào khi không có thiết bị đo tốc độ chuyên dụng? Thí nghiệm khai thác nguyên lí ném ngang: với cùng một độ cao ban đầu H, tầm ném xa L tỉ lệ thuận với vận tốc ném ngang (L ∝ v₀). Tác giả cho viên bi lăn xuống máng cong rồi rơi ném ngang xuống máng thẳng có lót giấy than, đo tầm ném xa qua vết in trên giấy trắng. Từ đó tính tỉ số động lượng trước và sau va chạm theo công thức p/p' = m₁s₀ / (m₁s₁' + m₂s₂').

4. Năng lực thực nghiệm của học sinh được đánh giá theo cấu trúc và công cụ như thế nào? NLTN được đánh giá theo 4 NLTP với 12 chỉ số hành vi. Công cụ đánh giá chính là rubric phân mức 3 bậc (mức độ 1–3) cho từng chỉ số hành vi, được xây dựng riêng cho mỗi thí nghiệm. Đánh giá dựa trên tiêu chí (criterion-referenced assessment), so sánh biểu hiện của học sinh với chuẩn đầu ra đã xác định, không so sánh thứ hạng giữa các học sinh với nhau. Ngoài rubric, bộ công cụ còn bao gồm phiếu hướng dẫn thí nghiệm và phiếu học tập.

5. Chương trình Vật lí 2018 thay đổi gì so với chương trình 2006 trong mạch nội dung Động lượng mà đề tài đề cập? Có ba thay đổi chính được tác giả nêu: (1) Số tiết tăng từ 2 tiết lên 6 tiết, tạo điều kiện triển khai hoạt động tích cực; (2) Mạch Động lượng được tách thành một mạch nội dung độc lập thay vì nằm trong chương "Các định luật bảo toàn"; (3) Trong chương trình 2018, học sinh đã học Động năng trước Động lượng, nên có thể tiếp cận khái niệm va chạm đàn hồi — điều chưa thực hiện được ở chương trình 2006. Chương trình 2018 cũng được xây dựng theo hướng mở, giáo viên và tác giả sách giáo khoa có thể chủ động, sáng tạo trong triển khai.

Kết luận

Khóa luận của Lê Châu Đạt (Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, 2022) đề xuất và kiểm chứng một hướng tiếp cận dạy học Vật lí 10 dựa trên thí nghiệm gắn kết cuộc sống trong bối cảnh điều kiện thiết bị trường phổ thông còn hạn chế. Đề tài xây dựng được hệ thống lí luận về thiết kế và tổ chức dạy học loại thí nghiệm này, cụ thể hóa thành 4 thí nghiệm và 2 kế hoạch bài dạy cho mạch nội dung Động lượng — Vật lí 10. Bộ công cụ đánh giá NLTN (4 NLTP, 12 chỉ số hành vi, rubric 3 mức độ) là đóng góp có tính thực tiễn cho công tác đánh giá năng lực học sinh theo định hướng chương trình 2018. Kết quả thực nghiệm sư phạm tại lớp 10A4, Trường THCS–THPT Hoa Sen bước đầu xác nhận tính khả thi của tiếp cận này, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu mở rộng cho các mạch nội dung khác trong chương trình Vật lí phổ thông.