CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1. Các nghiên cứu về năng lực thực nghiệm của học sinh Khái niệm "năng lực thực nghiệm" được định nghĩa và tiếp cận dưới nhiều góc độ khác nhau. Tác giả Trần Thị Thanh Thư (2016) đã đưa ra khái niệm năng lực thực nghiệm vật lí dựa trên định nghĩa của từ điển tiếng Việt: "Năng lực thực nghiệm là khả năng vận dụng những kiến thức, kinh nghiệm, kĩ năng, thái độ và hứng thú để hành động một cách phù hợp và có hiệu quả trong các tình huống đa dạng của cuộc sống". Nhóm tác giả Nguyễn Văn Nghĩa & Phan Gia Anh Vũ (2018) và Nguyễn Huy Thái (2016) có chung định nghĩa năng lực thực nghiệm là "khả năng vận dụng kiến thức, kĩ năng, thái độ đã có để tiến hành các hoạt động thí nghiệm đạt kết quả cao".
Cần phải lưu ý, trong đề tài của nhóm tác giả Nguyễn Văn Nghĩa và Phan Gia Anh Vũ (2018), thuật ngữ "năng lực thực nghiệm" được thay bằng "năng lực thực hành" hay "năng lực thí nghiệm". Nhìn chung, hai đề tài này tuy có sự khác nhau về thuật ngữ nhưng cách các tác giả tiếp cận khái niệm này là tương tự nhau. Thuật ngữ "năng lực thực hành" cũng được định nghĩa trong đề tài của Dương Đức Giáp & Nguyễn Văn Nghĩa (2019) thông qua ba thành tố kiến thức, kĩ năng, thái độ. Tuy nhiên, đề tài lại nhấn mạnh yếu tố kĩ năng là yếu tố quan trọng trong việc phát triển năng lực thực hành.
Đây có thể được coi là điểm khác biệt giữa năng lực thực nghiệm và năng lực thực hành. Cấu trúc, biểu hiện của năng lực thực nghiệm cũng được nghiên cứu và xây dựng trong các công trình nêu trên và một số công trình khác. Dựa trên Tài liệu tập huấn Hướng dẫn dạy học và kiểm tra đánh giá theo định hướng phát triển năng lực cho HS cấp THPT (Vụ Giáo dục Trung học, 2014), Trần Thị Thanh Thư (2016) đã đưa ra các biểu hiện của người học có năng lực thực nghiệm chia theo ba nhóm kiến thức, kĩ năng, thái độ và đưa ra ví dụ cụ thể đối với đối tượng là HS lớp 8 trung học cơ sở. Về năng lực thực nghiệm ở HS THPT, Nguyễn Văn Biên (2013) đưa ra bốn năng lực thành phần của năng lực thực nghiệm, bao gồm xác định vấn đề nghiên cứu và đưa ra dự đoán, thiết kế phương án thí nghiệm, tiến hành theo phương án đã thiết kế và xử lí, phân tích, trình bày kết quả.
Nhóm tác giả Nguyễn Văn Nghĩa và Phan Gia Anh Vũ (2018) trong nghiên cứu của mình đã đưa ra bốn nhóm năng lực thành phần của năng lực thực nghiệm, bao gồm chuẩn bị thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm, xử lí kết quả và kết thúc thí nghiệm, thiết kế và chế tạo dụng cụ thí nghiệm. Đề tài của nhóm tác giả Philipp Bitzenbauer và Jan- 7 Pter Meyn (2021) đưa ra ba năng lực thành phần của năng lực thực nghiệm, bao gồm thiết lập giả thuyết, thiết kế và tiến hành thí nghiệm, xử lí và phân tích số liệu. Ngô Văn Thiện (2019) đã xây dựng khung đánh giá năng lực thực nghiệm, gồm các tiêu chí: lĩnh hội, phân tích vấn đề, thực hiện thí nghiệm, thu thập, xử lí số liệu và xác nhận kết quả, công bố kết quả, tự chủ học tập. Tuy nhiên, khung năng lực thực nghiệm nói trên lại dùng trong đánh giá sinh viên kỹ thuật.
Theo quan điểm xây dựng Chương trình giáo dục phổ thông 2018 của Bộ Giáo dục và Đào tạo, "năng lực" và "phẩm chất" là hai yếu tố quan trọng, cần được hình thành và phát triển ở người học (Bộ Giáo dục và Đào tạo, 2018). Chương trình giáo dục phổ thông môn Vật lí xác định năng lực đặc thù là năng lực vật lí, với ba năng lực thành phần là nhận thức vật lí, tìm hiểu thế giới tự nhiên dưới góc độ vật lí và vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học (Bộ Giáo dục và Đào tạo, 2018) với các biểu hiện cụ thể. Năng lực thực nghiệm tuy không được nhắc đến, nhưng các biểu hiện của năng lực thực nghiệm được thể hiện thông qua các biểu hiện của ba năng lực thành phần. Có thể kể đến một số biểu hiện như: • "Thực hiện kế hoạch: Thu thập được dữ liệu từ thực nghiệm, đánh giá được kết quả dựa trên phân tích, xử lí các dữ liệu bằng các tham số thống kê đơn giản" trong năng lực "Tìm hiểu thế giới tự nhiên dưới góc độ vật lí".
• "Đề xuất và thực hiện được phương án thí nghiệm mới" trong năng lực "Vận dụng kiến thức, kĩ năng đã học". Các nghiên cứu về phát triển năng lực thực nghiệm của học sinh Nhìn chung, các đề tài về phát triển năng lực vật lí nói chung và năng lực thực nghiệm nói riêng chủ yếu sử dụng hai biện pháp: áp dụng các phương pháp dạy học tích cực hoặc xây dựng, sử dụng thí nghiệm. Các nghiên cứu được chúng tôi tổng hợp ở phần "Tổng quan đề tài nghiên cứu" là những ví dụ về việc xây dựng, sử dụng thí nghiệm trong dạy học phát triển năng lực thực nghiệm của HS. Ngoài ra, biện pháp áp dụng các phương pháp dạy học tích cực được thể hiện rõ trong đề tài của nhóm tác giả Phùng Việt Hải, Nguyễn Thị Quỳnh Trang và Phan Thị Vương (2018).
Trong đề tài này, nhóm tác giả sử dụng phương pháp dạy 8 học theo chủ đề và đã xây dựng chủ đề dạy học "Các định luật chất khí" trong chương trình Vật lí 10 hiện hành theo định hướng phát triển năng lực của HS. Các nghiên cứu về dụng cụ thí nghiệm dạy học các định luật của chất khí và phương trình trạng thái Các thí nghiệm để giảng dạy các định luật của chất khí, phương trình trạng thái khí lí tưởng liên tục được nghiên cứu và phát triển trên thế giới (Limpanuparb, Kanithasevi, Lojanarungsiri & Pakwilaikiat, 2018). Limpanuparb và các cộng sự (2018) đã chỉ ra rằng, các thí nghiệm định lượng để khảo sát định luật Boyle, định luật Charles và phương trình trạng thái khí lí tưởng thường sử dụng một trong các cơ chế sau: Cơ chế đầu tiên là sử dụng thủy ngân trong ống thủy tinh để xác định áp suất tác dụng lên khối khí trong ống, và đo chiều dài của khối khí trong ống để xác định thể tích. Đây là nguyên tắc thí nghiệm giúp Boyle tìm ra định luật mang tên ông (West, 1999).
Một số các thí nghiệm tương tự cũng được Hermens (1983), Breck & Holmes (1967) thực hiện. Ngoài ra, có một số thí nghiệm dùng phương pháp khác để xác định áp suất khí. Tiêu biểu là Mortimer (1927) đã dựa vào độ chênh lệch của mức thủy ngân trong ống chữ U để tính áp suất khối khí bên trong lòng ống. Bộ thí nghiệm của tác giả này cũng có thể sử dụng để khảo sát sự thay đổi của nhiệt độ và thể tích nếu giữ nguyên áp suất, bằng cách đặt hệ thống ống này vào một lồng kính và bơm hơi nước với nhiệt độ khác nhau vào bao quanh khối khí trong ống chữ U.
Thay vì dùng thủy ngân, một số bộ thí nghiệm sử dụng loại chất lỏng khác (ví dụ như nước cất) vì lo ngại những tai nạn có thể xảy ra khi tiếp xúc với thủy ngân. Nhóm tác giả Chang, T., & Cheung (2001) đã đề xuất một bộ dụng cụ thí nghiệm tương tự như phong vũ biểu (hay ống Torricelli) để khảo sát áp suất và thể tích của khối khí trong lòng ống nghiệm. Ngoài ra, nhóm tác giả này sử dụng nước với các nhiệt độ khác nhau, từ đó làm thay đổi nhiệt độ khối khí cần khảo sát. Ivanov (2007) cũng sử dụng ống chữ J, nhưng thay vì thủy ngân thì Ivanov sử dụng nước cất.
Một cơ chế cũng được sử dụng để tạo áp suất lên khối khí, đó là để một vật nặng lên piston của cylinder. Bằng cách này, Limpanuparb và các cộng sự (2018) cho rằng HS có thể tập trung vào khối khí trong lòng cylinder mà không bị phân tâm bởi các chất lỏng. Lewis (1997) đã đề xuất một phương án thí nghiệm sử dụng cơ chế này, và sử dụng một chiếc cân để rút ra được áp suất tác dụng lên khối khí. Giáo trình thí nghiệm 9 AP Physics 1 and 2 Inquiry-Based Lab Investigations (2015) cũng đề xuất một phương án thí nghiệm mở dùng khối gỗ nặng đè lên piston của cylinder để khảo sát định luật Boyle.
Với sự phát triển của các thiết bị đo lường hiện đại, một số phương án thí nghiệm sử dụng hệ thống các cảm biến và thiết bị điện tử để đo ba thông số của chất khí (áp suất, nhiệt độ tuyệt đối, thể tích). Tại Việt Nam hiện nay, trang thiết bị thí nghiệm dùng trong dạy học nội dung "Chất khí" (chương trình Vật lí lớp 10 hiện hành ban hành theo Quyết định 16/2006/QĐ- BGDĐT) tại các trường THPT đã được qui định chi tiết và rõ ràng. Cụ thể, Thông tư số 01/2010/TT-BGDĐT của Bộ trưởng Bộ Giáo dục và Đào tạo về Danh mục thiết bị dạy học tối thiểu cấp Trung học phổ thông đã qui định các dụng cụ dùng trong thí nghiệm "Nghiệm các định luật Bôi-lơ Ma-ri-ốt đối với chất khí" gồm áp kế kim loại gắn với hệ xi-lanh và pit-tông thủy tinh, lọ dầu, nút cao su và nhiệt kế. Ngoài ra, Thông tư số 38/2011/TT-BGDĐT ban hành Danh mục tối thiểu thiết bị dạy học trường THPT chuyên đã qui định các dụng cụ trong thí nghiệm "Các định luật chất khí" dùng để nghiên cứu 3 định luật của khí lí tưởng và phương trình trạng thái của khí lí tưởng.
Vì vậy, các bộ thí nghiệm này có thể được tìm thấy tại hầu hết các trường THPT và THPT chuyên trên cả nước, hoặc có thể tìm mua tại các nhà sách có bán thiết bị giáo dục trường học. Ngoài bộ dụng cụ thí nghiệm theo qui định của Bộ Giáo dục và Đào tạo, một số các bộ thí nghiệm cũng được nghiên cứu và chế tạo theo hướng sử dụng vật líệu tái chế, thân thiện với môi trường. Tiêu biểu là bộ thí nghiệm của Phùng Việt Hải & Nguyễn Văn (2018), bộ thí nghiệm này dựa vào sự chênh lệch mức nước ở hai cột của ống của U để đo áp suất, và thay đổi nhiệt độ khối khí bằng cách cho khối khí (chứa trong một lon nước ngọt) nhúng vào nước nóng hoặc lạnh. Bộ thí nghiệm của Lê Minh Văn (2014) sử dụng các vật líệu phế thải như lon kim loại và các vật dụng dễ kiếm như máy sấy tóc, ống tiêm, … Các vật líệu này có thể lắp ghép tạo thành các bài thí nghiệm với mục đích khác nhau (khảo sát định luật Boyle Mariotte, Charles hay Gay Lussac).