Đề tài Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý

Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh Khoa Vật lý Seminar Thiết kế bài dạy Vật lý Đề tài: D ọc những ứng dụng kĩ t uật của Vật lý Sin viên t ực hiện đề tài: 1. Nguyễn Lê Anh 2. Nguyễn Ngọc Phương Dung 3. Nguyễn Tố Ái 4. Trịnh Ngọc Diểm 5. Trần Hữu Cầu Giảng viên ướng dẫn: Mai Hoàng Phương Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013 Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 2 Lời mở đầu “Kiến thức là cái gì chết cứng, còn trường học phục vụ cái sống” - Albert Einstein - Một trong những nhiệm vụ cơ bản của trường phổ thông là đào tạo con người mới, những người lao động có tri thức và có năng lực thực hành, tự chủ năng động và sáng tạo, sẵn sàng tham gia lao động sản xuất và các hoạt động xã hội, Nguyên tắc kĩ thuật tổng hợp đảm bảo cho nhà trường gắn liền với thực tế cuộc sống, với sản xuất – xã hội, học đi đôi với hành; Nó có ý nghĩa đặc biệt, quy định cấu trúc của học vấn và sự phát triển toàn diện của người học sinh. Sự tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ ảnh hưởng trực tiếp đến nguyên tắc, chức năng kĩ thuật, chức năng sản xuất và cả chức năng lao động của con người. Khoa học kĩ thuật đã trở thành lực lượng sản xuất trực tiếp, là một trong những tiền đề vật chất đẩy nhanh sự phát triển kinh tế xã hội của loài người. Vai trò của con người trong nền sản xuất hiện đại dần dần quy về việc kiểm tra, điều khiển các hệ thống sản xuất tự động, quản lý điều chỉnh mối quan hệ giữa các yếu tố của nền kinh tế – xã hội, Điều đó đòi hỏi con người phải có trình độ kiến thức tổng hợp, toàn diện, đồng thời có chuyên môn sâu của lĩnh vực nghề nghiệp. Môn Vật lý với đặc điểm và phương pháp riêng đã đóng vai trò cơ bản trong việc giáo dục kĩ thuật tổng hợp cho học sinh. Dạy học các ứng dụng kĩ thuật của Vật lý có vai trò to lớn trong việc hình thành kiến thức Vật lý và kĩ năng giải quyết vấn đề của học sinh. Nhóm tác giả Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 3 I. Giáo dục kĩ t uật tổng hợp trong d y học Vật lý 1. Nội dung giáo dục kĩ t uật tổng hợp trong d y học Vật lý Vật lý gắn bó mật thiết với khoa học và công nghệ, là cơ sở của nhiều ngành kĩ thuật và sản xuất, là cơ sở của nội dung giáo dục kĩ thuật tổng hợp. Trong dạy học Vật lý cần làm cho học sinh hiểu và nắm vững các vấn đề chính như sau: a. Những nguyên tắc khoa học, kĩ thuật và công nghệ cơ bản, chung của các quá trình sản xuất chính Trong quá trình dạy học Vật lý, cần phân tích để làm sáng tỏ các nguyên tắc Vật lý trong hoạt động của các thiết bị khác nhau, các nguyên lý cơ bản của điều khiển máy, phương tiện kĩ thuật, thiết bị thông tin liên lạc, thiết bị quang học, Giới thiệu để học sinh hiểu được cơ sở của năng lượng học, kĩ thuật điện tử học kĩ thuật tính toán, kĩ thuật nhiệt, kĩ thuật liên quan đến quốc phòng, Các nguyên lí bảo toàn, nguyên lí thế năng cực tiểu, nguyên lí sự nổi, sự bay, Nguyên lí chế tạo, sử dụng công cụ lao động, thiết kế chế tạo dụng cụ thí nghiệm, các mẫu sản phẩm, vật dụng, Qua việc nghiên cứu các khả năng, hình thức và phương pháp ứng dụng các định luật các lí thuyết Vật lý cần chỉ ra cho học sinh hiểu và nắm được nguyên lý khoa học chung của các quá trình sản xuất chính như: Quá trình sản xuất cơ khí, sản xuất tự động, quá trình sản xuất gia công vật liệu, sản xuất, truyền tải và sử dụng điện năng, Bằng việc thực hiện các thí nghiệm Vật lý, giải quyết các bài toán kĩ thuật, tổ chức tham quan, ngoại khóa, cần bồi dưỡng tri thức, kĩ năng về tổ chức lao động khoa học và quản lý kinh tế – kĩ thuật, đồng thời cho học sinh hiểu biết thêm các nguyên lý kĩ thuật chung, hiểu về đối tượng lao động, công cụ lao động và sức lao động trong quá trình sản xuất xã hội. b. Các phương hướng cơ bản của tiến bộ khoa học – kĩ thuật Cùng với việc chiếm lĩnh các nguyên lý khoa học, kĩ thuật và công nghệ, cần làm cho học sinh lĩnh hội được vấn đề kinh tế – xã hội của kĩ thuật, các phương hướng cơ bản của tiến bộ khoa học – kĩ thuật, bao gồm: Các yếu tố và cấu trúc của các hệ kĩ thuật, nguyên tắc và chức năng của kĩ thuật mới, đó là cơ sở của tiến bộ khoa học và công nghệ, của các phương pháp sản xuất mới. Ví dụ: Nghiên cứu các đối tượng và quá trình kĩ thuật về vật dẫn, điện môi, nam châm điện, máy biến thế, các thiết bị điện khác nhau, Giáo viên cần phân tích rõ các dạng sản xuất hoặc máy móc và vật liệu tương ứng như các loại vật liệu điện, các dụng cụ, thiết bị điện tử, Từ đó, cho thấy xu hướng tiến bộ kĩ thuật của chúng, đó là điện tử học và điện kĩ thuật, là cơ sở của quá trình sản xuất bán tự động và tự động, Các tư tưởng khoa học hiện đại và xu hướng phát triển của kĩ thuật và công nghệ sản xuất như: Cơ khí hóa nền sản xuất quốc dân, sản xuất và truyền tải điện năng, sản xuất và gia công vật liệu mới, sử dụng năng lượng nguyên tử, tự động hóa sản xuất, quang cụ và kĩ thuật đo lường, điện tử và tin học, Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 4 Việc giới thiệu đặc điểm, phương hướng phát triển của một số ngành nghề trong nền kinh tế quốc dân, của tiến bộ khoa học – kĩ thuật và những dự báo về nhu cầu của thời đại, có ý nghĩa to lớn trong việc bồi dưỡng tri thức, chuẩn bị cơ sở tâm lý và hướng nghiệp cho học sinh. c. Rèn luyện các kĩ năng và thói quen thực hành Rèn luyện các kĩ năng cơ bản về sử dụng các dụng cụ thí nghiệm Vật lý, các công cụ sản xuất phổ biến như: Hệ thống thao tác đo đạc, đọc các giá trị, lựa chọn dụng cụ với cấp độ chính xác thích hợp, quy tắc lắp ráp, kiểm tra, vận hành bảo quản các thiết bị, động cơ, máy móc, Cần cho học sinh hiểu bản chất Vật lý của cấu trúc kĩ thuật, làm quen với việc thực hiện các yêu cầu kĩ thuật cũng như kế hoạch làm việc. Rèn luyện các kĩ năng tính toán, sử dụng bản vẽ, đồ thị, tự thiết kế và chế tạo các dụng cụ, mô hình phục vụ học tập, giải bài toán kĩ thuật, nhằm phát triển năng lực sáng tạo và rèn luyện thói quen thực hành cho học sinh. Việc vận dụng các kiến thức Vật lý vào giải quyết những nhiệm vụ kĩ thuật và rèn luyện các kĩ năng là yếu tố cần thiết để rèn luyện tác phong làm việc khoa học, xây dựng ý thức và thói quen thực hành, bồi dưỡng năng lực hoạt động thực tiễn cho học sinh. 2. Các biện p áp giáo dục kĩ t uật tổng hợp trong d y học Vật lý a. Giảng dạy kiến thức Vật lý đảm bảo tính hệ thống, vững chắc, liên hệ chặt chẽ với kĩ thuật, sản xuất và đời sống Việc lựa chọn tài liệu học tập có giá trị khoa học lớn và có xu hướng thực tiễn, đặc biệt về kĩ thuật và công nghệ cho mỗi đề tài, bài học Vật lý là rất cần thiết, muốn vận dụng được kiến thức khoa học vào thực hành thì điều trước tiên là phải hiểu và nắm vững kiến thức ấy. Muốn giáo dục kĩ thuật tổng hợp cho học sinh thì không những làm cho họ nắm vững hệ thống kiến thức Vật lý mà còn nhận thức được các nguyên lý kĩ thuật cơ bản, thấy được con đường vận dụng định luật vào trong cấu trúc và hoạt động của máy móc, dụng cụ. Việc lựa chọn và giải các bài toán kĩ thuật, việc mở rộng các bài học trong điều kiện sản xuất cụ thể, với các số liệu kĩ thuật được xác định, cho phép học sinh làm quen với những tình huống sản xuất, với hoạt động kinh tế – kĩ thuật ở địa phương, từ đó rèn luyện kĩ năng cần thiết và phát triển tư duy kĩ thuật cho họ. b. Lựa chọn phương pháp dạy học góp phần phát triển năng lực sáng tạo kĩ thuật của học sinh Sử dụng rộng rãi các sơ đồ, mô hình, thiết bị kĩ thuật, phim, video về các quá trình sản xuất và kĩ thuật, Chỉ rõ cho học sinh hiểu nguyên lí khoa học – kĩ thuật của các quá trình sản xuất, của tiến bộ khoa học – kĩ thuật – công nghệ. Giải những bài tập có nội dung kĩ thuật sản xuất. Tổ chức sưu tầm, lựa chọn và giải các bài tập có tính kĩ thuật, số liệu rút ra từ nền sản xuất địa phương, phù hợp với thực tế Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 5 Cho học sinh tìm hiểu, sưu tập và chuẩn bị các báo cáo bổ sung cho bài học, trao đổi trong các nhóm, tổ chức hoạt động ngoại khóa. Tham gia nghiên cứu thiết kế hoặc chế tạo cải tiến các dụng cụ, thiết bị thí nghiệm, các mô hình phục vụ học tập, Tổ chức bài học Vật lý tại trường, cơ sở sản xuất, trung tâm khoa học kĩ thuật với nội dung và hình thức phù hợp. Học sinh không những được nghiên cứu các nguyên tắc Vật lý của máy móc, dụng cụ mà trực tiếp thấy rõ quá trình sản xuất thực tế sự hoạt động của thiết bị, máy móc. c. Tăng cường công tác thực hành, làm thí nghiệm Vật lý và rèn luyện kĩ năng thực hành cho học sinh Thí nghiệm thực hành Vật lý có ý nghĩa đặc biệt quan trọng không chỉ rèn luyện các kĩ năng sử dụng dụng cụ đo lường, đọc vẽ sơ đồ kĩ thuật, tính toán mà còn hình thành thói quen thực hành, rèn luyện tác phong làm việc khoa học cho học sinh. Song song với công tác thực nghiệm trên lớp hoặc ở phòng thí nghiệm, cần thiết cho học sinh làm bài tập ở nhà, bài tập thực hành bắt buộc hoặc tự chọn có nội dung kĩ thuật. d. Giới thiệu các phương hướng phát triển và tiến bộ khoa học kĩ thuật Tùy theo đặc điểm và yêu cầu của mỗi bài học Vật lý, mỗi đề tài cụ thể, cần giới thiệu cho học sinh hiểu biết các phương hướng phát triển cơ bản như sau: Cơ học là cơ sở phát triển ngành kĩ thuật cơ khí, Vật lý phân tử và nhiệt học là cơ sở phát triển ngành gia công vật liệu mới, Điện học là cơ sở phát triển các ngành Kĩ thuật điện và Điện tửcùng những dạng sản xuất, các đối tượng và quá trình kĩ thuật tương ứng. Việc giới thiệu các tiến bộ khoa học – kĩ thuật cùng các thong tin về sự phát triển kinh tế, kĩ thuật cảu đất nước và ở địa phương có tác dụng củng cố niềm tin, kích thích hứng thú học tập, là cơ sở định hướng nghề nghiệp cho học sinh. e. Tổ chức các hoạt động tham quan, ngoại khóa về Vật lý – kĩ thuật Tổ chức tham quan các cơ sở sản xuất, trung tâm nghiên cứu và ứng dụng tiến bộ kĩ thuật, cho phép học sinh làm quen với thực tế của tổ chức sản xuất, các quá trình công nghệ, hoạt động của thiết bị máy móc. Việc tổ chức sinh hoạt các nhóm ngoại khóa, học sinh sưu tập, nghiên cứu sách báo, tạp chí kĩ thuật, nghe báo báo cáo khoa học, thi sáng tạo kĩ thuật, trò chơi Vật lý có tác dụng rèn luyện kĩ năng thực hành, phát triển hứng thú và năng lực sáng tạo kĩ thuật của học sinh. II. Ứng dụng kĩ t uật trong Vật lý 1. K ái niệm về ứng dụng kĩ t uật của Vật lý Các ứng dụng của các định luật, nguyên lý, hiệu ứng, Vật lý trong kĩ thuật và đời sống (gọi là các ứng dụng kĩ thuật) được hiểu là các đối tượng, thiết bị máy móc (hoặc hệ thống các đối tượng thiết bị máy móc) được chế tạo và sử dụng với mục đích nào đó trong kĩ thuật và đời sống mà nguyên tắc hoạt động của chúng dựa trên các định luật, nguyên lý, hiệu ứng đó. Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 6 Với quan niệm về ứng dụng kĩ thuật như vậy thì trong chương trình Vật lý phổ thông có nhiều ứng dụng kĩ thuật được nghiên cứu. Ví dụ như:  Các máy phát điện, các động cơ điện, relay điện từ, mà nguyên tắc hoạt động của nó dựa trên hiện tượng điện từ.  Máy ảnh, kính hiển vi, kính thiên văn, kính lúp, ứng dụng quy luật đường đi của các tia sáng qua lăng kính, gương, thấu kính (sự tạo ảnh qua lăng kính, gương, thấu kính). 2. Vai trò của việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ t uật trong d y học Vật lý Xét một ứng dụng kĩ thuật trong đó không chỉ áp dụng các định luật Vật lý mà còn cần phải có những đề xuất giải pháp đặc biệt để làm cho các hiện tượng Vật lý có hiệu quả cao, sao cho thiết bị được sử dụng thuận tiện trong đời sống và sản xuất. Để đạt được mục đích này khi nghiên cứu, học sinh không những phải vận dụng những định luật Vật lý vừa được thiết lập mà còn phải vận dụng tổng hợp những hiểu biết, những kinh nghiệm về nhiều lĩnh vực khác của Vật lý. Học sinh được làm quen với những nguyên lý chủ yếu của những ngành sản xuất chính, được rèn luyện những kỹ năng, kỹ xảo cần thiết trong lao động sản xuất, trong việc sử dụng các công cụ đơn giản trong lao động sản xuất. Do vậy, việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật của Vật lý là cầu nối giữa lý thuyết và thực tiễn, giữa bài học Vật lý và đời sống. Xét về phương diện dạy học thì việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật là giai đoạn củng cố các định luật (hay nguyên lý, hiệu ứng,...) Vật lý thông qua việc vận dụng nó trong trường hợp cụ thể. Bởi vì các ứng dụng kĩ thuật được thiết kế chế tạo dựa trên các định luật, nguyên lý Vật lý, chỉ dựa trên cơ sở hiểu sâu sắc chúng mới có thể hiểu được các thiết bị đó hoạt động trên nguyên tắc nào, mới có thể chế tạo, thiết kế được các thiết bị ứng dụng kĩ thuật đó. Qua đó sự hiểu biết của học sinh về kiến thức Vật lý được sâu sắc, mềm dẻo hơn. Đồng thời, nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật tạo điều kiện xác lập tính thống nhất giữa cái trừu tượng (định luật, nguyên lý, khái niệm,) và cái cụ thể (các ứng dụng kĩ thuật). Trong quá trình nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật, học sinh làm quen dần với việc tự lực chuyển những kiến thức đã học (định luật, nguyên lý, Vật lý) vào tình huống mới (giải thích hoạt động của ứng dụng kĩ thuật hay đưa ra một dự án thiết kế ứng dụng kĩ thuật) thông qua hoạt động của học sinh như: Mô tả và giải thích bằng ngôn ngữ nói, viết; thực hiện các thao tác kĩ thuật từ mức đơn giản là lắp ráp theo sơ đồ có sẵn đến mức cao hơn là tự đề xuất, chọn lựa phương án thiết kế tối ưu ứng dụng kĩ thuật. Qua đó góp phần làm tư duy ngôn ngữ, óc sáng tạo Vật lý – kĩ thuật của học sinh phát triển. Bằng việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật để chỉ ra vai trò ngày càng tăng của việc áp dung Vật lý học mới vào nền công nghiện sản xuất hiện đại, phát triển cao (như kĩ thuật Laze, Vật lý nguyên tử hạt nhân, vũ trụ học, thông tin liên lạc,) qua đó học sinh càng thấy đươc ý nghĩa to lớn của việc phát minh ra các định luật nguyên lý Vật lý và các ứng dụng quan trọng của chúng trong cuộc sống hàng ngày; họ càng tin tưởng và hứng thú hơn trong học tập, thói quen yêu lao động, quý trọng người lao động được củng cố và phát triển. Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 7 3. Bản chất của việc ng iên cứu các ứng dụng kĩ t uật của Vật lý trong d y học Dạy học các ứng dụng kĩ thuật thông qua việc phân tích các thí dụ kĩ thuật cần phải quan tâm đến việc làm sáng tỏ các nguyên tắc Vật lý trong hoạt động của các thiết bị Vật lý khác nhau. Khi biết nguyên tắc hoạt động cơ bản của một số loại thiết bị học sinh có thể tìm thấy ứng dụng của chúng trong các máy khác, phân tích các ưu nhược điểm của các dụng cụ khác nhau. Ở đây giáo viên nên sử dụng rông rãi các sơ đồ, đồ án, hình vẽ kĩ thuật, nghĩa là nói với học sinh bằng ngôn ngữ kĩ thuật. Kết quả của việc học sinh nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật của Vật lý phải là sự lĩnh hội vững chắc những khái quát hóa kĩ thuật. Trong việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật, học sinh được tìm hiểu các lĩnh vực kĩ thuật chủ yếu nhất và nắm được cơ sở Vật lý của các đối tượng kĩ thuật khác nhau và các qui trình công nghệ sản xuất. Những hiểu biết này nhằm chỉ ra mối quan hệ tương đối gắn bó của sự phát triển Vật lý và kĩ thuật trong sự phát triển của xã hội. Theo phân tích ở trên cho thấy Vật lý được coi là nền tảng của kĩ thuật. Tuy nhiên trong thực tế, kĩ thuật cũng có vai trò thúc đẩy những nghiên cứu khoa học, thực hiện công nghiệp hóa khoa học Vật lý, tạo ra những phương tiện kĩ thuật mới để nghiên cứu Vật lý. Việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật của Vật lý trong dạy học thực chất là việc “sắp xếp” các kiến thức Vật lý trong các mối quan hệ khác nhau, mối liên hệ có tính chất Vật lý kĩ thuật. Thông qua việc nghiên cứu cấu tạo, hoạt động của các thiết bị kĩ thuật, học sinh xác định được những mối quan hệ có tính qui luật Vật lý tồn tại trong hoạt động của thiết bị, giải thích được hoạt động của nó trên cơ sở những định luật, nguyên lý Vật lý đã biết. Trong các ứng dụng kĩ thuật của Vật lý, các kiến thức Vật lý đã được cụ thể hóa trong điều kiện xác định. 4. Các lo i mô ìn t ường được sử dụng trong d y học các ứng dụng kĩ thuật: Trong dạy học ứng dụng kĩ thuật của Vật lý thường sử dụng hai loại mô hình: mô hình vật chất chức năng và mô hình hình vẽ (mô hình ký hiệu). Qua việc tìm hiểu cơ sở lý luận của việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật trong chương trình Vật lý phổ thông và việc nghiên cứu vai trò của mô hình trong dạy học Vật lý cho thấy mô hình rất cần thiết khi nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật, chính mô hình đã tạo điều kiện cho quá trình tư duy dễ thành công.  Mô hình hình vẽ: Là một dạng của mô hình ký hiệu, là loại mô hình lý tưởng. Mô hình hình vẽ có các chức năng:  Để mô tả những nét chính về cấu trúc của vật thể hay một cơ cấu kĩ thuật đã được lược bỏ những chi tiết kĩ thuật không cần thiết (ví dụ: hình vẽ một máy ảnh, hình vẽ cách bố trí thí nghiệm khảo sát chuyển động thẳng,) Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 8  Sơ đồ hóa bằng các ký hiệu chuyên biệt một thiết bị nào đó (ví dụ: hình vẽ sơ đồ mạch điện, sơ đồ máy thu)  Để biểu diễn các giai đoạn khác nhau của quá trình diễn biến hiện tượng (ví dụ: 4 giai đoạn của động cơ đốt trong), từ hình vẽ có thể suy ra dự đoán những hiện tượng giống như khi ta thao tác trên mô hình. Ưu nhược điểm của sử dụng mô hình vẽ:  Ưu điểm: Có thể đại diện cho vật gốc về một số mặt, nhờ thế mà có thể sử dụng mô hình để dự đoán và giải thích một số hiện tượng (chẳng hạn có thể sử dụng mô hình hình vẽ để dự kiến thiết kế một thiết bị quang học đòi hỏi đáp ứng được những yêu cầu đã cho trước. Ví dụ: để quan sát vật từ rất xa phải dùng ống kính dài như kính thiên văn hoặc quan sát vật ở rất xa dùng ống kính ngắn như ống nhòm. Dựa trên mô hình ta có thể thiết kế áng chừng).  Nhược điểm: Mỗi mô hình chỉ phản ánh được một số tính chất nhất định của vật gốc. Bởi vậy mỗi mô hình đều có giới hạn ứng dụng của nó vì thế suy ra hệ quả lý thuyết có khi không hoàn toàn phù hợp với thực tiễn. Ví dụ: Mô hình đường truyền của tia sáng qua thấu kính mà không kể đến tính chất quang sai của thấu kính thì nếu chỉ dựa trên mô hình ta có thể tạo ra được kính lúp, kính hiển vi có độ phóng đại lớn tùy ý. Nhưng những thấu kính thực tế luôn gặp phải vấn đề quang sai hay hiện tượng nhiễu xạ do đó số phóng đại của các kính quang học có giới hạn. Cho nên khi sử dụng mô hình nếu có điều kiên giáo biên nên chỉ cho học sinh thấy những giới hạn đó để tính những trường hợp ngoại suy trên mô hình quá giới hạn ứng dụng dẫn đến những sai lầm đáng tiếc không phù hợp thực tế.  Mô hình vật chất của ứng dụng kĩ thuật có thể hoạt động được như đối tượng gốc (thực hiện chức năng), nó được tạo ra và sử dụng với mục đích là phương tiện của nhận thức chứ không phải là dùng trong cuộc sống. Đặc điểm của mô hình vật chất chức năng:  Được chế tạo để thay thế vật gốc mà nguyên tắc hoạt động của nó dựa trên các định luật, nguyên lý, hiệu ứng, hiện tượng Vật lý (ví dụ: mô hình máy phát điện được chế tạo thay thế cho máy phát điện xoay chiều một pha, nguyên tắc hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ).  Trình tự hoạt động của mô hình vật chất chức năng theo thời gian xảy ra giống như trình tự hoạt động của vật gốc (hơn nữa khi chế tạo nếu có thể phân chia thành từng giai đoạn nhỏ tạo điều kiện cho việc giảng dạy). Do đó ta có thể tách ra được những yếu tố riêng biệt của đối tượng nghiên cứu giúp cho học sinh nhìn thấy được các đối tượng kĩ thuật mà thực tế thường bị che kín, quan sát được các quá trình động học xảy ra với nhịp điệu chậm hơn, tái hiện lại các quá trình nghiên cứu với số lần cần thiết, hình dung được cụ thể các đối tượng không thể cảm giác được.  Ở mô hình vật chất chức năng này các vấn đề tối ưu hóa về kĩ thuật, kinh tế chưa cần được đặt ra. Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 9 Vai trò của mô hình vật chất chức năng:  Mang tính trực quan hơn mô hình hình vẽ. Học sinh có thể nhìn thấy được các bộ phận của đối tượng kĩ thuật mà hình vẽ không diễn tả hết và cụ thể được.  Nghiên cứu các đối tượng và hiện tượng kĩ thuật không thể có được trong điều kiện nhà trường.  Khi mô hình vận hành có thể phân chia thành từng giai đoạn tạo điều kiện cho học sinh thấy được hoạt động của thiết bị và dễ phát hiện được những mối quan hệ có tính qui luật.  Minh họa được quá trình hoạt động thực của thiết bị. Ưu, nhược điểm của mô hình vật chất chức năng: Ưu điểm:  Mô hình vật chất chức năng (VCCN) là đại diện của vật gốc nên nó giúp ta hiểu rõ đối tượng nghiên cứu một cách cụ thể.  Một mô hình VCCN có thể dùng để dạy nhiều loại kiến thức khác nhau.  Một mô hình VCCN có thể phản ánh được nhiều mặt của vật gốc.  Dùng mô hình VCCN giúp học sinh hiểu được một cách nhanh chóng, cặn kẽ nguyên tắc hoạt động cấu tạo và cơ chế vận chuyển của các máy móc dụng cụ, cũng như hiểu được một cách trực quan những hiện tượng và cơ chế hết sức trừu tượng, không thể trực tiếp quan sát được. Qua đó giúp học sinh hiểu sâu sắc các hiện tượng, các định luật Vật lý và ứng dụng thực tế của chúng. Mô hình VCCN có thể đóng vai trò của thí nghiệm kiểm tra giả thiết (dự án thiết kế một ứng dụng kĩ thuật), trong khi nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật của Vật lý. Nhược điểm: Bên cạnh những ưu điểm của mô hình vật chất chức năng còn có một số hạn chế sau:  Có tính gần đúng tạm thời.  Tuy phản ánh “vật gốc” nhưng không thể thay thế hoàn toàn “vật gốc” mà nó chỉ có giá trị như một phương tiện, công cụ.  Mỗi mô hình chỉ có hiệu lực trong những giới hạn được nêu ra. III. Các con đường ng iên cứu ứng dụng kĩ t uật của Vật lý trong d y học Xuất phát từ sự phân tích về mặt bản chất của việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật trong dạy học Vật lý ở trên cho phép ta xác định: việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật trong dạy học Vật lý ở các trường phổ thông có thể diễn ra theo 2 con đường sau: Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 10  Con đường thứ nhất: trên cơ sở đã có sẵn ứng dụng kĩ thuật (thiết bị, máy móc,) nhiệm vụ của học sinh là nghiên cứu cấu tạo và giải thích nguyên tắc hoạt động của các ứng dụng kĩ thuật trên cơ sở các định luật, nguyên lý Vật lý đã biết.  Con đường thứ 2: dựa trên các định luật, nguyên lý Vật lý đã biết, nhiệm vụ của học sinh là đưa ra các phương án thiết kế một thiết bị nhằm giải quyết một yêu cầu kĩ thuật nào đó  Dạy học các ứng dụng kĩ thuật theo con đường thứ nhất:  Thực chất là giải bảo toàn “hộp trắng”: biết đầu vào, đầu ra, cấu tạo bên trong của hộp, hãy giải thích tại sao đầu vào thế này, nhờ thiết bị lại cho đâu ra như vậy? để đưa ra lời giải thích đúng, điều quan trọng trước tiên là học sinh phải xác định được “điều cần phải giải thích” Ví dụ: Đối với việc nghiên cứu máy biến thế ở lớp 9 thì một trong các điều cần giải thích là: khi nói hai đầu dây sơ cấp với một hiệu điện thế xoay chiều thì thu được ở hai đầu cuộn thứ cấp một điện áp xoay chiều nếu mạch hở hoặc dòng điện xoay chiều nếu mạch kín (sgk lớp 9 – 1996). Được định hướng từ “điều cần giải thích” này, học sinh tìm con đường giải thích theo phương pháp tư duy điều kiện cụ thể được qui định bởi cấu tạo của thiết bị. Khó khăn nhất đối với học sinh ở đây là: từ cấu tạo của ứng dụng kĩ thuật và nghiên cứu vận hành của nó phải phát hiện ra được những mối quan hệ có bản chất Vật lý, những mối quan hệ có tính qui luật Vật lý đã biết tồn tại trong đối tượng cụ thể đang nghiên cứu, quá trình này đòi hỏi học sinh phải tiến hành các thao tác tư duy phân tích, tổng hợp và đặc biệt tư duy diễn dịch. Để tạo điều kiện cho học sinh thực hiện quá trình này thành công thì việc giáo viên đưa ra một mô hình thay thế cho đối tượng đang nghiên cứu là hết sức có ý nghĩa. Thường được sử dụng ở đây là mô hình dưới dạng hình vẽ hay mô hình vật chất chức năng hoặc kết hợp cả hai. Việc sử dụng mô hình vật chất chức năng mang tính chất trực quan. Khi mô hình được vận hành sẽ tạo điều kiện cho học sinh dễ dàng phát hiện ra các mối quan hệ cơ bản của Vật lý và cách quy luật tiềm ẩn trong đó. Hơn nữa, qua mô hình loại này có thể minh họa được quá trình hoạt động thực của thiết bị (ví dụ như mô hình động cơ điện một chiều có thể cho học sinh thấy khi cho dòng điện một chiều chạy trong khung thì quan sát thấy khung dây quay thật sự) do đó kích thích hứng thú học tập của học sinh. Con đường giải thích nguyên tắc hoạt động của ứng dụng kĩ thuật bao gồm chuỗi quan hệ Vật lý theo logic nhân quả hay các quan hệ Vật lý có tính qui luật (được phát biểu dưới dạng các định luật, nguyên lý) hoặc có khi bao gồm cả hai. Ví dụ: Khi giải thích nguyên tắc hoạt động của máy biến thế thì quan hệ có tính nhân quả ở đây là:  Dòng điện trong cuộn dây sơ cấp là cho lõi sắt bị nhiễm từ.  Vì dòng điện từ hóa lõi sắt là dòng điện xoay chiều nên từ trường trong lõi sắt là từ trường biến đổi. Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 11 Còn quan hệ có tính qui luật ở đây là:  Tù trường biến đổi này xuyên qua cuộn dây thứ cấp sẽ tạo ra trong cuộn dây một dòng điện cảm ứng xoay chiều (nếu mạch kín) hoặc một hiệu điện thế xoay chiều (nếu mạch hở). Trên cơ sở những phân tích đã nêu ở trên cho thấy việc giảng dạy các ứng dụng kĩ thuật theo con đường thứ nhất được tiến hành theo các bước cơ bản sau:  Bước 1: Cho học sinh quan sát thiết bị gốc (nếu có thể). Trình bày mục đích sử dụng của nó.  Bước 2: Nghiên cứu cấu tạo của thiết bị gốc để đưa ra mô hình của nó (có thể là mô hình vẽ hay mô hình vật chất chức năng hoặc cả hai loại trên).  Bước 3: Sử dụng mô hình để giải thích nguyên tắc hoạt động của thiết bị trên cơ sở vận dụng các mối quan hệ nhân quả và mối quan hệ có tính qui luật về Vật lý đã biết. Nếu ở bước 2 đã đưa ra mô hình vật chất chức năng thì ở bước 3 này cần cho nó vận hành để minh họa nguyên lý hoạt động của thiết bị.  Dạy học của ứng dụng kĩ thuật theo con đường thứ 2: Nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật theo con đường thứ 2 thức chất là làm nhiệm vụ thiết kế một thiết bị có chức năng kĩ thuật nào đó dựa trên những mối quan hế có tính nhân quả và những mối quan hệ có tính qui luật về Vật lý đã biết. Để việc nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật theo con đường này có hiệu quả thì các mối quan hệ có tính qui luật về Vật lý (định luật, nguyên lý) cần phải được ôn tập kĩ lưỡng, sau đó giáo viên phải đặt nhiệm vụ nhận thức trước học sinh: Thiết kế chế tạo một thiết bị có một chức năng nào đó. Xuất phát từ những định luật, nguyên lý Vật lý khái quát để thiết kế và một thiết bị kĩ thuật đòi hỏi ở học sinh có trình độ tư duy diễn dịch và tư duy Vật lý kĩ thuật cao. Ở đây giáo viên cần chú ý rằng: những trường hợp riêng của định luật, nguyên lý Vật lý đã được nghiên cứu (dùng làm cơ sở để khái quát nên định luật) lại có ý nghĩa định hướng tốt nhất đối với đa số học sinh trong việc đề ra các phương án thiết kế các thiết bị này. Ví dụ: Khi nghiên cứu định luật cảm ứng điện từ, trường hợp riêng của nó là trường hợp dây dẫn (hoặc khung dây dẫn) chuyển động cắt đường cảm ứng từ sẽ tạo nên trong dây dẫn (hoặc trong khung dây dẫn) một dòng điện. Nó là cơ sở định hướng sát nhất khi học sinh thiết kế máy phát điện. Còn việc tiếp theo là sáng tạo ra các bộ phận để đưa dòng điện ra ngoài như thế nào là việc thiết kế các chi tiết kĩ thuật. Trong quá trình học sinh đề xuất các phương án thiết kế ứng dụng kĩ thuật, dưới sự giúp đỡ, hướng dẫn của giáo viên học sinh sẽ thế hành thảo luận theo nhóm và trước lớp sẽ dẫn tới chọn được các ý tưởng cơ bản để chế tạo thiết bị mong muốn. Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 12 Để kiểm tra tính đúng đắn của các ý tưởng đó thì việc đưa ra một mô hình vật chất chức năng tương ứng và cho nó vận hành (xem nó có đạt được đúng chức năng như dự kiến không) là giai đoạn hết sức quan trọng trong quá trình nhận thức. Để học sinh có được sự hiểu biết đầy đủ về thiết bị ứng dụng kĩ thuật, việc làm tiếp theo của giáo viên là trình bày bổ sung vào mô hình các chi tiết về mặt kĩ thuật của thiết bị được sử dụng trong thực tiễn và cho học sinh quan sát vật thật với tất cả các chi tiết phức tạp của nó hoặc quan sát theo mô hình có thêm chi tiết kĩ thuật. Các phân tích ở trên cho thấy, dạy học các ứng dụng kĩ thuật theo con đường thứ hai có thể tiến hành theo các bước cơ bản sau:  Bước 1: Ôn tập các định luật nguyên lí Vật lý (trong trường hợp yêu cầu cần thiết thì nhắc lại các trường hợp riêng của chúng) mà nguyên tắc hoạt động của thiết bị trên các định luật, nguyên lý (hoặc các trường hợp riêng này).  Bước 2: Đưa ra nhiệm vụ thiết kế một thiết bị có chức năng nào đó trước học sinh.  Bước 3: Hướng dẫn học sinh vận dụng các mối quan hệ có tính qui luật, có tính nhân quả về Vật lý đã biết để đề xuất những dự án thiết kế thiết bị đó. Tổ chức cho học sinh thảo luận các dự án thiết kế thiết bị đã đề xuất để chọn phương án khả thi.  Bước 4: Đưa ra mô hình vật chất chức năng tương ứng với dự án thiết kế đã lựa chọn và cho mô hình vận hành để kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế này.  Bước 5: Bổ sung hoàn thiện mô hình về phương diện kĩ thuật, phù hợp thực tiễn và đưa ra vật thật hoặc mô hình có thêm các chi tiết kĩ thuật để học sinh có thể hiểu biết đầy đủ về ứng dụng kĩ thuật. Cuối cùng là tóm tắt lại chức năng, cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của ứng dụng kĩ thuật vừa nghiên cứu. Xét theo quan điểm lý luận dạy học hiện nay, việc dạy học theo con đường thứ hai có tác dụng tốt hơn đối với việc phát huy năng lực sáng tạo của học sinh. Việc dạy học các ứng dụng kĩ thuật mà nhiệm vụ thiết kế chúng không quá phức tạp, phù hợp với trình độ học sinh có thể theo con đường này. Tất nhiên, trong quá trình giải quyết nhiệm vụ nhận thức, học sinh có thể gặp khó khăn, khi đó giáo viên sẽ hướng dẫn, giúp đỡ. Việc dạy học theo con đường này còn tùy thuộc vào nội dung kiến thức về ứng dụng kĩ thuật ở các bậc học, tình hình trang thiết bị ở trường phổ thông và trình độ của học sinh. Trong nhiều trường hợp, nhiệm vụ thiết kế quá phức tạp, vượt quá trình độ của học sinh hoặc vượt quá yêu cầu nội dung của kiến thức ở bậc học thì nên theo con đường thứ nhất. Nhưng khi dạy học các ứng dụng kĩ thuật theo con đường này, giáo viên cũng cần tránh sự thông báo, áp đặt mà cần hướng dẫn học sinh tự lực thực hiện các công việc mà học sinh có thể làm được. Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 13 IV. Ví dụ về d y học các ứng dụng kĩ t uật Bài: Má ảnh. Trên cơ sở của vấn đề đặt ra là: Thiết kế một dụng cụ dùng để thu được một ảnh thật của vật trên một phim ảnh nhỏ hơn vật rất nhiều; căn cứ vào các kiến thức đã học của học sinh về các khái niệm: Tia sáng, hiện tượng khúc xạ phản xạ, cách dựng ảnh của một vật qua một dụng cụ quang học học sinh có thể đề xuất các phương án (dung dụng cụ như: gương, thấu kính) tạo ảnh thật của một vật thỏa mãn điều kiện nhỏ hơn vật nhiều lần trên phim và từ đó tự lực xây dựng một phương án thiết kế một máy ảnh đáp ứng yêu cầu trên. Sau đó giáo viên giới thiệu cho học sinh chức năng (về phương diện quang học), cấu tạo và đặc điểm của mắt bằng việc so sánh mắt với máy ảnh. Vì vậy, phần máy ảnh ở bài này ta có thể dạy học theo con đường thứ hai. Dự kiến học sinh có thể tự lực đề xuất hai phương án hợp lý sau:  Phương án 1: Dùng một gương cầu lõm đặt trước vật, điều chỉnh vị trí của gương sao cho khoảng cách từ vật tới gương lớn hơn hai lần chiều dài tiêu cự của gương sẽ thu được ảnh của vật là thật, ngược chiều và nhỏ hơn vật. Tại vị trí cho ảnh thật này ta đặt một phim ảnh để thu giữ hình ảnh của vật.  Phương án 2: Dùng một thấu kính hội tụ đặt trước vật sao cho khoảng cách từ vật tới thấu kính lớn hơn hai lần độ dài tiêu cự của thấu kính, ảnh thu được cũng có tính chất như ở phương án trên. Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 14 Trong quá trình phân tích, lựa chọn phương án cho thấy phương án 2 là tối ưu và được dùng để chế tạo máy ảnh. Để ôn tập củng cố về thấu kính và gương cầu, giáo viên nêu đặc điểm sự tạo ảnh của một vật sáng khi vật đó được đặt trước một gương cầu (lồi - lõm)? Một gương phẳng? Một thấu kính (lồi – lõm)? Học sinh cần trình bày được tính chất tạo ảnh của một vật qua mỗi dụng cụ quang học, trong đó chỉ rõ quan hệ giữa vị trí đặt vật so với dụng cụ đó và tính chất của ảnh được tạo ra tương ứng với các vị trí đó. Giáo viên định nghĩa: Máy ảnh là một dụng cụ để thu được một ảnh thật (nhỏ hơn vật) của vật cần chụp trên một phim ảnh. Dựa vào đặc điểm sự tạo ảnh của một vật sáng bởi một dụng cụ quang học đã biết, trước hết hãy đưa ra phương án thiết kế một thiết bị tạo ra được ảnh của một vật là thật, nhỏ hơn vật đó?  Phương án 1: Dùng gương cầu lõm tạo ảnh thật, nhỏ hơn vật bằng cách đặt gương sao cho vật nằm ở vị trí cách gương một khoảng cách lớn hơn 2 lần tiêu cự của gương. Ảnh này ngược chiều so với vật.  Phương án 2: Dùng một thấu kính hội tụ và đặt thấu kính ở vị trí cách vật một khoảng lớn hơn 2 lần tiêu cự của thấu kính. Giáo viên tiến hành thí nghiệm, HS quan sát và đi đến kết luận khẳng định ta chỉ có thể đề xuất được hai phương án như đã nêu trên.  Thảo luận lựa chọn phương án tối ưu: Về mặt lý thuyết có thể coi đây là các phương án dùng để chế tạo một máy ảnh nếu ta đặt một phim ảnh vào vị trí của màn hứng ảnh để thu giữ hình ảnh này của vật. Tuy nhiên, trong thực tế để ảnh của vật thu trên phim được coi là đạt chất lượng tốt thì ảnh đó phải thỏa mãn những yêu cầu sau: Ảnh thật nhỏ hơn vật rất nhiều lần, rõ nét, đạt độ tương phản cao. Bây giờ căn cứ vào các yêu cầu về chất lượng của ảnh thu được hãy phân tích ưu, nhược điểm của từng phương án và lựa chọn phương án thiết kế tốt nhất.  Hoàn thiện, bổ sung chi tiết: Dựa trên phương án thiết kế của các em, chúng ta có thể lắp một mô hình máy ảnh. Nghĩ ra một máy ảnh thật là đơn giản phải không các em? Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 15 Chính với kiến thức Vật lý phổ thông, các em đã nghĩ ra một máy chụp ảnh mà ngày nay nhiều người đang dùng. Tuy nhiên để chụp được ảnh có chất lượng cao, đẹp thì thiết kế này cần được hoàn thiện như sau: Các bộ phận cơ bản của một máy ảnh gồm:  Một thấu kính hội tụ (hay hệ thấu kính có độ tụ dương) để tạo một ảnh quang học thật gọi là vật kính.  Phim nhạy sáng để thu ảnh trên.  Buồng tối (Buồng máy): ngăn ánh sáng ngoài lọt vào phim và tạo khoảng cách thích hợp từ vật kính tới phim. GV cho HS xem sơ đồ máy ảnh, quan sát một máy ảnh thật và chỉ rõ chức năng của các bộ phận khác của máy ảnh như: Cửa sập (M); Màn chắn (C); Bộ phận “Điều chỉnh cự li chụp”; Hệ thống kính ngắm. Ngoài ra, nếu có thời gian GV có thể giới thiệu cho HS biết: Ở các máy ảnh tự động việc điều chỉnh d’, thời gian phơi sáng phim, độ mở cửa điều sáng đều được tự động hóa. -------------Hết--------------- Tài liệu tham khảo 1. Phương pháp dạy học vật lý ở trường trung học phổ thông – Ph m Kim Chung - ĐHQG Hà Nội, 2008 2. Lý luận dạy học Vật lý ở trường THPT – Nguyễn Văn K ải – NXB Giáo dục Dạy học những ứng dụng kĩ thuật của Vật lý 16 Mục lục Lời mở đầu ................................................................................................................................. 2 I. Giáo dục kĩ thuật tổng hợp trong dạy học Vật lý ........................................................... 3 1. Nội dung giáo dục kĩ thuật tổng hợp trong dạy học Vật lý ..................................... 3 a. Những nguyên tắc khoa học, kĩ thuật và công nghệ cơ bản, chung của các quá trình sản xuất chính ........................................................................................................ 3 b. Các phương hướng cơ bản của tiến bộ khoa học – kĩ thuật ................................. 3 c. Rèn luyện các kĩ năng và thói quen thực hành .................................................... 4 2. Các biện pháp giáo dục kĩ thuật tổng hợp trong dạy học Vật lý ............................. 4 a. Giảng dạy kiến thức Vật lý đảm bảo tính hệ thống, vững chắc, liên hệ chặt chẽ với kĩ thuật, sản xuất và đời sống .................................................................................. 4 b. Lựa chọn phương pháp dạy học góp phần phát triển năng lực sáng tạo kĩ thuật của học sinh.................................................................................................................... 4 c. Tăng cường công tác thực hành, làm thí nghiệm Vật lý và rèn luyện kĩ năng thực hành cho học sinh .................................................................................................. 5 d. Giới thiệu các phương hướng phát triển và tiến bộ khoa học kĩ thuật ................. 5 e. Tổ chức các hoạt động tham quan, ngoại khóa về Vật lý – kĩ thuật .................... 5 II. Ứng dụng kĩ thuật trong Vật lý ...................................................................................... 5 1. Khái niệm về ứng dụng kĩ thuật của Vật lý ............................................................. 5 2. Vai trò của việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật trong dạy học Vật lý ............... 6 3. Bản chất của việc nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật của Vật lý trong dạy học ...... 7 4. Các loại mô hình thường được sử dụng trong dạy học các ứng dụng kĩ thuật: ....... 7 III. Các con đường nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật của Vật lý trong dạy học .................... 9 IV. Ví dụ về dạy học các ứng dụng kĩ thuật .................................................................... 13 Tài liệu tham khảo ................................................................................................................... 15 Mục lục .................................................................................................................................... 16