Thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học phần ''Quang hình học'' (Vật lý 11)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

CHU THỊ THANH NGA

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG

THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC PHẦN

''QUANG HÌNH HỌC'' (VẬT LÍ 11)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC

THÁI NGUYÊN, NĂM 2016

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

CHU THỊ THANH NGA

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG

THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC PHẦN

''QUANG HÌNH HỌC'' (VẬT LÍ 11)

Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật lí

Mã số: 60.14.01.11

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ANH THUẤN

THÁI NGUYÊN, NĂM 2016

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

Luận văn sử dụng những thông tin từ nhiều nguồn khác nhau, các thông tin đã

được chọn lọc, phân tích, tổng hợp, xử lý và đưa vào luận văn đúng quy định.

Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và

chưa từng được công bố, sử dụng trong bất kì một công trình nào.

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2016

Tác giả luận văn

Chu Thị Thanh Nga

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, khoa Sau Đại học,

Ban Chủ nhiệm Khoa Vật lí trường ĐHSP Thái Nguyên, thư viện trường Đại học

sư phạm Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện cho tôi học tập, nghiên cứu và hoàn

thành luận văn.

Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu và các đồng nghiệp trường phổ thông

Vùng Cao Việt Bắc thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên, nơi tôi đang công tác.

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS. Nguyễn Anh Thuấn

đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn.

Cuối cùng tôi xin cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè, những người đã

luôn động viên và tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi hoàn thành luận văn.

Thái Nguyên, tháng 10 năm 2016

Tác giả luận văn

Chu Thị Thanh Nga

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN............................................................................................................... ii

MỤC LỤC ...................................................................................................................iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................... iv

DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................... v

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ ................................................... vi

MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 1

1. Lí do chọn đề tài ....................................................................................................... 1

2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................ 3

3. Giả thuyết khoa học .................................................................................................. 3

4. Khách thể và đối tượng nghiên cứu.......................................................................... 3

5. Nhiệm vụ nghiên cứu................................................................................................ 4

6. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 4

7. Những đóng góp của đề tài....................................................................................... 5

8. Cấu trúc của luận văn................................................................................................ 5

Chương 1. CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA VIỆC THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ

DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ Ở

TRƯỜNG PHỔ THÔNG........................................................................................... 6

1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ........................................................................... 6

1.1.1. Những nghiên cứu về dạy học theo hướng phát huy tính tích cực và

phát triển năng lực sáng tạo của học sinh............................................................... 6

1.1.2. Những nghiên cứu về xây dựng và sử dụng TBTN theo hướng phát

huy tính tích cực và phát triển năng lực sáng tạo của học sinh .............................. 8

1.2. Dạy học theo hướng phát huy tính tích cực và phát triển năng lực sáng tạo

của học sinh ................................................................................................................ 11

1.2.1. Phát huy tính tích cực học tập của học sinh ............................................... 11

1.2.2. Phát triển năng lực sáng tạo của học sinh................................................... 13

1.2.3. Dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề...................................................... 17

iv

1.3. Thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học vật lí ở

trường phổ thông......................................................................................................... 20

1.3.1. Vai trò của thí nghiệm vật lí ở trường phổ thông ...................................... 20

1.3.2. Thiết kế và chế tạo thiết bị thí nghiệm trong dạy học vật lí....................... 22

1.3.3. Sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học vật lí theo hướng phát

huy tính tích cực và phát triển năng lực sáng tạo của học sinh............................ 25

1.4. Kết luận chương 1................................................................................................ 29

Chương 2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ SOẠN

TIẾN TRÌNH DẠY HỌC PHẦN "QUANG HÌNH HỌC" (VẬT LÍ 11)............ 30

2.1. Nội dung kiến thức, kĩ năng và các thí nghiệm cần tiến hành trong dạy học

phần "Quang hình học"............................................................................................... 30

2.1.1. Nội dung kiến thức của phần “Quang hình học” (Vật lí 11 nâng cao)...... 30

2.1.2. Mục tiêu kiến thức, kĩ năng phần "Quang hình học" (Vật lí 11 nâng cao) ...... 30

2.1.3. Các thí nghiệm cần tiến hành trong dạy học phần "Quang hình học" ....... 34

2.2. Thực trạng dạy học phần "Quang hình học" theo hướng phát huy tính tích

cực và phát triển năng lực sáng tạo của học sinh trường phổ thông........................... 34

2.2.1. Mục đích điều tra ....................................................................................... 34

2.2.2. Phương pháp điều tra ................................................................................. 34

2.2.3. Kết quả điều tra.......................................................................................... 34

2.3. Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm "Quang hình học" ...................................... 37

2.3.1. Sự cần thiết phải thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm "Quang hình học"......... 37

2.3.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị thí nghiệm "Quang

hình học" .............................................................................................................. 38

2.3.3. Các thí nghiệm có thể tiến hành với thiết bị thí nghiệm "Quang hình học" ....... 41

2.4. Soạn thảo tiến trình dạy học một số bài học phần "Quang hình học" có sử

dụng các thí nghiệm với thiết bị thí nghiệm đã thiết kế và chế tạo ............................ 48

2.4.1. Tiến trình dạy học bài "Khúc xạ ánh sáng" (Vật lí 11 nâng cao).............. 48

2.4.2. Tiến trình dạy học bài "Phản xạ toàn phần" (Vật lí 11 nâng cao)............. 59

2.5. Kết luận chương 2................................................................................................ 67

v

Chương 3. THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM................................................................ 68

3.1. Mục đích, nhiệm vụ, đối tượng và phương pháp của thực nghiệm sư phạm............ 68

3.1.1. Mục đích của thực nghiệm sư phạm .......................................................... 68

3.1.2. Nhiệm vụ của thực nghiệm sư phạm ......................................................... 68

3.1.3. Đối tượng của thực nghiệm sư phạm......................................................... 68

3.1.4. Phương pháp của thực nghiệm sư phạm.................................................... 69

3.2. Các giai đoạn thực nghiệm sư phạm.................................................................... 69

3.2.1. Công tác chuẩn bị cho thực nghiệm sư phạm ............................................ 69

3.2.2. Tiến hành thực nghiệm sư phạm................................................................ 70

3.3. Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm .......................................... 70

3.3.1. Phương pháp đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm ............................... 70

3.3.2. Hiệu quả của tiến trình dạy học các bài đã soạn thảo đối với việc

phát huy tính tích cực và phát triển năng lực sáng tạo của học sinh.................... 73

3.3.3. Đánh giá chung về thực nghiệm sư phạm.................................................. 86

3.4. Kết luận chương 3................................................................................................ 87

KẾT LUẬN................................................................................................................ 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 90

PHỤ LỤC

iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DH : Dạy học

DHVL : Dạy học vật lí

GQVĐ : Giải quyết vấn đề

GV : Giáo viên

HĐNT : Hoạt động nhận thức

HS : Học sinh

NLST : Năng lực sáng tạo

NXB : Nhà xuất bản

QTDH : Quá trình dạy học

SBT : Sách bài tập

SGK : Sách giáo khoa

TBTN : Thiết bị thí nghiệm

THPT : Trung học phổ thông

TN : Thí nghiệm

TNSP : Thực nghiệm sư phạm

TTC : Tính tích cực

v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Bảng kết quả đo góc tới i và góc khúc xạ r............................................. 43

Bảng 3.1. Số liệu HS lớp thực nghiệm và đối chứng .............................................. 69

Bảng 3.2. Thống kê biểu hiện của tính tích cực, NLST của HS ............................. 78

Bảng 3.3. Bảng thống kê điểm số (Xi) của bài kiểm tra lần 1................................. 79

Bảng 3.4. Bảng phân phối tần suất của bài kiểm tra lần 1 ...................................... 80

Bảng 3.5. Bảng phân phối tần suất lũy tích của bài kiểm tra lần 1 ......................... 80

Bảng 3.6. Bảng tổng hợp các tham số thống kê của bài kiểm tra lần 1................... 81

Bảng 3.7. Bảng thống kê điểm số (Xi) của bài kiểm tra lần 2................................. 81

Bảng 3.8. Bảng phân phối tần suất của bài kiểm tra lần 2 ...................................... 82

Bảng 3.9. Bảng phân phối tần suất lũy tích của bài kiểm tra lần 2 ......................... 82

Bảng 3.10. Bảng tổng hợp các tham số thống kê của bài kiểm tra lần 2................... 83

Bảng 3.11. Bảng thống kê điểm số (Xi) của bài kiểm tra lần 3................................. 83

Bảng 3.12. Bảng phân phối tần suất của bài kiểm tra lần 3 ...................................... 84

Bảng 3.13. Bảng phân phối tần suất lũy tích của bài kiểm tra lần 3 ......................... 84

Bảng 3.14. Bảng tổng hợp các tham số thống kê của bài kiểm tra lần 3................... 85

Bảng 3.15. Tổng hợp các thông số thống kê qua ba bài kiểm tra TNSP................... 85

vi

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ

Hình 1.1. Chu trình sáng tạo khoa học theo V.G. Razumôpxki ........................... 15

Hình 2.1. Thiết bị thí nghiệm "Quang hình học".................................................. 39

Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo của nguồn sáng laser ...................................................... 40

Hình 2.3. Sơ đồ thí nghiệm khảo sát định tính hiện tượng khúc xạ ánh sáng ...... 41

Hình 2.4.a. Chùm sáng bị gãy khúc khi đi vào nước............................................... 42

Hình 2.4.b. Chùm sáng bị gãy khúc khi đi vào bản bán trụ..................................... 42

Hình 2.5. Thí nghiệm định lượng hiện tượng khúc xạ ánh sáng .......................... 42

Hình 2.6. Đồ thị biểu diễn mối liện hệ giữa sin của góc tới i và sin của góc

khúc xạ r................................................................................................ 43

Hình 2.7. Sơ đồ bố trí thí nghiệm kiểm nghiệm điều kiện phản xạ toàn phần......... 44

Hình 2.8.a. Chiếu ánh sáng từ không khí vào bán trụ ............................................. 44

Hình 2.8.b. Chiếu ánh sáng từ bán trụ ra ngoài không khí ...................................... 44

Hình 2.9. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát đường đi của tia sáng qua lăng kính ......... 45

Hình 2.10. Đường đi của tia sáng qua lăng kính .................................................... 45

Hình 2.11. Thí nghiệm khảo sát đường đi của tia sáng qua thấu kính hội tụ ......... 46

Hình 2.12. Thí nghiệm khảo sát đường đi của tia sáng qua thấu kính phân kì....... 47

Hình 2.13. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức "Mối liên hệ giữa góc khúc

xạ và góc tới" ........................................................................................ 48

Hình 2.14. Đường truyền ánh sáng theo tính thuận nghịch.................................... 56

Hình 2.15. Ảnh của một điểm sáng O ở đáy một cốc nước.................................... 56

Hình 2.16. Sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức "Hiện tượng phản xạ toàn

phần - Điều kiện xuất hiện hiện tượng phản xạ toàn phần".................. 59

Biểu đồ 3.1. Biểu đồ phân bố điểm của hai nhóm TN và ĐC của bài kiểm tra lần 1.........79

Biểu đồ 3.2. Biểu đồ phân bố điểm của hai nhóm TN và ĐC của bài kiểm tra lần 2.........81

Biểu đồ 3.3. Biểu đồ phân bố điểm của hai nhóm TN và ĐC của bài kiểm tra lần 3.........83

Đồ thị 3.1. Đồ thị phân phối tần suất của bài kiểm tra lần 1 .................................. 80

Đồ thị 3.2. Đồ thị phân phối tần suất lũy tích của bài kiểm tra lần 1 ..................... 80

Đồ thị 3.3. Đồ thị phân phối tần suất của bài kiểm tra lần 2 .................................. 82

Đồ thị 3.4. Đồ thị phân phối tần suất lũy tích của bài kiểm tra lần 2 ..................... 82

Đồ thị 3.5. Đồ thị phân phối tần suất của bài kiểm tra lần 3 .................................. 84

Đồ thị 3.6. Đồ thị phân phối tần suất lũy tích của bài kiểm tra lần 3 ..................... 84

1

MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài

Toàn cầu hoá và hội nhập quốc tế về giáo dục đã trở thành xu thế tất yếu. Quá

trình hội nhập quốc tế sâu rộng về giáo dục đang diễn ra ở quy mô toàn cầu tạo cơ hội

thuận lợi để tiếp cận với các xu thế mới, tri thức mới, những mô hình giáo dục hiện

đại. Xu hướng đổi mới phương pháp dạy học nhằm phát huy tính tích cực, tự giác,

chủ động, sáng tạo của học sinh, bồi dưỡng phương pháp tự học, rèn luyện kĩ năng

vận dụng kiến thức vào thực tiễn cho học sinh là yêu cầu bắt buộc đối với nhà trường

Việt Nam hiện nay, nó cũng là xu hướng chung của các nhà trường trên thế giới.

Ở Việt Nam, định hướng đổi mới phương pháp dạy và học đã được xác định

trong Nghị quyết Trung ương 4 khóa VII (1-1993): "Đổi mới phương pháp dạy và

học ở tất cả các cấp học, bậc học. Kết hợp tốt học với hành, học tập với lao động sản

xuất, thực nghiệm và nghiên cứu khoa học, gắn nhà trường với xã hội. Áp dụng

những phương pháp giáo dục hiện đại để bồi dưỡng cho học sinh năng lực tư duy

sáng tạo, năng lực giải quyết vấn đề". [23].

Luật giáo dục số 38/2005/QH11 đã khẳng định rõ "Mục tiêu của giáo dục phổ

thông là giúp học sinh phát triển toàn diện về đạo đức, trí tuệ, thể chất, thẩm mỹ và

các kĩ năng cơ bản, phát triển năng lực cá nhân, tính năng động và sáng tạo, hình

thành nhân cách con người Việt Nam xã hội chủ nghĩa, xây dựng tư cách và trách

nhiệm công dân; chuẩn bị cho học sinh tiếp tục học lên hoặc đi vào cuộc sống lao

động, tham gia xây dựng và bảo vệ Tổ quốc". [22].

Trong chiến lược phát triển giai đoạn 2011-2015 và tầm nhìn đến năm 2020 đã

chỉ rõ mục tiêu tổng quát: "Đến năm 2020, nền giáo dục nước ta được đổi mới căn

bản và toàn diện theo hướng chuẩn hoá, hiện đại hoá, xã hội hoá, dân chủ hóa và hội

nhập quốc tế; chất lượng giáo dục được nâng cao một cách toàn diện, gồm: giáo dục

đạo đức, kĩ năng sống, năng lực sáng tạo, năng lực thực hành, năng lực ngoại ngữ và

tin học; đáp ứng nhu cầu nhân lực, nhất là nhân lực chất lượng cao phục vụ sự

nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước và xây dựng nền kinh tế tri thức; đảm

bảo công bằng xã hội trong giáo dục và cơ hội học tập suốt đời cho mỗi người dân,

từng bước hình thành xã hội học tập" [3].

2

Trong vật lí học, thí nghiệm vừa là nguồn kiến thức, vừa là một phương pháp

nghiên cứu. Nhờ thí nghiệm vật lí, HS có được những quan niệm cơ bản về phương

pháp thực nghiệm khoa học. Thí nghiệm tạo ra cho HS những khả năng làm quen và

thực hiện các phương pháp tư duy như phân tích, tổng hợp, con đường quy nạp và

diễn dịch, sự so sánh, phép tương tự. Thí nghiệm có khả năng giúp HS tư duy duy vật

biện chứng. Thí nghiệm là phương tiện kích thích hứng thú học tập vật lí, tổ chức quá

trình học tập tích cực, tự lực, sáng tạo của HS. Thí nghiệm luôn luôn đòi hỏi HS tính

tỉ mỉ, thận trọng, trung thực, kiên trì, chính xác, tính kế hoạch, tinh thần tập thể, đoàn

kết giúp đỡ nhau trong công việc, đó là những phẩm chất của con người lao động

khoa học và sáng tạo. Qua thí nghiệm HS tin tưởng vào sự đúng đắn của các kết luận,

các định luật và những ứng dụng trong thực tiễn. Điều đó giúp HS có niềm tin vào

khả năng của mình, có cái nhìn đúng đắn về thế giới khách quan. Do đó thí nghiệm có

tác dụng to lớn trong việc giáo dục thế giới quan duy vật biện chứng cho HS. Thí

nghiệm là cơ sở cho giáo dục kĩ thuật tổng hợp.

Thiết bị thí nghiệm là một trong những phương tiện dạy học quan trọng của bộ

môn vật lí. Hiện nay, trong chương trình vật lí trung học phổ thông, các bài thí

nghiệm được chỉ định tối thiểu đã có các thiết bị đi kèm nhưng có những thiết bị chưa

thống nhất, chưa đáp ứng hết nhu cầu quan sát trực quan của nhiều nội dung kiến

thức. Bên cạnh đó, rất nhiều nội dung thí nghiệm khác trong sách giáo khoa chưa có

thiết bị thí nghiệm. Do đó, để tạo ra sự phong phú cho hệ thống thiết bị thí nghiệm

phục vụ nội dung các bài học, việc GV và HS tự làm đồ dùng dạy học là hoạt động có

ý nghĩa đối với việc dạy và học vật lí ở trường phổ thông.

Đối với TBTN "Quang hình học" trong danh mục các TBTN tối thiểu do Bộ

Giáo dục ban hành vẫn còn những hạn chế nhất định:

Nguồn sáng sử dụng thường là bóng đèn sợi đốt 12V - 21 W; nguồn sáng này

phát ra ánh sáng trắng, hiệu suất phát sáng thấp. Với nguồn sáng như vậy:

- Khó tạo ra chùm sáng song song vì kích thước sợi đốt đáng kể

- Khi tạo ra tia sáng nhờ các khe chắn sáng hẹp thì cường độ các tia sáng yếu

- Trong các thí nghiệm quang hình học thường nghiên cứu ánh sáng đơn sắc,

nhưng nếu dùng kính lọc sắc sẽ làm cường độ sáng yếu và đồng thời độ đơn sắc thấp

- Linh kiện tỏa nhiệt cao nên nhanh hỏng mặc dù giá thành rất rẻ và dễ thay thế.

3

Vì vậy việc sử dụng nó khi dạy học phần "Quang hình học" (Vật lí 11) chưa

thuận lợi:

- Chất lượng thí nghiệm còn hạn chế:

+ Trong điều kiện lớp học rất khó quan sát được đường đi của tia sáng

+ Sự tạo ảnh rõ nét là khó

- Chưa tiến hành hết được các thí nghiệm cần tiến hành để phát huy tính tích cực

và phát triển NLST của HS. Ví dụ như thí nghiệm về phương của tia khúc xạ nằm

trong mặt phẳng tới...

Chính vì vậy, tôi sẽ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, hoàn thiện TBTN "Quang

hình học" nhằm đáp ứng yêu cầu về khoa học kĩ thuật và khoa học sư phạm; sử

dụng TBTN đã chế tạo để tổ chức hoạt động dạy học các kiến thức về "Quang

hình học" cho HS.

Đó chính là lí do tôi chọn đề tài: "Thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị thí

nghiệm trong dạy học phần "Quang hình học" (Vật lí 11)".

2. Mục đích nghiên cứu

Thiết kế, chế tạo TBTN "Quang hình học" (Vật lí 11) đáp ứng yêu cầu về khoa

học kĩ thuật, khoa học sư phạm và sử dụng chúng trong việc tổ chức hoạt động dạy

học phần "Quang hình học" (Vật lí 11) theo tiến trình dạy học GQVĐ nhằm phát huy

tính tích cực và phát triển NLST của HS.

3. Giả thuyết khoa học

Nếu thiết kế, chế tạo TBTN "Quang hình học", đáp ứng được các yêu cầu về

khoa học kĩ thuật và khoa học sư phạm đối với các TBTN và sử dụng chúng trong

tiến trình dạy học GQVĐ phần "Quang hình học" (Vật lí 11) thì có thể phát huy được

tính tích cực và phát triển được NLST của HS.

4. Khách thể và đối tượng nghiên cứu

- Khách thể: Quá trình dạy học vật lí ở trường THPT, HS lớp 11.

- Đối tượng: Hoạt động dạy của GV; hoạt động học của HS; các TBTN về

"Quang hình học" trong dạy học và các kiến thức về "Quang hình học" (Vật lí 11).