Đang tải... (xem toàn văn)
MỤC LỤC1. Mục đích nghiên cứu của đề tài83. Đối tượng nghiên cứu của đề tài84. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài85. Phương pháp nghiên cứu của đề tài96. Đóng góp của đề tài97. Cấu trúc của khóa luận9PHẦN NỘI DUNG10CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG101.1. DẠY HỌC VẬT LÍ THEO HƯỚNG TÍCH CỰC HÓA HOẠT ĐỘNG NHẬN THỨC CỦA HỌC SINH101.1.1. Hoạt động nhận thức vật lí101.1.2. Tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh111.1.3. Dạy học vật lí theo hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức121.2. SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ NHẰM TÍCH CỰC HÓA HOẠT ĐỘNG NHẬN THỨC CỦA HỌC SINH161.2.1. Vai trò của thí nghiệm trong dạy học vật lí161.2.2. Hệ thống thí nghiệm vật lí ở trường phổ thông211.2.3. Các biện pháp sử dụng thí nghiệm nhằm tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh23KẾT LUẬN CHƯƠNG I26CHƯƠNG II: XÂY DỰNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VỀ SÓNG ÂM ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 12 THPT CHUYÊN262.1. NỘI DUNG KIẾN THỨC, KĨ NĂNG VÀ CÁC THÍ NGHIỆM VỀ SÓNG ÂM262.1.1. Nội dung kiến thức, kĩ năng về sóng âm262.1.2. Các thí nghiệm cần tiến hành khi dạy học nội dung này282.2. XÂY DỰNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC VỀ SÓNG ÂM292.2.1. Sự cần thiết phải xây dựng thiết bị thí nghiệm về sóng âm292.2.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị thí nghiệm302.2.3. Các thí nghiệm có thể tiến hành với thiết bị thí nghiệm32KẾT LUẬN CHƯƠNG II47KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ48TÀI LIỆU THAM KHẢO49
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI BỘ MÔN PPDH - KHOA VẬT LÍ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: XÂY DỰNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM SÓNG ÂM ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ LỚP 12 THPT CHUYÊN Chuyên ngành : Lí luận và phương pháp dạy học bộ môn Vật lí Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Anh Thuấn Sinh viên thực hiện : Nguyễn Mạnh Hải Hà Nội - 23/04/2014 1 LỜI CÁM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Anh Thuấn, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành khóa luận này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và cán bộ tổ phương pháp giảng dạy, khoa Vật Lí, trường đại học sư phạm Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện khóa luận. Hà Nội, tháng 4 năm 2014 Sinh viên Nguyễn Mạnh Hải 2 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT STT Tên viết tắt Nội dung 1 ĐHSP Đại học sư phạm 2 GV Giáo viên 3 HS Học sinh 4 NXB Nhà xuất bản 5 PGS. TS Phó giáo sư, tiến sĩ 6 TBTN Thiết bị thí nghiệm 7 TN Thí nghiệm 8 TS Tiến sỉ 9 THPT Trung học phổ thông 3 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Thiết bị thí nghiệm về sóng âm Hình 2. Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của TBTN Hình 3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm kháo sát dao động âm với các nguồn âm khác nhau Hình 4. Dạng đồ thị đường biểu diễn dao động âm ứng với các nguồn âm khác nhau Hình 5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát dải tần nghe được của tai người Hình 6. Đồ thị dao động âm ứng với âm có tần số khác nhau Hình 7. Đồ thị dao động âm ứng với các trường hợp nguồn âm phát ra sóng âm có dạng khác nhau. Hình 8. Mô hình bố trí thí nghiệm khảo sát hiện tượng giao thoa sóng âm Hình 9. Sơ đồ thí nghiệm khảo sát hiện tượng giao thoa sóng âm Hình 10. Đồ thị dao động âm ứng với vị trí mà tại đó dao động tổng hợp âm đạt biên độ cực đại Hình 11. Đồ thị dao động âm ứng với vị trí mà tại đó dao động tổng hợp âm đạt biên độ cực tiểu Hình 12. Đồ thị dao động của hai sóng cùng pha trên dao động kí Hình 13. Mô hình bố trí thí nghiệm kháo sát tính tuần hoàn về pha của quá trình truyền sóng âm Hình 14. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát tính tuần hoàn pha của quá trình truyền sóng âm Hình 15. Đồ thị biểu diễn dao động âm ứng với vị trí của micro mà dao động tại đó đồng pha với nguồn. Hình 16. Mô hình bố trí thí nghiệm kháo sát hiện tượng sóng dừng trong ống không khí Hình 17. Sơ đồ minh họa các nút và bụng sóng khi xảy ra hiện tượng sóng dừng trong ống không khí Hình 18. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát hiện tượng sóng dừng trong ống không khí Hình 19. Đồ thị biểu diễn dao động âm ứng với vị bụng và nút sóng khi xảy ra hiện tượng sóng dừng trong ống không khí 4 MỤC LỤC 1. Mục đích nghiên cứu của đề tài............................................................................. 8 3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài............................................................................ 8 4. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài ............................................................................ 8 5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài ...................................................................... 9 6. Đóng góp của đề tài................................................................................................ 9 7. Cấu trúc của khóa luận ......................................................................................... 9 PHẦN NỘI DUNG................................................................................................... 10 CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG ..... 10 1.1. DẠY HỌC VẬT LÍ THEO HƯỚNG TÍCH CỰC HÓA HOẠT ĐỘNG NHẬN THỨC CỦA HỌC SINH ......................................................................................... 10 1.1.1. Hoạt động nhận thức vật lí...................................................................... 10 1.1.2. Tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh .................................... 11 1.1.3. Dạy học vật lí theo hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức ............... 12 1.2. SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ NHẰM TÍCH CỰC HÓA HOẠT ĐỘNG NHẬN THỨC CỦA HỌC SINH .......................................... 16 1.2.1. Vai trò của thí nghiệm trong dạy học vật lí ............................................ 16 1.2.2. Hệ thống thí nghiệm vật lí ở trường phổ thông...................................... 21 1.2.3. Các biện pháp sử dụng thí nghiệm nhằm tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh ............................................................................................... 23 KẾT LUẬN CHƯƠNG I ......................................................................................... 26 CHƯƠNG II: XÂY DỰNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VỀ SÓNG ÂM ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 12 THPT CHUYÊN .................................... 26 2.1. NỘI DUNG KIẾN THỨC, KĨ NĂNG VÀ CÁC THÍ NGHIỆM VỀ SÓNG ÂM ............................................................................................................................ 26 2.1.1. Nội dung kiến thức, kĩ năng về sóng âm ................................................. 26 2.1.2. Các thí nghiệm cần tiến hành khi dạy học nội dung này ....................... 28 2.2. XÂY DỰNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC VỀ SÓNG ÂM ......................................................................................................... 29 2.2.1. Sự cần thiết phải xây dựng thiết bị thí nghiệm về sóng âm ................... 29 2.2.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị thí nghiệm ...................... 30 2.2.3. Các thí nghiệm có thể tiến hành với thiết bị thí nghiệm ........................ 32 5 KẾT LUẬN CHƯƠNG II ....................................................................................... 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 49 6 MỞ ĐẦU Nước ta đang bước vào giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa với mục tiêu đến năm 2020 Việt Nam sẽ cơ bản trở thành một nước công nghiệp. Nhân tố quyết định thắng lợi của công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập quốc tế là con người, việc này cần được bắt đầu từ giáo dục phổ thông mà trước hết đó là một hệ thống phẩm chất và năng lực được hình thành trên một nền tảng kiến thức kĩ năng đầy đủ và vững chắc. Trong nên giáo dục đó, quá trình dạy học phải phát huy được tính tích cực, chủ động của người học để đào tạo ra những người lao động có khả năng sáng tạo, thích ứng nhanh với những yêu cầu, những đòi hỏi của thời kỳ mới. Do vậy, đổi mới nội dung và phương pháp dạy học là vấn đề mang tính thời sự. Từ nghị quyết Trung ương 4 khóa VII (tháng 1 năm 1993), nghị quyết Trung ương 2 khóa VIII (tháng 12 năm 1996) đến Nghị quyết Hội nghị lần thứ II Ban chấp hành Trung ương Đảng Cộng Sản Việt Nam khóa VIII năm 1997 đều khẳng định: “Phải đổi mới phương pháp đào tạo, khắc phục lối truyền thụ một chiều, rèn luyện thành nếp tư duy sáng tạo của người học. Từng bước áp dụng các phương pháp tiên tiến và phương tiện hiện đại vào quá trình dạy học, đảm bảo điều kiện và thời gian tự học, tự nghiên cứu cho học sinh” . Điều đó đã được thể chế hóa trong điều 28 Luật Giáo Dục năm 2005 và được cụ thể hóa trong các chỉ thị của Bộ Giáo Dục và Đào Tạo, đặc biệt là chỉ thị số 14 (tháng 4 năm 1999). Có thể nói cốt lõi của đổi mới dạy và học là hướng tới hoạt động học tập chủ động, phát huy tính tích cực của học sinh. Vì vậy, hiện nay toàn ngành giáo dục đã và đang từng bước đổi mới mạnh mẽ về nội dung và phương pháp dạy học như thiết kế lại chương trình và nội dung sách giáo khoa, đổi mới phương pháp dạy học, tăng cường thiết bị và phương tiện dạy học….Bộ môn Vật lí cũng không nằm ngoài những bước đổi mới đó. Vật lí là môn khoa học thực nghiệm, con đường tìm ra kiến thức vật lí cũng có những điểm khác biệt so với những môn học khác. Muốn quá trình dạy học vật lí diễn ra vừa khoa học, vừa phát huy tính tích cực, tự chủ, sáng tạo của học sinh thì bài học không thể thiếu các bài thí nghiệm thực hành. Tuy nhiên thực tiễn giảng dạy trong nhà trường phổ thông hiện nay cho thấy, các thí nghiệm được cung cấp không đủ về cả chủng loại và số lượng, chất lượng thiết bị không cao, việc sử dụng thiết bị thí nghiệm trong các bài giảng còn hạn chế do nhiều nguyên nhân trong đó có một nguyên nhân là giới hạn về mặt nghiên cứu của thí nghiệm….Điều này dẫn tới những khó khăn nhất định cho giáo viên và học sinh trong quá trình dạy và học, làm giảm tính hấp dẫn của bộ môn Vật Lí đối với học sinh, không phát huy được tính tích cực, tự lực và sáng tạo của học sinh. 7 Như vậy, lí luận và thực tiễn đã chỉ ra rằng các thí nghiệm thực hành vật lí đóng vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình giảng dạy. Trong chương trình vật lí phổ thông, kiến thức liên quan đến sóng âm là một phần kiến thức cơ bản của cơ học. Tuy nhiên khi dạy học các kiến thức về âm ở trường phổ thông thì lại gặp rất nhiều khó khăn vì sóng âm là hiện tượng không thể trực tiếp quan sát bằng mắt thường và chưa có TBTN để có thể tiến hành đầy đủ các thí nghiệm vật lí cần thiết khi dạy học học các kiến thức này. Hiện tại ở trường phổ thông chỉ có duy nhất một bộ thíết bị thí nghiệm xác định vận tốc truyền âm trong không khí nhờ hiện tượng sóng dừng song độ chính xác của kết quả thu được còn chưa cao, đồng thời chưa có thiết bị thí nghiệm nào nghiên cứu các tính chất các của sóng âm, cũng như mối liên hệ giữa các đặc trưng sinh lí (độ cao, độ to, âm sắc) với các đặc trưng vật lí của âm (tần số, mức cường độ âm, dạng đồ thị dao động âm). Để giải quyết những khó khăn trên, được sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Anh Thuấn, tôi đã thực hiện đề tài “Xây dựng thiết bị thí nghiệm sóng âm để sử dụng trong dạy học vật lí lớp 12 THPT chuyên” 1. Mục đích nghiên cứu của đề tài Thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm sóng âm để sử dụng trong dạy học các kiến thức liên quan đến sóng âm. 2. Giả thuyết khoa học của đề tài Nếu xây dựng được bộ thiết bị thí nghiệm sóng âm và sử dụng bộ thí nghiệm này trên quan điểm lý luận dạy học hiện đại thì sẽ phát huy được tính tích cực, chủ động của học sinh trong học tập. 3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài - Quá trình dạy và học các kiến thức về sóng âm trong chương trình Vật Lí 12 trung học phổ thông. - Các thiết bị thí nghiệm được sử dụng trong quá trình dạy và học các kiến thức về sóng âm. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài Để đạt được mục tiêu đề ra, nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm: - Nghiên cứu lí luận dạy học hiện đại về việc tổ chức hoạt động nhận thức tích cực của học sinh trong dạy học vật lí, nhất là lí luận về dạy học giải quyết vấn đề và qui trình xây dựng, sử dụng các thiết bị thí nghiệm trong quá trình dạy học các kiến thức vật lí theo quan điểm lí luận dạy học hiện đại. - Xác định nội dung kiến thức, kĩ năng mà học sinh cần nắm vững khi học các kiến thức về sóng âm. Từ đó, xác định những thí nghiệm cần tiến hành trong dạy học các kiến thức này. 8 - Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh bộ thiết bị thí nghiệm để sử dụng trong dạy học các kiến thức về sóng âm, đáp ứng các yêu cầu về mặt khoa học – kĩ thuật và về mặt sư phạm đối với thiết bị thí nghiệm. 5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài - Phương pháp nghiên cứu lý luận dạy học: Nghiên cứu các tài liệu về lí luận dạy học hiện đại, chương trình, sách giáo khoa và sách giáo viên và các tài liệu chuyên khảo về sóng âm, các tài liệu về thiết bị thí nghiệm có thể sử dụng được trong dạy học các kiến thức về sóng âm ở lớp 12 THPT chuyên. - Phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về việc thiết kế, chế tạo và hoàn thiện bộ thí nghiệm về sóng âm. - Phương pháp thống kê toán học được sử dụng trong quá trình xử lí các số liệu thực nghiệm. 6. Đóng góp của đề tài Xây dựng được bộ thí nghiệm để sử dụng trong dạy học các kiến thức về sóng âm ở trường trung học phổ thông chuyên 7. Cấu trúc của khóa luận Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị và tài liệu tham khảo, khóa luận có nội dung gồm hai chương: - Chương I: Cơ sở lí luận của việc xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học vật lí ở trường phổ thông. - Chương II: Xây dựng thiết bị thí nghiệm về sóng âm để sử dụng trong dạy học vật lí lớp 12 THPT chuyên. 9 PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG 1.1. DẠY HỌC VẬT LÍ THEO HƯỚNG TÍCH CỰC HÓA HOẠT ĐỘNG NHẬN THỨC CỦA HỌC SINH Hoạt động là một khái niệm triết học, đó là một trong những phạm trù quan trọng của tâm lý học, hoạt động được xem như là sự đáp ứng của chủ thể trước tác động của những tác động bên ngoài. Tích cực là một nét của tính cách, được thể hiện qua hành động, thái độ hăng hái của chủ thể, khi thực hiện công việc một cách khoa học, nhằm đạt được mục đích cuối cùng và qua đó, bản thân chủ thể có một bước chuyển mình. Tích cực hoá hoạt động học tập là sự phát triển ở mức độ cao hơn trong tư duy, đòi hỏi một quá trình hoạt động "bên trong" hết sức căng thẳng với một nghị lực cao của bản thân, nhằm đạt được mục đích là giải quyết vấn đề cụ thể nêu ra. Tính tích cực trong hoạt động nhận thức của học sinh thể hiện ở những hoạt động trí tuệ là tập trung suy nghĩ để trả lời câu hỏi nêu ra, kiên trì tìm cho được lời giải hay của một bài toán khó cũng như hoạt động chân tay là say sưa lắp ráp tiến hành thí nghiệm. Trong học tập hai hình thức biểu hiện này thường đi kèm nhau tuy có lúc biểu hiện riêng lẻ. Đối với bộ môn vật lý, việc tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh gắn liền với việc đổi mới phương pháp dạy học theo hướng kết hợp các phương pháp dạy học theo hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức; khai thác thí nghiệm trong dạy học vật lý theo hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh và đổi mới việc kiểm tra, đánh giá kết quả học tập của học sinh trong dạy học hiện nay. 1.1.1. Hoạt động nhận thức vật lí 1.1.1.1. Hoạt động nhận thức vật lí Vật lý học là bộ môn khoa học nghiên cứu về cấu trúc, tính chất và các hình thức biến đổi cơ bản nhất của vật chất. Quá trình nhận thức vật lý khá phức tạp, cùng một lúc phải vận dụng nhiều phương pháp của riêng bộ môn vật lý cũng như phương pháp của các khoa học khác. Muốn hoạt động nhận thức vật lý có kết quả trước hết phải quan tâm đến việc hình thành kỹ năng, kỹ xảo thực hiện các thao tác trên. Bên cạnh đó phải có phương pháp suy luận, có khả năng tư duy trừu tượng, tư duy logic, tư duy sáng tạo. 1.1.1.2. Những hành động chính của hoạt động nhận thức vật lí Hoạt động nhận thức thức vật lý là khá phức tạp. Tuy nhiên có thể kể đến các hành động chính của hoạt động nhận thức vật lý sau: - Quan sát hiện tượng tự nhiên, nhận biết đặc tính bên ngoài của sự vật, hiện tượng. 10 - Tác động vào tự nhiên, làm bộc lộ những mối quan hệ, những thuộc tính của sự - Xác định mối quan hệ hàm số giữa các đại lượng. - vật, hiện tượng. Xác định mối quan hệ nhân quả giữa các hiện tượng. Xây dựng những giả thiết hay mô hình để lý giải nguyên nhân của hiện tượng quan sát được. Từ giả thiết, mô hình suy ra những hệ quả. Xây dựng các phương án thí nghiệm để kiểm tra các hệ quả. Đánh giá kết quả thu được từ thí nghiệm. Khái quát hóa kết quả, rút ra tính chất, quy luật hình thành các khái niệm, định luật và thuyết vật lý. Vận dụng kiến thức khái quát vào thực tiễn. 1.1.2. Tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh 1.1.2.1. Tính tích cực trong hoạt động nhận thức của học sinh Tính tích cực trong hoạt động nhận thức của học sinh là một hiện tượng sư phạm biểu hiện ở sự cố gắng hết sức cao về nhiều mặt trong hoạt động nhận thức của trẻ nói chung. Tính tích cực hoạt động học tập là sự phát triển ở mức độ cao hơn trong tư duy, đòi hỏi một quá trình hoạt động "bên trong" hết sức căng thẳng với một nghị lực cao của bản thân, nhằm đạt được mục đích là giải quyết vấn đề cụ thể nêu ra. Tính tích cực trong hoạt động nhận thức của học sinh thể hiện ở những hoạt động trí tuệ là tập trung suy nghĩ để trả lời câu hỏi nêu ra, kiên trì tìm cho được lời giải hay của một bài toán khó cũng như hoạt động chân tay là say sưa lắp ráp tiến hành thí nghiệm. Trong học tập hai hình thức biểu hiện này thường đi kèm nhau tuy có lúc biểu hiện riêng lẻ. Các dấu hiệu về tính tích cực trong hoạt động nhận thức của học sinh thường được biểu hiện: - Học sinh khao khát tự nguyện tham gia trả lời các câu hỏi của giáo viên, bổ sung các câu trả lời của bạn và thích được phát biểu ý kiến của mình trước vấn đề nêu ra. Học sinh hay thắc mắc và đòi hỏi giải thích cặn kẽ những vấn đề các em chưa rõ. Học sinh chủ động vận dụng linh hoạt những kiến thức, kỹ năng đã có để nhận thức các vấn đề mới. Học sinh mong muốn được đóng góp với thầy, với bạn những thông tin mới nhận từ các nguồn kiến thức khác nhau có thể vượt ra ngoài phạm vi bài học, môn học. Tính tích cực trong hoạt động nhận thức của học sinh phổ thông có thể phân biệt theo 3 cấp độ sau: 11 - Sao chép, bắt chước: Kinh nghiệm hoạt động bản thân học sinh được tích luỹ dần thông qua việc tích cực bắt chước hoạt động của giáo viên và bạn bè. Trong hoạt động bắt chước cũng có sự gắng sức của thần kinh và cơ bắp. Tìm tòi, thực hiện: Học sinh tìm cách độc lập suy nghĩ để giải quyết các bài tập nêu ra, mò mẫm những cách giải khác nhau và từ đó tìm ra lời giải hợp lý nhất cho vấn đề nêu ra. Sáng tạo: Học sinh nghĩ ra cách giải mới, độc đáo, hoặc cấu tạo những bài tập mới cũng như cố gắng tự lắp đặt những thí nghiệm để chứng minh cho bài học. Lẽ đương nhiên là mức độ sáng tạo của học sinh có hạn nhưng đó là mầm móng để phát triển tính sáng tạo về sau. 1.1.2.2. Những đặc trưng của tích cực hoá hoạt động nhận thức Tích cực hóa hoạt động nhận thức trong học tập của học sinh thực chất là tập hợp các hoạt động nhằm chuyển biến vị trí từ học bị động sang chủ động, tự bản thân đi tìm kiếm tri thức để nâng cao hiệu quả học tập. Đặc trưng cơ bản của tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh trong quá trình học tập là sự linh hoạt của học sinh dưới sự định hướng, đạo diễn của người tự từ bỏ vai trò chủ thể (giáo viên) với mục đích cuối cùng là học sinh tự mình khám phá ra kiến thức cùng với cách tìm ra kiến thức. Trong quá trình dạy học, để phát huy tính tích cực trong hoạt động nhận thức của học sinh thì quá trình dạy học đó phải diễn biến sao cho: - Học sinh được đặt ở vị trí chủ thể, tự giác, tích cực, sáng tạo trong hoạt động - Giáo viên tự từ bỏ vị trí của chủ thể nhưng lại là người đạo diễn, định hướng - nhận thức của bản thân. trong hoạt động dạy học. Quá trình dạy học phải dựa trên sự nghiên cứu những quan niệm, kiến thức sẵn có của người học, khai thác những thuận lợi đồng thời nghiên cứu kỹ những chướng ngại có khả năng xuất hiện trong quá trình dạy học. Mục đích dạy học không chỉ dừng lại ở việc cung cấp tri thức, kỹ năng, kỹ xảo mà còn phải dạy cho học sinh cách học, cách tự học, tự hoạt động nhận thức nhằm đáp ứng các nhu cầu của bản thân và xã hội. 1.1.3. Dạy học vật lí theo hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức 1.1.3.1. Quan niệm về phương pháp dạy học theo hướng tích cực Khi nói tới phương pháp tích cực, thực tế là nói tới một nhóm các phương pháp dạy học theo hướng phát huy tính tích cực của học sinh. Cơ sở của phương pháp luận là lý luận, trong quá trình dạy học cần kích thích sự hứng thú trong học tập cho học sinh, cần phát huy tính tích cực, tính tự lực sáng tạo 12 trong học tập của học sinh. Để làm điều đó đòi hỏi người thầy giáo phải lựa chọn, tìm tòi những phương pháp dạy học phù hợp với nội dung bài học, đặc điểm của đối tượng, điều kiện vật chất, và đây là một hoạt động sáng tạo của người thầy trong hoạt động dạy. Phương pháp dạy học theo hướng tích cực cần thể hiện được sự phản ánh quá trình hoạt động nhận thức của học sinh nhằm đạt được mục đích đã đề ra trong đó giáo viên tổ chức cho học sinh hoạt động theo hướng tích cực, giúp học sinh tự giác tiếp nhận kiến thức, kỹ năng, kỹ xảo nhằm đạt được mục đích đề ra với kết quả cao. 1.1.3.2. Những đặc trưng của phương pháp dạy học theo hướng tích cực Phương pháp dạy học theo hướng tích cực có những điểm mạnh riêng của nó mà các phương pháp khác không thể có được đó là học sinh lĩnh hội kiến thức bằng chính sự hoạt động tích cực và cao độ của bản thân, tự họ chủ động sáng tạo nên các vấn đề, các tình huống để nghiên cứu... Phương pháp dạy học theo hướng tích cực thể hiện bởi các đặc trưng cơ bản sau: a. Dạy học hướng vào học sinh Dạy học hướng vào học sinh là lối dạy học do người học chủ động điều khiển, cá nhân của người học vừa là mục đích vừa là chủ thể của quá trình học tập để cho tiềm năng của mỗi cá nhân được phát triển đầy đủ. Phương pháp dạy học tích cực đề cao vai trò chủ thể của người học, xem học sinh vừa là chủ thể, vừa là đối tượng của quá trình dạy học. Dĩ nhiên việc đề cao vai trò của chủ thể tích cực chủ động của người học không phủ nhận vai trò chủ đạo của người dạy. b. Dạy học bằng tổ chức các hoạt động cho học sinh Theo lý thuyết hoạt động được Vưgôtxki khởi xướng và A.N.Lêônchip phát triển: bằng hoạt động và thông qua hoạt động, mỗi người tự sinh thành ra mình, tạo dựng và phát triển ý thức cũng như nhân cách cho bản thân. Vận dụng vào dạy học, việc học tập của học sinh có bản chất hoạt động: Bằng hoạt động và thông qua hoạt động của bản thân mà chiếm lĩnh kiến thức, hình thành và phát triển năng lực trí tuệ cũng như quan điểm đạo đức, thái độ. Kết quả của việc học tập phụ thuộc chủ yếu vào hoạt động học của học sinh. Nhiệm vụ chính của giáo viên là tổ chức, hướng dẫn hoạt động học của học sinh để thông qua hoạt động đó mà học sinh lĩnh hội được nền văn hoá xã hội, tạo ra sự phát triển những phẩm chất, tâm lý và hình thành nhân cách cho chính bản thân. Muốn tổ chức, hướng dẫn tốt hoạt động học tập vật lý của học sinh mà thực chất là hoạt động nhận thức vật lý, người giáo viên cần nắm vững quy luật chung nhất của quá trình nhận thức khoa học, lôgic hình thành các kiến thức vật lý, những hành động thường gặp trong quá trình nhận thức vật lý, những phương pháp nhận thức vật lý phổ biến để 13 hoạch định những hành động, thao tác cần thiết của học sinh trong quá trình chiếm lĩnh một kiến thức hay một kỹ năng xác định và cuối cùng là nắm được những biện pháp để động viên khuyến khích học sinh tích cực, tự lực thực hiện các hành động đó, đánh giá kết quả hành động. c. Dạy học chú trọng đến việc rèn luyện phương pháp tự học, tư nghiên cứu Muốn phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo của người học thì cần xem việc rèn luyện phương pháp học tập cho học sinh không chỉ là một phương tiện nâng cao hiệu quả dạy học mà phải xem đó là một mục tiêu dạy học. Trong một xã hội hiện đại đang biến đổi nhanh với sự bùng nổ thông tin, khoa học và công nghệ phát triển như vũ bão thì việc dạy học không thể hạn chế ở chức năng dạy kiến thức mà phải chuyển mạnh sang dạy cả phương pháp học. d. Dạy học chú trọng đến việc trau dồi kiến thức và bồi dưỡng kĩ năng, kĩ xảo Quá trình dạy học theo hướng tích cực hoá hoạt động nhận thức, học sinh phải tự nỗ lực, tích cực cao trong hoạt động nhận thức của bản thân. Tính tích cực thể hiện ở nhiều mức độ và dưới nhiều góc độ khác nhau. Tuy nhiên, việc bồi dưỡng kỹ năng, kỹ xảo thể hiện rõ trong việc tích cực hoá hoạt động nhận thức, kỹ năng bao gồm các kỹ năng thu nhập và xử lý thông tin như: quan sát, thực nghiệm, lấy số liệu, tra cứu, lập bảng biểu, vẽ đồ thị, rút ra kết luận, xây dựng các dự đoán, các giả thuyết khoa học... Các kỹ năng này sẽ được trau dồi thông qua hoạt động tích cực của bản thân trong quá trình lĩnh hội kiến thức. Cũng thông qua hoạt động này ta đã rèn luyện cho học sinh tác phong làm việc khoa học, thể hiện tính kiên nhẫn, tỉ mỉ, chính xác, trung thực và có kế hoạch cụ thể trong học tập cũng như trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học theo hướng tích cực hoá. 1.1.3.3. Các biện pháp sư phạm nhằm tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh trong dạy học vật lí Để tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh, ngoài việc tạo ra không khí học tập tốt, về mặt phương pháp dạy học, cần thực hiện tốt các vấn đề sau: a. Trong quá trình dạy học cần phối hợp tốt các phương pháp dạy học theo hướng tích cực hoá hoạt động nhận thức Trong thực tiễn, có nhiều phương pháp dạy học khác nhau như phương pháp dạy học, phương pháp trực quan, phương pháp thí nghiệm biểu diễn... Trong quá trình dạy học để cần kích thích được sự hứng thú trong học tập của học sinh, phát huy tính tích cực, tính tự lực sáng tạo trong học tập của học sinh, đòi hỏi người giáo viên phải lựa chọn, tìm tòi những phương pháp dạy học phù hợp với nội dung bài học, đặc điểm của đối tượng, điều kiện vật chất, và đây là một hoạt động sáng tạo của giáo viên trong hoạt động dạy. 14 Các phương pháp dạy học mà giáo viên đã lựa chọn phối hợp cùng với những biện pháp thích hợp trong từng bài học là điều quan trọng trong việc duy trì hứng thú, tích cực thường xuyên của học sinh trong giờ học. Như vậy, sự lựa chọn và phối hợp các phương pháp dạy học trong từng bài, từng chương là vấn đề quan trọng cần xem xét đến những đặc trưng cơ bản của từng phương pháp dạy học để phát huy vai trò tích cực của học sinh. Bên cạnh đó cần quan tâm đến kiến thức, kỹ năng, kỹ xảo và năng lực tư duy về vấn đề cần nghiên cứu, thái độ của học sinh đối với bộ môn mà học sinh tham gia nghiên cứu. b. Khai thác thí nghiệm vật lí trong dạy học theo hướng tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh Vật lý học là môn khoa học thực nghiệm, vì vậy, sử dụng rộng rãi các thí nghiệm vật lý ở nhà trường trung học phổ thông hiện nay là một trong những biện pháp quan trọng nhằm nâng cao chất lượng dạy học, góp phần tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh. Mặc khác, sự cần thiết của thí nghiệm vật lý trong các nhà trường còn được quy định bởi tính chất của quá trình nhận thức của học sinh dưới sự hướng dẫn của giáo viên vì thí nghiệm vật lý có tác dụng tạo ra trực quan sinh động trước mắt học sinh. Thí nghiệm vật lý có tác dụng rất to lớn trong việc phát triển năng lực và nhận thức khoa học cho học sinh, đồng thời giúp cho họ quen dần với phương pháp nghiên cứu khoa học.Vì qua đó, học sinh sẽ học được cách quan sát các hiện tượng, cách đo đạt các thí nghiệm nhằm rèn luyện tính cẩn thận, kiên trì trong nghiên cứu khoa học. Đây là điều rất cần cho việc giáo dục kỹ thuật tổng hợp, chuẩn bị cho học sinh tham quan thực tế. Do được tận mắt quan sát sự vận động của các hiện tượng, tự tay tiến hành lắp ráp, đo đạt các thí nghiệm nên các em đã quen dần với các dụng cụ trong đời sống. Trong dạy học cũng như trong nghiên cứu khoa học, thí nghiệm vật lý có tác dụng rất lớn trong việc tích cực hoá hoạt động nhận thức. Thí nghiệm vật lý, với tính chất là một phương pháp dạy học vật lý, thí nghiệm vật lý được thực hiện ở trường phổ thông bằng những biện pháp khác nhau. Giáo viên trình bày thí nghiệm nhằm đề xuất vấn đề nghiên cứu để vào bài mới, khảo sát hay minh hoạ một định luật, một quy tắc vật lý nào đó. Học sinh tự tay làm các thí nghiệm để tìm hiểu hiện tượng, dụng cụ thiết bị, đào sâu, ôn tập, củng cố kiến thức đã học. c. Từng bước đổi mới phương thức kiểm tra, đánh giá kết quả học tập của học sinh cũng là môt biện pháp đẩy mạnh việc tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh Có nhiều cách để tiến hành kiểm tra, đánh giá nhưng phải làm sao để kết quả học tập của học sinh thể hiện rõ tính toàn diện, thống nhất, hệ thống và khoa học. Kiểm tra, 15 đánh giá có một ý nghĩa xã hội to lớn, nó gắn với nghề nghiệp, lương tâm, ý chí, tình cảm, tư cách đạo đức và uy tín của người giáo viên. Việc kiểm tra đánh giá ở các trường phổ thông hiện nay chưa có môt tiêu chuẩn thống nhất để đánh giá chất lượng tri thức của từng môn học một cách khoa học. Quá trình đánh giá còn đơn giản, phương pháp và hình thức đánh giá còn tùy tiện và toàn bộ việc đánh giá của giáo viên chỉ quy về điểm số. Cùng với những nỗ lực đổi mới phương pháp dạy học, xu hướng sử dụng phiếu học tập với các bài tập trắc nghiệm để kiểm tra một số kiến thức trong từng buổi học, kiểm tra một số kĩ năng thực hành như sử dụng các dụng cụ thí nghiệm, kĩ năng làm thí nghiệm, kĩ năng thu thập và xử lí thông tin ... đang là một hướng đi tốt, có tác động không nhỏ đến ý thức học tập của học sinh. Đây cũng có thể coi là một trong những biện pháp thúc đẩy việc tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh trong các giờ học vật lý. 1.2. SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ NHẰM TÍCH CỰC HÓA HOẠT ĐỘNG NHẬN THỨC CỦA HỌC SINH 1.2.1. Vai trò của thí nghiệm trong dạy học vật lí Vật lí là một môn khoa học thực nghiệm, hầu hết các kiến thức vật lí đều được rút ra từ quan sát, thí nghiệm. Ngay cả những qui luật được xây dựng bằng con đường lí thuyết thuần túy cũng chỉ có ý nghĩa là một định luật vật lí thực sự khi được thực nghiệm kiểm chứng. Vì vậy tiến hành thí nghiệm trong nghiên cứu vật lí học là một việc quan trọng không thể thiếu được. Vậy thí nghiệm vật lí được hiểu như thế nào? Thí nghiệm vật lí là sự tác động có chủ đích, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan. Thông qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của sự tác độn, tá có thể thu nhận được tri thức mới. Hoặc định nghĩa thí nghiệm vật lí trên phương diện là một phương tiện dạy học: Thí nghiệm vật lí là tất cả các thiết bị, các phương tiện, các đồ vật, các dụng cụ dựa vào đấy có thể tái tạo được các hiện tượng tự nhiên, chuyển các hiện tượng tự nhiên vào trong lớp học hoặc phòng thí nghiệm nhưng các hiện tượng sẽ nôt bật nhờ sự đơn giản hóa các môi trường tác động phụ và qua đó làm rõ được cá đại lượng đặc trưng của hiện tượng. Vì vậy thí nghiệm trong dạy học vật lí được xem là có vai trò quan trọng, cụ thể thí nghiệm có những vai trò căn bản như sau: 1.2.1.1. Vai trò của thí nghiệm vật lí theo quan điểm của lí luận nhận thức a. Thí nghiệm là phương tiện thu nhận tri thức TN là một phương tiện quan trọng của hoạt động nhận thức của con người, thông qua TN con người đã thu nhận được những tri thức khoa học cần thiết nhằm nâng cao 16 năng lực của bản thân để có thể tác động và cải tạo thực tiễn. Trong dạy học, TN là phương tiện của hoạt động nhận thức của HS, nó giúp người học trong việc tìm kiếm và thu nhận kiến thức khoa học cần thiết. Vai trò của TN trong mỗi giai đoạn của quá trình nhận thức phụ thuộc vào vốn hiểu biết của con người về đối tượng cần nghiên cứu. Trong dạy học vật lí, TN được sử dụng như một công cụ phân tích hiện thực khách quan, từ đó HS thu nhận tri thức về đối tượng, nếu ban đầu HS chưa biết hoặc biết một ít về đối tượng cần nghiên cứu, thì TN được sử dụng để thu nhận những kiến thức đầu tiên về nó, thông qua TN, HS có thể trả lời được các câu hỏi về hiện tượng xảy ra của đối tượng … Chẳng hạn, khi nghiên cứu hiện tượng khúc xạ ánh sáng, thông qua TN, HS không những quan sát được hiện tượng khúc xạ ánh sáng (sự gãy khúc của tia sáng tại mặt phân cách giữa hai môi trường) mà còn thu thập được các số liệu về góc tới và góc khúc xạ tương ứng, tạo cơ sở để rút ra được nội dung định luật khúc xạ ánh sáng. Trong cuộc sống thực tế, các sự vật hiện tượng xung quanh chúng ta vô cùng phức tạp, đa dạng và đan xen vào nhau. Ta không thể nghiên cứu riêng lẻ một hiện tượng mà không có sự ảnh hưởng của các hiện tượng khác tác động lên chúng, nghĩa là không thể tách riêng từng hiện tượng để quan sát, nghiên cứu. Trong tự nhiên cũng thế, các hiện tượng xảy ra chằng chịt và đan xen lẫn nhau, để nghiên cứu các hiện tượng, sự vật riêng biệt, ta chỉ có thể sử dụng TN để nghiên cứu riêng cho trường hợp cụ thể đó, và chỉ có thông qua TN thì sự vật, hiện tượng cần nghiên cứu mới được phơi bày rõ ràng bản chất của nó, và đó cũng là điều mà chúng ta cần quan tâm. Thực tế, trong dạy học nói chung và dạy học vật lí nói riêng, đối với những bài học có liên quan đến những hiện tượng, nếu GV giảng dạy theo lối thông báo TN thì HS sẽ thụ động tiếp nhận kiến thức, nhưng nếu dùng TN thì thông qua TN, HS không những tiếp thu kiến thức một cách một cách tự lực, mà qua đó làm cho HS tích cực, sáng tạo hơn trong hoạt động nhận thức, từ đó họ hăng hái tham gia vào công cuộc khám phá kiến thức mới thông qua TN. Có thể nói rằng, TN là nguồn cung cấp thông tin chính xác về các sự vật, hiện tượng và chỉ có TN thì kiến thức mà HS thu nhận mới đạt chất lượng, hiệu quả và chính việc sử dụng TN trong dạy học vật lí mới đem lại cho HS sự tự tin vào kiến thức được lĩnh hội. nhận b. Thí nghiệm là phương tiện kiểm tra tính đúng đắn của những tri thức đã thu Trong khoa học, phương pháp thực nghiệm được coi là “hòn đá thử vàng” của mọi tri thức chân chính. Bởi vậy, có thể nói TN có chức năng trong việc kiểm tra tính đúng đắn của tri thức đã thu nhận. 17 Trong dạy học vật lí, TN là một trong những phương tiện tốt để kiểm tra kiến thức vật lí đã được khái quát hoá từ lí thuyết. Thực tế cho thấy, từ sự khái quát hoá lí thuyết rồi đưa ra TN để kiểm tra lí thuyết không những làm cho hoạt động nhận thức của HS tích cực hơn mà còn tạo được niềm tin về sự đúng đắn của kiến thức mà HS đã lĩnh hội. Thông thường, suy nghĩ của HS luôn có sự khái quát lí thuyết, tuy nhiên, đó chỉ là sự khái quát hoá, sự tư duy theo lí thuyết suông, mà cần phải được GV kiểm tra bằng TN. Ngoài ra, những kết luận từ sự tư duy trừu tượng của HS cũng cần phải được kiểm tra tính đúng đắn thông qua TN. Trong trường hợp này, rõ ràng TN đã góp phần tích cực vào hoạt động nhận thức của HS, kiểm chứng sự đúng đắn trong suy luận và những kiến thức mà HS thu nhận được. c. Thí nghiệm là phương tiện để vận dụng tri thức vào thực tiễn Trong quá trình vận dụng kiến thức vào thực tiễn, vào việc thiết kế và chế tạo các thiết bị kĩ thuật, người ta gặp phải những khó khăn nhất định do tính khái quát và trừu tượng của các tri thức cần vận dụng, cũng như bởi tính phức tạp của các thiết bị kĩ thuật cần chế tạo. Trong trường hợp đó TN được sử dụng với tư cách là phương tiện thử nghiệm cho việc vận dụng tri thức vào thực tiễn. Chẳng hạn: việc vận dụng kiến thức về lực nâng trong chế tạo máy bay, để có được phương án tối ưu trong việc thiết kế kiểu dáng cánh máy bay người ta đã làm TN với với các mô hình máy bay thu nhỏ. Sau đó dựa vào phương pháp tương tự và lí thuyết đồng dạng để chuyển kết quả thu được qua việc nghiên cứu trên mô hình vào các đối tượng thực tế cần chế tạo. Trong dạy học vật lí, TN không những có vai trò rất lớn trong việc tích cực hóa hoạt động nhận thức của HS, thể hiện ở khía cạnh cung cấp kiến thức, rèn luyện thao tác chân tay, tác động đến giác quan của HS ..., mà TN còn có một vai trò rất lớn khác trong việc giúp HS củng cố và vận dụng kiến thức một cách vững chắc. Các kiến thức vật lí được giảng dạy trên lớp cần phải được khắc sâu trong tiềm thức của HS, theo đó, HS phải thường xuyên củng cố và vận dụng kiến thức đã học vào thực tế cuộc sống, vấn đề này sẽ được thực hiện tốt nếu chúng ta biết vận dụng TN để giải quyết, TN vật lí giúp cho HS có điều kiện vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế cuộc sống, từ đó xoá bỏ dần lối học vẹt, lí thuyết suông đã tồn tại nhiều năm trước đây. d. Thí nghiệm là một bộ phận của các phương pháp nhận thức TN luôn đóng một vai trò rất quan trọng trong các phương pháp nhận thức khoa học, chẳng hạn: - Đối với phương pháp thực nghiệm, TN luôn có mặt ở nhiều khâu khác nhau: làm xuất hiện vấn đề nghiên cứu, kiểm tra tính đúng đắn của các giả thuyết… 18 - Trong phương pháp mô hình, TN giúp ta thu thập các thông tin về đối tượng gốc làm cơ sở cho việc xây dựng mô hình. Ngoài ra, đối với mô hình vật chất điều bắt buộc là người ta phải tiến hành các TN thực sự với nó. Cuối cùng, nhờ những kết quả của các TN được tiến hành trên vật gốc tạo cơ sở để đối chiếu với kết quả thu được từ mô hình, qua đó để có thể kiểm tra tính đúng đắn của mô hình được xây dựng và chỉ ra giới hạn áp dụng của nó 1.2.1.2. Vai trò của thí nghiệm vật lí theo quan điểm của lí luận dạy học Trong dạy học vật lí, TN đóng một vai trò cực kì quan trọng, dưới quan điểm lí luận dạy học vai trò đó được thể hiện những mặt sau: a. Thí nghiệm có thể được sử dụng trong tất cả các giai đoạn khác nhau của tiến trình dạy học TN vật lí có thể được sử dụng trong tất cả các giai đoạn khác nhau của tiến trình dạy học như đề xuất vấn đề nghiên cứu, giải quyết vấn đề (hình thành kiến thức, kĩ năng mới...), củng cố kiến thức và kiểm tra đánh giá kiến thức kĩ năng, kĩ xảo của HS. b. Thí nghiệm góp phần vào việc phát triển toàn diện học sinh Việc sử dụng TN trong dạy học góp phần quan trong vào việc hoàn thiện những phẩm chất và năng lực của HS, đưa đến sự phát triển toàn diện cho người học. Trước hết, TN là phương tiện nhằm góp phần nâng cao chất lượng kiến thức và rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo vật lí cho HS. Nhờ TN HS có thể hiểu sâu hơn bản chất vật lí của các hiện tượng, định luật, quá trình... được nghiên cứu và do đó có khả năng vận dụng kiến thức vào thực tiễn của HS sẽ linh hoạt và hiệu quả hơn. Truyền thụ cho HS những kiến thức phổ thông cơ bản là một trong những nhiệm vụ quan trọng của hoạt động dạy học. Để làm được điều đó, GV cần nhận thức rõ việc xây dựng cho HS một tiềm lực, một bản lĩnh, thể hiện trong cách suy nghĩ, thao tác tư duy và làm việc để họ tiếp cận với các vấn đề của thực tiễn. Thông qua TN, bản thân HS cần phải tư duy cao mới có thể khám phá ra được những điều cần nghiên cứu. Thực tế cho thấy, trong dạy học vật lí, đối với các bài giảng có sử dụng TN, thì HS lĩnh hội kiến thức rộng hơn và nhanh hơn, HS quan sát và đưa ra những dự đoán, những ý tưởng mới, nhờ đó hoạt động nhận thức của HS sẽ được tích cực và tư duy của các em sẽ được phát triển tốt hơn. c. Thí nghiệm là phương tiện góp phần quan trọng vào việc giáo dục kĩ thuật tổng hợp cho học sinh. Thông qua việc tiến hành TN, HS có cơ hội trong việc rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo thực hành, góp phần thiết thực vào việc giáo dục kĩ thuật tổng hợp cho HS. TN còn là điều kiện để HS rèn luyện những phẩm chất của người lao động mới, như: đức tính cẩn 19 thận, kiên trì, trung thực... Xét trên phương diện thao tác kĩ thuật, chúng ta không thể phủ nhận vai trò của TN đối với việc rèn luyện sự khéo léo tay chân của HS. Hoạt động dạy học không chỉ dừng lại ở chỗ truyền thụ cho HS những kiến thức phổ thông cơ bản đơn thuần mà điều không kém phần quan trọng ở đây là làm thế nào phải tạo điều kiện cho HS tiếp cận với hoạt động thực tiễn bằng những thao tác của chính bản thân họ. Trong dạy học vật lí, đối với những bài giảng có TN thì GV cần phải biết hướng HS vào việc cho họ tự tiến hành TN, có như vậy kiến thức các em thu nhận được sẽ vững vàng hơn, rèn luyện được cho các em sự khéo léo chân tay, khả năng quan sát tinh tế, tỉ mỉ hơn và chính xác hơn. Có như thế, khả năng hoạt động thực tiễn của HS sẽ được nâng cao. d. Thí nghiệm là phương tiện kích thích hứng thú học tập của học sinh TN là phương tiện gây hứng thú, là yếu tố kích thích tính tò mò, ham hiểu biết của HS học tập, nhờ đó làm cho các em tích cực và sáng tạo hơn trong quá trình nhận thức. Chính nhờ TN và thông qua TN mà ở đó HS tự tay tiến hành các TN, các em sẽ thực hiện các thao tác TN một cách thuần thục, khơi dậy ở các em sự say sưa, tò mò để khám phá ra những điều mới, những điều bí ẩn từ TN và cao hơn là hình thành nên những ý tưởng cho những TN mới. Đó cũng chính là những tác động cơ bản, giúp cho quá trình hoạt động nhận thức của HS được tích cực hơn. Thông qua TN, nhờ vào sự tập trung chú ý, quan sát sự vật, hiện tượng có thể tạo cho HS sự ham thích tìm hiểu những đặc tính, quy luật diễn biến của hiện tượng đang quan sát. Khi giác quan của HS bị tác động mạnh, HS phải tư duy cao độ từ sự quan sát TN, chú ý kĩ TN để có những kết luận, những nhận xét phù hợp. e. Thí nghiệm là phương tiện tổ chức các hình thức hoạt động của học sinh TN là phương tiện tổ chức các hình thức làm việc độc lập hoặc tập thể qua đó góp phần bồi dưỡng các phẩm chất đạo đức của HS. Qua TN đòi hỏi HS phải làm việc tự lực hoặc phối hợp tập thể, nhờ đó có thể phát huy vai trò cá nhân hoặc tính cộng đồng trách nhiệm trong công việc của các em. lí f. Thí nghiệm vật lí góp phần làm đơn giản hoá các hiện tượng và quá trình vật TN vật lí góp phần đơn giản hoá hiện tượng, tạo trực quan sinh động nhằm hỗ trợ cho tư duy trừu tượng của HS, giúp cho HS tư duy trên những đối tượng cụ thể, những hiện tượng và quá trình đang diễn ra trước mắt họ. Các hiện tượng trong tự nhiên xẩy ra vô cùng phức tạp, có mối quan hệ chằng chịt lấy nhau, do đó không thể cùng một lúc phân biệt những tính chất đặc trưng của từng hiện tượng riêng lẻ, cũng như không thể cùng một lúc phân biệt được ảnh hưởng của tính chất này lên tính chất khác. Chính nhờ TN vật lí đã góp phần làm đơn giản hoá các hiện tượng, làm nổi bật 20 những khía cạnh cần nghiên cứu của từng hiện tượng và quá trình vật lí giúp cho HS dễ quan sát, dễ theo dõi và dễ tiếp thu bài. 1.2.2. Hệ thống thí nghiệm vật lí ở trường phổ thông Có nhiều cách phân loại thí nghiệm khác nhau tùy vào cách chọn dấu hiệu này hay dấu hiệu khác để phân loại, điều quan trọng là phải nắm được đặc trưng của mỗi loại để có thể khai thác và sử dụng nó vào mục đích cụ thể một cách có hiệu quả trong quá trình dạy học vật lí. Nếu dựa vào hoạt động của giáo viên và học sinh người ta có thể phân thí nghiệm vật lí thành hai loại: Thí nghiệm biểu diễn của giáo viên và thí nghiệm thực tập của học sinh. 1.2.2.1. Thí nghiệm biểu diễn a. Đặc điểm của thí nghiệm biểu diễn Thí nghiệm biểu diễn là thí nghiệm do giáo viên tiến hành nhằm đề xuất vấn đề nghiên cứu (kháo sát hay kiểm chứng, minh họa một định luật, một quá trình, một hiện tượng vật lí), trong các giờ học nghiên cứu kiến thức mới và các giờ ôn tạp, củng cố kiến thức, kĩ năng của học sinh. o Vai trò của thí nghiệm biểu diễn: thí nghiệm biểu diễn giữ một vị trí hàng đầu trong hệ thống thí nghiệm vật lí phổ thông. Thí nghiệm biểu diễn có đầy đủ các vai trò của thí nghiệm đã nêu ở trên. Đặc biệ thí nghiệm biểu diễn nếu được tổ chức hợp lí sẽ giúp cho việc truyền thụ bài của giáo viên thuận lợi, hợp lí và giúp học sinh tiếp thu bài dễ dàng và nhanh chóng hơn. o Những ưu điểm của thí nghiệm biểu diễn + Dễ tổ chức, có hiệu lực ngay. + Không đòi hỏi nhiều thiết bị + Cùng một lúc nhiều học sinh có thể quan sát. Tuy nhiên, thí nghiệm biểu diễn có hạn chế đó là: học sinh chỉ được quan sát mà không được tiến hành thí nghiệm, tính độc lập, sáng tạo trong thí nghiệm bị hạn chế,không phát triển được kĩ năng, kĩ xảo của học sinh. Với những ưu điểm và hạn chế trên, chúng ta sử dụng thí nghiệm biểu diễn trong dạy học cần quán triệt các yêu cầu sau: Thí nghiệm biểu diễn cần phải: + Gắn liền hữu cơ với bài giảng + Ngắn gọn, hợp lí + Đủ sức thuyết phục + Đảm bảo cả lớp quan sát được + Đảm bảo an toàn b. Phân loại thí nghiệm biểu diễn 21 Thí nghiệm biểu diễn có thể được sử dụng ở tất cả các giai đoạn khác nhau của quá trình dạy học như: đề xuất vấn đề nghiên cứu, hình thành kiến thức, kĩ năng mới hoặc để củng cố bài học. Căn cứ vào mục đích sử dụng của thí nghiệm người ta phân thí nghiệm biểu diễn thành ba loại: - Thí nghiệm mở đầu - Thí nghiệm củng cố - Thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng mới o Thí nghiệm mở đầu: Đây là thí nghiệm nhằm tạo ra tình huống có vấn đề, thúc đẩy mâu thuẫn giữa trình độ kiến thức hiện có và nhu cầu tìm hiểu kiến thức mới. Thí nghiệm mở đầu đòi hỏi phải hêt sức ngắn gọn và cho kết quả ngay. o Thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng mới Trong dạy học vật lí, có hai loại thí nghiệm nghiên cứu hiện tượng, đó là thí nghiệm nghiên cứu khảo sát và thí nghiệm nghiên cứu minh họa. + Thí nghiệm nghiên cứu khảo sát là thí nghiệm được tiến hành để thu thập các số liệu. Trên cơ sở đó phân tích, khái quát hóa…nhằm rút ra kiến thức mới (khái niệm, định luật…). + Thí nghiệm nghiên cứu inh hoạ là thí nghiệm nhằm kiểm chứng những kiến thức (khái niệm, định luật…) đã được rút ra bằng con đường lí thuyết. o Thí nghiệm củng cố Là thí nghiệm được tiến hành vào cuối tiết học nhằm củng cố lại những nội dung kiến thức đã học. Trên cơ sở tiến hành các thí nghiệm vận dụng, ứng dụng các định luật vật lí vào trong kĩ thuật và đời sống. Để thực hiện những TN một cách có hiệu quả, cần chú ý đến những kĩ thuật biểu diễn TN cơ bản sau: + Sắp xếp dụng cụ: Các dụng cụ TN phải được bố trí và sắp xếp sao cho lôi cuốn được sự chú ý của HS và đảm bảo cho cả lớp quan sát được. Muốn vậy phải lựa chọn các dụng cụ TN có kích thước đủ lớn và phải sắp xếp những dụng cụ này trong cùng một mặt phẳng thẳng đứng để chúng không che lấp lẫn nhau. Những dụng cụ quan trọng phải đặt ở vị trí cao nhất, dụng cụ thứ yếu đặt thấp hơn và dụng cụ không cần thiết để HS quan sát thì có thể che lấp. + Dùng vật chỉ thị: Để tăng cường tính trực quan của các TN ta có thể dùng các vật chỉ thị, chẳng hạn: Dùng màu pha vào nước; dùng khói trong TN truyền thảng ánh sáng, hoặc trong TN đối lưu của không khí... 22 + Dùng các phương tiện hỗ trợ như: Đèn chiếu; Gương phẳng; Video Camera 1.2.2.2. Thí nghiệm thực tập a. Đặc điểm của thí nghiệm thực tập Là loại thí nghiệm do học sinh trực tiếp tiến hành và rút ra kết luận o Ưu điểm: Phát huy tính độc lập, tự lực, sáng tạo của học sinh trong học tập vật lí. o Hạn chế: Đòi hỏi phải trang bị nhiều bộ thí nghiệm, thời gian tiến hành thí nghiệm dài, giáo viên phải có nhiều kinh nghiệm, kĩ năng trong tổ chức các tình huống học tập. b. Phân loại thí nghiệm thực tập o Thí nghiệm trực diện Là loại thí nghiệm đơn giản, do học sinh tiến hành dưới sự hướng dẫn của giáo viên, trên cơ sở đó rút ra kết luận hoặc minh họa cho lí thuyết đã học. o Thí nghiệm thực hành Là loại thí nghiệm do học sinh tiến hành sau khi đã học xong một chương hoặc một phần chương trình và thường được tiến hành sau khi học sinh đã tích lũy đầy đủ kiến thức và kĩ năng ban đầu qua các thí nghiệm trực diện. o Thí nghiệm và quan sát ở nhà Là thí nghiệm do học sinh tiến hành ở nhà, hoàn toàn tự lực không có sự hướng dẫn của giáo viên. Vì vậy học sinh phải tự mình vạch ra tiến trình thí nghiệm, lựa chọn dụng cụ thí nghiệm, đo đạc và xử lí số liệu thu được. Mặc dù phân chia thí nghiệm vật lí thành hai loại trên, nhưng đây không phải là một công thức cố định. Trong tiến trình dạy học, tùy theo nội dung của bài học, trình độ nhận thức của học sinh, điều kiện thời gian, điều kiện trang thiết bị thí nghiệm, cơ sở vật chất trong nhà trường….mà giáo viên sử dụng một cách linh hoạt, hợp lí các loại thí nghiệm trên để đạt hiệu quả cao nhất. 1.2.3. Các biện pháp sử dụng thí nghiệm nhằm tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh 1.2.3.1. Tăng cường sử dụng thí nghiệm để tạo ra tình huống có vấn đề Tình huống có vấn đề là quy luật của hoạt động nhận thức, sáng tạo có hiệu quả. Nó quy định sự khởi đầu của tư duy, hành động tư duy tích cực sẽ diễn ra trong quá trình nêu và giải quyết vấn đề. Thực tế dạy học cho thấy, việc tạo ra tình huống có vấn đề có thể xây dựng theo nhiều cách, nhiều biện pháp khác nhau tuỳ vào từng nội dung kiến thức. Một trong 23 những biện pháp đó chính là việc sử dụng TN mở đầu, biện pháp mà lâu nay đa số GV gần như lãng quên hoặc thực hiện chưa có hiệu quả. Vật lí là môn khoa học thực nghiệm, do đó việc khai thác các TN nhằm tạo ra tình huống có vấn đề là một thế mạnh rất cần được phát huy. Sử dụng TN mở đầu để tạo ra tình huống có vấn đề tạo ra sự hứng thú, thu hút sự chú ý đối với HS, đặt HS vào những tình huống có vấn đề và làm cho HS tích cực, chủ động trong việc tìm hiểu giải quyết vấn đề. Khi sử dụng TN trong giai đoạn này, GV cần chú ý phải làm thế nào để thông qua TN, gây được cho HS sự ngạc nhiên, tạo ra được những sự khó khăn nhất định về mặt nhận thức đối với vấn đề đặt ra, HS chưa biết cách giải thích hiện tượng, sự vật, quá trình của thực tế, chưa thể đạt tới mục đích bằng cách thức hành động quen thuộc. Tình huống này kích thích HS tìm tòi cách giải thích hay hành động mới. Thông qua TN, HS phải thấy được tại sao những gì các em quan sát được có vẻ khác với những dự đoán trong suy luận của chính các em, từ đó dần đưa HS vào những bài toán nhận thức để HS tích cực hoạt động hơn, coi việc giải quyết vấn đề tiếp theo như một nhiệm vụ mà chính các em tự đặt ra, đồng thời tạo cho các em một niềm vui nhận thức mới. 1.2.3.2. Sử dụng thí nghiệm đúng lúc để giải quyết vấn đề cụ thể Ngoài việc sử dụng TN để tạo ra tình huống có vấn đề, TN còn được sử dụng ngay trong quá trình giải quyết vấn đề. Thông qua TN, bằng cách quan sát diễn biến của hiện tượng xảy ra, ghi chép số liệu từ TN, HS có thể thu nhận được một số thông tin nhất định từ những vấn đề đang học. Dựa trên những thông tin thu được HS có thể sơ bộ dự đoán về tính chất của các sự vật, về nguyên nhân của hiện tượng … Việc đưa TN ra đúng lúc không những có tác dụng kiểm tra dự đoán của HS trước một vấn đề đã được nêu ra, mà còn khuyến khích được HS mạnh dạn đưa ra những suy nghĩ riêng của mình. Khi những dự đoán suy luận của HS được TN xác nhận là đúng một cách kịp thời thì HS sẽ rất phấn khởi, tin tưởng hơn vào bản thân, dần khắc phục tâm lí thường gặp ở HS là sự thiếu tự tin vào bản thân. 1.2.3.3. Kết hợp thí nghiệm biểu diễn của giáo viên và thí nghiệm học sinh để kích thích hứng thú và rèn luyện kĩ năng cho học sinh Cả lí luận và thực tiễn dạy học cho thấy, đối với HS phổ thông, bản thân HS không thể tự sử dụng thành thạo các TN, lắp ráp tiến hành các TN một cách có hiệu quả nếu không có sự hỗ trợ, hướng dẫn của GV. Khi làm TN không thành công, HS thường tỏ ra chán nản và mất đi lòng tự tin vào bản thân. Chính vì vậy mà GV cần phải kiên trì, có kế hoạch tỉ mỉ và vận dụng kết hợp TN của GV và TN của HS để rèn luyện dần những khả năng tối thiểu mà một HS cần phải đạt được. Điều này đặc biệt quan trọng 24 với HS, làm cho các em có điều kiện tiếp xúc với các dụng cụ đo lường, thiết bị kĩ thuật thông dụng trong cuộc sống hàng ngày. Việc kết hợp TN biểu diễn của GV và TN của HS còn tạo ra ở các em một tinh thần say mê học tập, ham hiểu biết khoa học, tìm tòi nghiên cứu và trên cơ sở đó mới có thể nảy sinh ra những vấn đề hay, những vấn đề lí thú và bổ ích cho các giờ học vật lí. Để việc kết hợp thí nghiệm biểu diễn của giáo viên và thí nghiệm học sinh đạt hiệu quả, nhằm kích thích tính tích cực của HS, GV không nên chỉ cho HS quan sát kết quả cuối cùng, trước khi đi đến những kết luận, cần biểu diễn TN sao cho HS thấy được quá trình vận động của hiện tượng, cần giới thiệu thí nghiệm dưới dạng phân tích, so sánh, trình bày thí nghiệm như một quá trình nghiên cứu và tổ chức cho HS tham gia vào quá trình nghiên cứu đó qua một hệ thống các câu hỏi theo hai dạng cơ bản là dự đoán hiện tượng sẽ xảy ra và giải thích các hiện tượng đã quan sát được. 1.2.3.4. Chú trọng đến việc rèn luyện cho học sinh kĩ năng giải bài tập thí nghiệm Bài tập TN là loại bài tập đòi hỏi phải làm TN để kiểm chứng lời giải lý thuyết hoặc để tìm những số liệu cần thiết cho việc giải bài tập. Bài tập TN có tác dụng tốt về cả ba mặt: giáo dục, giáo dưỡng và giáo dục kĩ thuật tổng hợp, đặc biệt nó giúp làm sáng tỏ mối quan hệ giữa lí thuyết và thực tiễn. Thông qua các bài tập TN, có thể rèn luyện tư duy cho HS, nâng cao khả năng độc lập suy nghĩ, tuy nhiên, để làm được điều này thì kĩ năng TN của HS phải đạt được trình độ nhất định nào đó. Cũng cần chú ý rằng, trong các bài tập TN thì TN chỉ cho các số liệu để giải bài tập, chứ không cho biết tại sao hiện tượng lại xảy ra như thế, cho nên phần vận dụng các định luật vật lí để lí giải các hiện tượng mới là nội dung chính của bài tập TN. 1.2.3.5. Thảo luận ở lớp về các phương án thiết kế, chế tạo và tiến hành các thí nghiệm đơn giản nhằm phát huy tính chủ động sáng tạo cho học sinh Có thể nói rằng, việc thảo luận ở lớp về các phương án thiết kế, chế tạo và tiến hành các TN đơn giản là công việc cực kì khó khăn và rất khó thực hiện ở các trường phổ thông trong điều kiện hiện nay. Ngoài những nguyên nhân chủ quan từ phía GV và HS, thì một nguyên nhân khác rất kho khắc phục là thời gian dành cho việc thảo luận là khá dài, trong khi đó thời gian của một giờ học vật lí là có hạn. Tuy nhiên, nếu thực hiện được thì đây quả là một biện pháp hữu hiệu nhất, phát huy được tổng lực của tất cả các biện pháp nêu trên. Việc trao đổi thảo luận sẽ rèn luyện cho HS khả năng diễn đạt tư tưởng rõ ràng, lập luận chính xác, học tập được kinh nghiệm của các bạn, đồng thời phát triển được tư duy sáng tạo về mặt kĩ thuật. Khi các TN được hình thành từ chính ý tưởng sáng tạo của các em, được làm từ chính bàn tay của các em thì các 25 em sẽ có niềm vui lớn lao, sự tự tin về khả năng của bản thân được nâng cao, từ đó tính chủ động, sáng tạo khoa học của HS được phát triển hơn. KẾT LUẬN CHƯƠNG I Trong chương này chúng tôi đã tổng hợp, phân tích các kiến thức về lí luận và phương pháp giảng dạy và làm rõ các vấn đề sau: - Những đặc trưng về tính tích cực hóa hoạt động nhận thức, của các phương pháp dạy học tích cực, dạy học vật lí theo hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh. Vai trò, tầm quan trọng của thí nghiệm trong dạy học vật lí theo các quan đểm dạy học tích cực, sáng tạo. Hệ thống thí nghiệm vật lí ở trường phổ thông, phân loại và các biện pháp sử dụng thí nghiệm một cách có hiệu quả nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh. CHƯƠNG II: XÂY DỰNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VỀ SÓNG ÂM ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 12 THPT CHUYÊN 2.1. NỘI DUNG KIẾN THỨC, KĨ NĂNG VÀ CÁC THÍ NGHIỆM VỀ SÓNG ÂM 2.1.1. Nội dung kiến thức, kĩ năng về sóng âm Các kiến thức về sóng âm trong chương trình vật lí lớp 12 hiện hành nằm trong chương II: Sóng cơ học và âm học. Theo phân phối chương trình, các kiến thức về sóng âm được hình thành ở một bài học trong hai tiết, bao gồm các kiến thức sau: nguồn gốc của âm, đặc điểm của sóng âm, các đặc tính sinh lí của âm và sự phụ thuộc của chúng vào các đặc tính vật lí của âm, nguồn âm, hộp cộng hưởng. Ngoài ra, vận dụng kiến thức được học về sóng âm, học sinh tiến hành thí nghiệm xác định vận tốc truyền âm trong không khí trong bài thực hành cuối chương. Nội dung cơ bản của các kiến thức về sóng âm có thể tóm lược như sau: 2.1.1.1. Sóng âm là sóng cơ học dọc lan truyền trong môi trường vật chất theo thời gian Các sóng âm có bản chất vật lí giống nhau, nhưng dựa trên khả năng cảm thụ các sóng âm của tai (do đặc tính sinh lí của tai quyết đinh) người ta chia sóng âm thành 3 loại: - Sóng âm nghe thấy được có tần số từ 20Hz đến 20000Hz. - Sóng âm có tần số lớn hơn 20000Hz được gọi là sóng siêu âm. - Sóng âm có tần số nhỏ hơn 20Hz được gọi là sóng hạ âm. 26 Để có sóng âm phải có nguồn âm (vật phát âm dao động) và môi trường đàn hồi bao quanh nguồn âm. Sóng âm truyền được trong các môi trường rắn, lỏng, khí, không truyền được trong chân không. Vận tốc truyền âm phụ thuộc vào mật độ của môi trường, tính đàn hồi của môi trường và phụ thuộc vào nhiệt độ. Nói chung, vận tốc truyền âm trong chất rắn lớn hơn vận tốc truyền âm trong chất lỏng và lớn hơn vận tốc truyền âm trong chất khí. Để khảo sát dao động âm trong thực nghiệm ngta dùng micro và dao động kí điện từ để ghi lại dạng đồ thị dao động âm. 2.1.1.2. Sóng âm cũng có các tính chất như sóng nước như: phản xạ, giao thoa, nhiễu xạ. Sóng âm cũng là sóng cơ học nên nó mang đầy đủ các tính chất của sóng cơ, đó là: phản xạ, giao thoa, nhiễu xạ, khúc xạ. Tại miền giao nhau của hai sóng âm kết hợp sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa sóng âm: có những vị trí âm nghe được là cực đại, đồng thời có những vị trí âm nghe được là cực tiểu trên phương truyền âm. 2.1.1.3. Các đặc trưng vật lí của sóng âm - Tần số âm ( f : Hz ): âm nghe được có tần số từ 20Hz - 2000Hz. . - Bước sóng âm: quãng đường âm truyền trong một chu kì ( vT v ). f - Năng lượng âm: quá trình truyền âm là quá trình truyền năng lượng. Năng lượng lại mỗi điểm tỉ lệ thuận với bình phương biên độ dao động âm tại điểm đó. Năng lượng đó được truyền đi từ nguồn âm đến tai ta. - Cường độ âm ( I :W / m 2 ): cường độ âm tại một điểm là lượng năng lượng được sóng âm truyền trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm. - Mức cường độ âm (L) là đại lượng vật lí đặc trưng cho mức độ to nhỏ của âm, được định nghĩa như sau: Trong đó: L log I I hoặc L 10log I0 I0 I0: cường độ âm chuẩn nghĩa là cường độ âm có tần số f=1000hz 12 2 (tần số âm chuẩn ở ngưỡng nghe I0 10 W / m ). I: cường độ âm tại điểm đó. 2.1.1.4. Các đặc trưng sinh lý của âm và sự phụ thuộc của chúng vào các đặc trưng vật lí của âm 27 - Độ cao của âm là đặc trưng sinh lý của âm, để phân biệt âm cao (), với âm trầm (), phụ thuộc vào tần số âm. Âm có tần số thấp là âm trầm….. - Độ to của âm là đặc trưng sinh lý của âm, cho ta cảm giác âm nghe to hay nhỏ, phụ thuộc vào tần số và mức cường độ âm. + Mức cường độ âm nhỏ nhất của một âm để có thể gây cảm giác âm gọi là ngưỡng nghe của nó. Ngưỡng nghe phụ thuộc vào tần số âm. + Khi tần số âm không thay đổi, âm có mức cường độ âm càng lớn (biên độ càng lớn) thì tai nghe thấy càng to. Hai âm có cùng mức cường độ âm nhưng có tần số khác nhau sẽ gây ra những cảm giác âm to nhỏ khác nhau. + Mức cường độ âm của một âm lớn đến mức nào đó sẽ gây ra cảm giác đau trong tai: đó là ngưỡng đau. Độ to của một âm nằm trong phạm vi từ ngưỡng gnhe đến ngưỡng đau. - Âm sắc là đặc trưng sinh lý của âm giúp ra phân biệt được hai âm có cùng độ cao, độ to nhưng do các nguồn âm khác nhau phát ra, phụ thuộc tần số , biên độ và phụ thuộc vào thành phần cấu tạo âm. Các âm có cùng tần số, cùng độ to nhưng âm sắc khác nhau là do dạng đồ thị biểu diễn dao động âm khác nhau. 2.1.1.5. Nguồn âm, hộp cộng hưởng - Nguồn âm là tất cả những vật dao động có thể phát ra âm. Nguồn âm chia thành 2 loại: nhạc âm và tiếng ồn (tạp âm) + Nhạc âm là những sóng âm tuần hoàn có tần số xác định. + Tiếng ồn (tạp âm) là những âm mà dao động của chúng không có tính chất tuần hoàn nên không có tần số xác định - Hộp cộng hưởng âm: Sóng âm do các nguồn âm trực tiếp phát ra thường có cường độ nhỏ. Muốn có âm to hơn, phải dùng nguồn âm đó kích thích cho một khối không khí chứa trong một vật rỗng dao động cộng hưởng để nó phát ra âm có cường độ lớn. vật rỗng này được gọi là hộp cộng hưởng. - Cộng hưởng âm: khi các nguồn phát âm có cùng tần số dao động riêng cũng xảy ra hiện tượng cộng hưởng. 2.1.2. Các thí nghiệm cần tiến hành khi dạy học nội dung này Từ nội dung kiến thức học sinh cần lĩnh hội ở phần 2.1.1 đã nêu, ngoài việc lấy ví dụ trong thực tế cuộc sống, nhắc lại các thí nghiệm về âm đã biết ở lớp 7 thì khi dạy các kiến thức về sóng âm ở lớp 12 cần phải tiến hành các thí nghiệm mới như sau: - Thí nghiệm ghi lại đồ thị biểu diễn dao động âm được phát ra từ các nguồn âm khác nhau (nguồn nhạc âm, âm thoa, dây đàn, kèn, thanh đới…; tiếng ồn, tiếng gõ vào miếng sắt). 28 - Thí nghiệm khảo sát đặc điểm của sóng âm (dải tần nghe được của tai người). - Thí nghiệm về sự phụ thuộc của độ to vào tần số và mức cường độ âm. - Thí nghiệm về sự phụ thuộc của độ cao vào tần số âm. Thí nghiệm về sự phụ thuộc của âm sắc vào dạng đường biểu diễn dao động âm. Thí nghiệm về hiện tượng giao thoa sóng âm. Thí nghiệm về hiện tượng sóng dừng. Thí nghiệm xác định vận tốc truyền âm trong không khí (với các phương án khác nhau). 2.2. XÂY DỰNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC VỀ SÓNG ÂM 2.2.1. Sự cần thiết phải xây dựng thiết bị thí nghiệm về sóng âm Sóng âm, sự truyền âm là hiện tượng rất gần gũi trong đời sống hàng ngày nhưng do sóng âm là một trong các hiện tượng không quan sát được nên khó hình dung đối với học sinh trong quá trình nghiên cứu các kiến thức về sóng âm ở chương trình vật lí phổ thông. Vì vậy, thực tế khi dạy học về sóng âm ở trường phổ thông hiện nay, các kiến thức hầu hết chi được trình bày trên phương diện lí thuyết chứ không được trình bày, minh họa hay xác định bằng thực nghiệm. Do vậy chưa thể tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh trong quá trình học cũng như tạo điều kiện cho học sinh nắm một cách vững chắc các kiến thức về sóng âm. Trong thời gian gần đây, đã có một số luận văn cao học, đề tài khoa học của các tác giả Nguyễn Thị Mai, PGS.TS Phạm Xuân Quế...cũng nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện các thiết bị thí nghiệm để tổ chức hoạt động nhận thức tích cực, sáng tạo của học sinh khi dạy học các kiến thức về sóng âm. - Tác giả Nguyễn Thị Mai trong luận văn “Thiết kế tiến trình dạy học các kiến thức về sóng âm (Vật lí 12 THPT) trong đó có sử dụng một số TBTN hiện đại theo hướng phát huy tính tích cực của học sinh trong học tập [2005]” bằng việc sử dụng micro và sao động kí điện tử đã xây dựng một vài thí nghiệm về sóng âm phục vụ trong dạy học vật lí bao gồm: các thí nghiệm minh họa dạng đồ thị dao động âm, thí nghiệm về sự phụ thuộc của các đặc trưng sinh lí vào các đặc trưng vật lí của âm, thí nghiệm về hiện tượng giao thoa sóng âm, thí nghiệm về hộp cộng hưởng âm. Tuy nhiên do việc sử dụng micro loại lớn và nguồn âm là các loa điện động, kết quả thu được 29 - Trong bài viết “Xác định bước sóng âm với sự hỗ trợ của dao động kí điện tử trong dạy học phần sóng âm ở trường phổ thông” [Thông báo khoa học số 3 năm 2000 (trang 56-62) ], PGS. TS Phạm Xuân Quế đã đưa ra cơ sở lí thuyết và phương pháp đầy đủ để xác định được bước sóng âm theo hai cách: dựa vào tính tuần hoàn của quá trình truyền sóng và hiện tượng sóng dừng nhưng vẫn chưa xây dựng, chế tạo TBTN thật để tiến hành thí nghiệm thực nhằm đánh giá những ưu nhược điểm cũng như tính khả thi của thiết bị trên thực tế. Hiện nay ở trường phổ thông chỉ có duy nhất một bộ thiết bị thí nghiệm cho phép xác định vận tốc truyền âm trong không khí dựa vào hiện tượng sóng dừng, chưa có thiết bị thí nghiệm nào nghiên cứu về mối quan hệ giữa các đặc trưng sinh lí (độ cao, độ to, âm sắc) với các đặc trưng vật lí của âm (cường độ âm, mức cường độ âm, tần số, dạng đồ thị biểu diễn âm). Tuy nhiên bộ thí nghiệm vẫn còn nhiều hạn chế như cần phải tiến hành nhiều thí nghiệm với các chiều dài cột khí khác nhau để kết luận cho cùng một bước sóng, việc đánh giá độ to nhỏ của âm phụ thuộc vào tai người nên kết quả thu được có sai số tương đối lớn. 2.2.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị thí nghiệm 2.2.2.1. Chức năng của thiết bị thí nghiệm Bộ thí nghiệm cho phép khảo sát các đặc điểm của sóng âm; khảo sát mối liên hệ giữa các đặc trưng sinh lí với các đặc trưng vật lí của âm; xác định bước sóng của âm trong không khí theo hai phương án khác nhau dựa vào tính tuần hoàn của quá trình truyền sóng và hiện tượng sóng dừng trong ống không khí, từ đó tính được vận tốc truyền âm trong không khí; khảo sát hiện tượng giao thoa sóng âm trong không khí. 2.2.2.2. Cấu tạo của thiết bị thí nghiệm Hình 1 đã miêu tả chi tiết TBTN về sóng âm bao gồm các linh kiện sau: - Các bộ phận chính: + Ống nhựa trong suốt (1) hình trụ dài 70cm, đường kính 4cm, được rạch một khe nhỏ cỡ 5mm dọc thân ống, ở hai đầu được gắn với vòng nhựa có trục kim loại để có thể gắn ống trên giá đỡ. + Pitong (2) được gắn với trục sắt nhỏ, có thể dịch chuyển bên trong thân ống. + Nguồn âm: loa thạch anh, âm thoa (3) + Cảm biến âm được gắn trong hộp kín, micro được nối dài (4). + Nắp nhựa (5). + Máy phát âm tần (6), dao động kí điện tử (7). - Các bộ phận khác: + Nguồn một chiều 5V (8) để cấp nguồn cho cảm biến. 30 + Dây kết nối cảm biến (9) với dao động kí. + Hệ thống giá đỡ, dây dẫn, dây dao động kí (10, 11, 12). 7 6 12 1 2 4 5 8 9 3 Hình 1. Thiết bị thí nghiệm về sóng âm 10 11 2.2.2.3. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị thí nghiệm Bộ thí nghiệm sử dụng một máy phát âm tần có tác dụng tạo ra một hiệu điện thế dao động điều hòa biến đổi kiểu xung sin, xung vuông hoặc tam giác, có thể thay đổi tần số và biên độ. Kết nối máy phát âm tần với loa thạch anh ta thu được một nguồn âm có thể thay đổi tần số và biên độ được. Bộ cảm biến sử dụng nguồn 1 chiều 5V với một đầu micro có tác dụng thu tín hiệu âm thanh. Khi sóng âm từ nguồn âm truyền tới micro, dao động cơ được biến đổi thành dao động điện và đưa vào lối vào của dao động kí điện tử, qua đó chuyển từ việc quan sát các dao động cơ học sang quan sát các dao động điện do chính các dao động cơ này gây ra trên màn dao động kí điện tử. 31 DC Dao động kí điện tử Máy phát âm tần Hình 2. Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của TBTN Qua việc quan sát đồ thị dao động âm trên màn hình, học sinh sẽ biết được quy luật biến đổi của li độ dao động theo thời gian. Đồng thời dựa vào việc ghi lại đường biểu diễn dao động âm có thể tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu sự phụ thuộc của các đặc trưng sinh lí của âm vào các đặc trưng vật lí của âm. Khi tiến hành các thí nghiệm về giao thoa sóng âm, sóng dừng bằng cách sử dụng dao động kí điện tử để ghi lại đồ thị biểu diễn dao động âm, dựa vào đồ thị sẽ cho ta thấy một cách trực quan về hiện tượng giao thoa, sóng dừng: từ đồ thị sẽ cho phép chúng ta xác định được những vị trí mà tại đó dao động âm tổng hợp dao động với biên độ cực đại hoặc cực tiểu..trên phương truyền âm. Từ đó xác định được bước sóng âm, tính toán được vận tốc truyền âm trong không khí. Mô tả sự vận hành, điều chỉnh để thiết bị hoạt động đạt mục đích thiết kế (có ảnh chụp riêng nếu cần) 2.2.3. Các thí nghiệm có thể tiến hành với thiết bị thí nghiệm TBTN trên cho phép chúng tôi có thể tiến hành được các TN sau đây khi dạy học các kiến thức về sóng âm: - Thí nghiệm ghi lại đồ thị biểu diễn dao động âm được phát ra từ các nguồn âm khác nhau (nguồn nhạc âm, âm thoa, dây đàn, kèn, thanh đới…; tiếng ồn, tiếng gõ vào miếng sắt). Thí nghiệm khảo sát đặc điểm của sóng âm (dải tần nghe được của tai người). Thí nghiệm về sự phụ thuộc của độ cao vào tần số âm. Thí nghiệm về sự phụ thuộc của độ to vào tần số và mức cường độ âm. Thí nghiệm về sự phụ thuộc của âm sắc vào dạng đường biểu diễn dao động âm. Thí nghiệm về hiện tượng giao thoa sóng âm. Thí nghiệm về tính tuần hoàn theo không gian của quá trình truyền sóng âm, từ đó xác định vận tốc truyền âm trong không khí. 32 - Thí nghiệm về hiện tượng sóng dừng trong ống không khí, từ đó xác định vận tốc truyền âm trong không khí. Sau đây, tôi xin trình bày chi tiết các TN có thể tiến hành với TBTN 2.2.3.1. Thí nghiệm 1: Khảo sát dao động âm của các nguồn âm khác nhau - Mục đích thí nghiệm: Ghi lại dạng đồ thị biểu diễn dao động âm của một số nguồn âm, từ đó phân biệt được nguồn nhạc âm và tạp âm. - Cơ sở lí thuyết: Biến đổi dao động cơ thành dao động điện nhờ micro, đưa tín hiệu từ micro vào dao động kí điện tử, hình ảnh thu được trên màn hình của dao động kí chính là đồ thị biểu diễn dao động âm. - Bố trí: + Hộp cảm biến được gắn trên giá, đầu thu được nối với kênh CH1 của dao động kí. + Nguồn âm là loa: Nối loa với máy phát âm tần. Máy phát âm tần DC DC Dao động kí điện tử Dao động kí điện tử a. Nguồn âm là loa b. Nguồn âm là âm thoa Hình 3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm kháo sát dao động âm với các nguồn âm khác nhau - Tiến trình thí nghiệm + Cho dao động kí điện tử và máy phát âm tần nối với loa hoạt động. + Lần lượt cho các nguồn âm (âm thoa, loa, tiếng gõ của thanh kim loại vào miếng sắt....) hoạt động rồi đưa micro đến gần nguồn âm, quan sát dạng đồ thị tương ứng biểu diễn dao động của các nguồn âm trên màn hình dao động kí. - Kết quả + Nguồn nhạc âm (âm thoa, loa): đồ thị dao động là đường cong biến thiên tuần hoàn có dạng hình sin, có tần số xác định. + Nguồn tạp âm (tiếng gõ của thanh kim loạivào miếng sắt): đồ thị dao động là đường con biến thiên không tuần hoàn và không có tần số xác định. 33 + - a. Loa b. Âm thoa c. Tiếng gõ kim loại Hình 4. Dạng đồ thị đường biểu diễn dao động âm ứng với các nguồn âm khác nhau - Lưu ý: + Cần đưa các nguồn âm đến gần micro để tín hiệu thu được là rõ nét. + Đối với trường hợp nguồn âm là âm thoa thì cần đặt âm thoa sao cho hai nhánh của âm thoa nằm trong mặt phẳng vuông góc với bề mặt của micro. 2.2.3.2. Thí nghiệm 2: Khảo sát các đặc điểm của sóng âm - Mục đích thí nghiệm: Khảo sát dải tần cảm nhận (nghe) được của tai người. - Cơ sở lí thuyết: Tai người chỉ có thể cảm nhận (nghe) được các âm có tần số nằm trong một giới hạn nào đấy (khoảng nghe được của tai người), đối với các âm nằm ngoài khoảng đó, tai người không thể cảm nhận được. - Tiến trình thí nghiệm: + Gắn loa lên giá thí nghiệm, nối loa với phát phát âm tần. + Cho máy phát âm tần hoạt động, từ từ vặn núm điều chỉnh FREQUENCY và các nút điều chỉnh hệ số nhân, thay đổi tần số phát ra từ 0-20Hz và lớn hơn 20kHz. Máy phát âm tần Hình 5. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát dải tần nghe được của tai người + Dùng tai cảm nhận âm phát ra từ loa. - Kết quả thí nghiệm: Chỉ cảm nhận được âm phát ra từ loa trong khoảng tần số từ 20-20000Hz, ngoài khoảng này, tai không có cảm nhận gì. - Lưu ý 34 + Tùy vào độ tốt (thính) của tai mà khoảng nghe được của mỗi người là khác nhau, đối với người tai tốt thì dải tần nghe được cỡ 20-20000Hz, thông thường khi điều chỉnh đến cỡ 16000Hz thì tai chúng ta đã không nghe (cảm nhận) được âm phát ra từ loa. + Loa sử dụng trong thí nghiệm phải phát ra được âm trong dải tần nghe được của tai người. 2.2.3.3. Thí nghiệm 3. Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của độ cao vào tần số âm. - Mục đích thí nghiệm: Thông qua thí nghiệm rút ra sự phụ thuộc độ cao của âm vào tần số âm phát ra. - Tiến trình thí nghiệm + Lắp sơ đồ thí nghiệm như hình 3a, nguồn âm được nối với máy phát âm tần, nối nguồn cho cảm biến, đầu ra nối với kênh CH1 của dao động kí. + Nối nguồn cho cảm biến, đầu ra nối với kênh CH1 của dao động kí. Đặt micro của cảm biến cách nguồn một khoảng vừa phải. + Cho các thiết bị hoạt động, thay đổi tần số của âm phát ra bằng cách vặn núm điều chỉnh FREQUENCY. + Dùng tai cảm nhận âm phát ra, đồng thời quan sát đồ thị dao động âm thu được trên màn hình dao động kí. - Kết quả thí nghiệm: Độ cao của âm phụ thuộc vào tần số âm, tần số càng lớn thì âm càng cao, tần số càng thấp thì âm càng trầm. a. Âm có tần số cao(âm bổng) b. Âm có tần số thấp (âm trầm) Hình 6. Đồ thị dao động âm ứng với âm có tần số khác nhau 2.2.3.4. Thí nghiệm 4. Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của độ to vào tần số và mức cường độ âm. - Mục đích thí nghiệm: 35 Thông qua thí nghiệm rút ra sự phụ thuộc độ cao của âm vào tần số âm phát ra. - Tiến trình thí nghiệm + Lắp sơ đồ bố trí thí nghiệm như hình 3a: nguồn âm được nối với máy phát âm tần, nối nguồn cho cảm biến, đầu ra nối với kênh CH1 của dao động kí. + Cho các thiết bị hoạt động, dịch chuyển cảm biến, đưa micro lại gần loa Lần 1: giữ nguyên biên độ âm ( tức cường độ âm không đổi), thay đổi tần số bằng cách vặn núm điều chỉnh FREQUENCY và nghe độ to của âm phát ra ứng với mỗi tần số đó. Lần 2: giữ nguyên tần số âm, thay đổi biên độ âm (tức cường độ âm) bằng cách vặn núm điều chỉnh AMPLITUDE và nghe độ to của âm phát ra ứng với mỗi biên độ. - Kết quả thí nghiệm Lần1: hai âm có cùng mức cường độ âm, nhưng tần số khác nhau sẽ gây ra những cảm giác âm to nhỏ khác nhau. Lần 2: khi tần số âm không đổi, âm có mức cường độ âm càng lớn thì nghe càng to. 2.2.3.5. Thí nghiệm 5. Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc của âm sắc vào dạng đường biểu diễn dao động âm. - Mục đích thí nghiệm: Qua thí nghiệm rút ra: các âm có cùng độ cao nhưng có âm sắc khác nhau là do dạng đường biểu diễn dao đông khác nhau. - Tiến trình thí nghiệm + Lắp sơ đồ thí nghiệm, cho các thiết bị hoạt động. + Nguồn âm là loa được nói với máy phát âm tần, đồng thời giữ nguyên tần số, nhưng để máy phát âm tần lần lượt ở 3 chế độ phát xung khác nhau: sin, vuông và tam giác, lần lượt nghe âm phát ra trong các trường hợp và quan sát dạng đồ thị dao động âm tương ứng trên màn hình của dao động kí điện tử. - Kết quả thí nghiệm Hình 7. Đồ thị dao động âm ứng với các trường hợp nguồn âm phát ra sóng âm có dạng khác nhau. 2.2.3.6. Thí nghiệm 6. Thí nghiệm về hiện tượng giao thoa sóng âm. 36 - Mục đích thí nghiệm: Kiểm nghiệm hiện tương giao thoa sóng âm - Cơ sở lí thuyết Máy phát âm tần Mic Dao động kí Y1 Y2 Hình 8. Mô hình bố trí thí nghiệm khảo sát hiện tượng giao thoa sóng âm Hai loa được mắc song song với nhau, cùng lấy tín hiệu ra từ máy phát âm tần nên hai nguồn âm có cùng tần số và pha ban đàu, thỏa mãn hai nguồn kết hợp, sóng âm phát ra từ hai nguồn là sóng kết hợp. Trong không gian chứa hai nguồn âm, có những vị trí dao động âm tổng hợp dao động với biên độ cực đại, có những vị trí dao động âm tổng hợp dao động với biên độ cực tiểu - Tiến trình thí nghiệm + Cho các thiết bị hoạt động theo sơ đồ bố trí như hình vẽ. + Găn hộp micro lên giá, đầu ra được nối với dao động kí, dịch chuyển sao cho micro nằm trên đường thẳng nối hai loa. Hình 9. Sơ đồ thí nghiệm khảo sát hiện tượng giao thoa sóng âm - Kết quả thí nghiệm 37 Quan sát đồ thị biểu diễn dao động âm tại các vị trí khác nhau của mic, rút ra kết luận: có những vị trí của mic ta thấy đồ thị dao động là một đường hình sin có biên độ lớn, chứng tỏ nghe thấy là to, có những vị trí ta thấy đồ thị dao động là một đường hình sin nhưng biên độ bé (gần như một đường thẳng) chứng tỏ âm nghe thấy là bé. Hình 10. Đồ thị dao động âm ứng với vị Hình 11. Đồ thị dao động âm ứng với vị trí mà tại đó dao động tổng hợp âm đạt biên độ cực đại trí mà tại đó dao động tổng hợp âm đạt biên độ cực tiểu - Lưu ý + Di chuyển micro trên đường thẳng nối hai loa ở cùng độ cao với hai loa để thí nghiệm đạt kết quả chính xác. + Chỉ di chuyển micro trong vùng không gian trước hai loa là chủ yếu. 2.2.3.7. Thí nghiệm 7. Thí nghiệm khảo sát tính tuần hoàn theo không gian của quá trình truyền sóng âm, đo bước sóng âm, từ đó xác định vận tốc truyền âm trong không khí. - Mục đích thí nghiệm Khảo sát sự biến đổi pha trên phương truyền sóng của sóng âm. Đo bước sóng âm, dựa vào đó xác định vận tốc truyền âm trong không khí. - Cơ sở lí thuyết Sóng âm là sóng dọc, do có tính tuần hoàn theo không gian nên theo phương truyền sóng, các điểm trong không gian cách nhau một bước sóng sẽ dao động cùng pha. Nếu tại hai điểm này, ta đặt hai micro trực tiếp hai đầu ra vào 2 cổng của dao động kí thì ta sẽ thấy trên màn hình dao động kí hình ảnh hai sóng đồng pha. 38 Hình 12. Đồ thị dao động của hai sóng cùng pha trên dao động kí Nếu hai micro đặt ở hai vị trí mà dao động tại đó không cùng pha thì tùy theo sự lệch pha dao động giữa hai điểm đấy thì hình ảnh thu được trên màn hình dao động kí là khác nhau. Để đơn giản hóa, ta nối trực tiếp một kênh của dao động kí với đầu ra của máy phát âm tần, kênh còn lại nối với đầu ra của bộ cảm biến như hình 13. Mic Máy phát âm tần Dao động kí Y1 Y2 5V Hình 13. Mô hình bố trí thí nghiệm kháo sát tính tuần hoàn về pha của quá trình truyền sóng âm Khi đó, bằng việc xác định khoảng cách giữa hai điểm dao động đồng pha nhau liên tiếp và đồng pha với nguồn trên phương truyền sóng, ta thu được bước sóng âm: Trong đó: L2 L1 L1, L2 lần lượt là khoảng cách từ hai điểm đồng pha liên tiếp nhau tới nguồn âm. : bước sóng âm. 39 - Tiến trình thí nghiệm Hình 13. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát tính tuần hoàn pha của quá trình truyền sóng âm +Lắp đặt sơ đồ thí nghiêm như hình vẽ, mic được luồn theo khe vào trong thân ống, đầu ra của micro được nối với cổng CH1, đầu ra của máy phát âm tần được nối với cổng CH2. + Chuyển MODE của dao động kí sang Dual. + Cho các thiết bị hoạt động, chọn một tần số nhất định, hình ảnh thu được trên màn hình dao động kí là đường biểu diễn dao động âm tại nguồn và tại vị trí đặt micro. + Dịch chuyển từ từ micro dọc thân ống đến khi quan sát thấy hai tín hiệu là đồng pha, đọc và ghi lại giá trị l1 là khoảng cách từ vị trí đó đến nguồn nhờ thước trên giá đỡ. Lặp lại bước này 5 lần, ứng với vị trí cho tín hiệu đồng pha với nguồn lần đầu tiên, Tính giá trị l1 và sai số trung bình l1 l1max l1min , rồi số liệu ghi vào bảng. 2 + Dịch chuyển micro lại thu được một vị trí khác mà hai tín hiệu thu đồng pha, đọc và ghi lại giá trị l2 là khoảng cách từ vị trí đó đến nguồn. Lặp lại bước này 5 lần, ứng với vị trí cho tín hiệu đồng pha với nguồn lần đầu tiên, Tính giá trị l2 và sai số trung bình l 2 l 2 max l2 min , rồi số liệu ghi vào bảng. 40 2 + Tính bước sóng: l2 l1 , sai số l2 l1 + Biết tần số âm, tính vận tốc truyền âm trong không khí v . f và sai số trung bình v v. f f Tiến hành thí nghiệm với các giá trị tần số khác. Hình 15. Đồ thị biểu diễn dao động âm ứng với vị trí của micro mà dao động tại đó đồng pha với nguồn. - Kết quả thí nghiệm Bảng số liệu và xử lí số liệu: Tần số f 3 .0 2 k H z 0 .0 1kH z Lần thí nghiệm Vị trí đồng pha l1 ( m m ) l2 ( m m ) 1 2 3 4 5 l (mm) l (mm) 44 43 43 42 44 43.20 1 170 Tính bước sóng âm và sai số: 172 169 171 171 170.6 l2 l1 170.6 43.2 127.4mm l2 l1 l2 max l2 min l1max l1min 1.00 1.5. 2.50 mm 2 2 127.40 2.50 mm Tính vận tốc truyền âm và sai số: v . f 0 .1 2 7 4 3 .0 2 1 0 3 3 8 4 .7 5 m / s f 10 2.50 v v 8.80 m / s 384.75 3 f 127.4 3.02 10 41 1.5 v v v 384.75 8.80 m / s Sai số tương đối: Tấn số v 2.3% v f 4 .6 3 k H z 0 .0 1 kH z Lần thí nghiệm Vị trí đồng pha l1 ( m m ) 1 2 3 4 5 l (mm) l (mm) 52 52 53 51 52 52 1.00 131 l2 ( m m ) Tính bước sóng âm và sai số: 130 130 131 130 130.4 0.50 l2 l1 130.40 52.2 78.40mm l 2 l1 l 2 max l2 min l1max l1min 1.00 0.50 1.50 mm 2 2 78.40 1.50 mm Tính vận tốc truyền âm và sai số: v . f 0 .7 8 4 0 3 .0 2 1 0 3 3 6 2 .9 9 m / s f 10 1.50 v v 7.73m / s 362.99 3 78.40 4.63 10 f v v v 362.99 7.73 m / s Sai số tương đối: Tần số v 2.2% v f 5 .1 5 k H z 0 .0 1k H z Lần thí nghiệm Vị trí đồng pha l1 ( m m ) 1 2 3 4 5 l (mm) l (mm) 44 44 43 44 44 43.8 0.32 115 l2 ( m m ) 115 116 115 116 Tính bước sóng âm và sai số: l2 l1 115.40 43.8 71.60mm l2 l1 l2 max l2 min l1max l1min 0.50 0.50 1.00 mm 2 2 42 115.4 0.48 71.60 1.00 mm Tính vận tốc truyền âm và sai số: v . f 0 .7 1 6 0 5 .1 5 1 0 3 3 6 8 .7 4 m / s f 10 1.00 v v 5.87 m / s 368.74 3 71.60 5.15 10 f v v v 368.74 5.87 m / s Sai số tương đối: v 1 .6 9% v Bảng tổng hợp kết quả: Tần số (f) f 3 .0 2 kH z 0 .0 1 kH z f 4 .6 3 kH z 0 .0 1 kH z f 5 .1 5 kH z 0 .0 1 kH z Bước sóng (λ) 127.4 2.50 mm 78.4 1.50 mm 71.60 1.00 mm Vận tốc âm (v) v v v 384.75 8.80 m / s v v v 362.99 7.73 m / s v v v 368.74 5.87 m / s Nhận xét: Kết quả thu được có sai số tương đối nhỏ (cỡ 2-3%). 2.2.3.8. Thí nghiệm 8. Thí nghiệm về hiện tượng sóng dừng trong ống không khí, từ đó xác định vận tốc truyền âm trong không khí. - Mục đích thí nghiệm Đo bước sóng của âm dựa vào hiện tượng sóng dừng trong cột không khí. Biết tần số của âm, đo được bước sóng, tính được tốc độ truyền âm trong không khí. - Cơ sở lí thuyết: Dựa trên hiện tượng sóng dừng trong ống không khí. Máy phát âm tần Dao động kí Mic Y1 Y2 5V Hình 16. Mô hình bố trí thí nghiệm kháo sát hiện tượng sóng dừng trong ống không khí Sóng dừng là trường hợp đặc biệt của giao thoa sóng, là sóng tạo thành do sự chồng chập của hai sóng chạy hình sin kết hợp truyền cùng theo một phương nhưng 43 ngược chiều nhau. Khi xảy ra hiện tượng sóng dừng, ta có thể tìm ra những vị trí tương ứng với bụng sóng hoặc nút sóng, từ đó xác định được bước sóng âm, biết được tần số âm, ta có thể tính toán được vận tốc truyền âm theo hệ thức: /2 A L v hoặc v = f T Khảo sát hiện tượng sóng dừng trong ống không khí 9/4 7/4 5/4 3/4 /4 Hình 17. Sơ đồ minh họa các nút và bụng sóng khi xảy ra hiện tượng sóng dừng trong ống không khí Nguồn âm là một loa được đặt trước miệng ống, phía đầu kia là pit-tông có thể di chuyển được để thay đổi độ dài của cột không khí. Sóng âm từ loa được giao thoa với sóng phản xạ tạo thành sóng đứng có nút và bụng xen kẽ nhau. Khi chiều dài của cột không khí trong ống có giá trị /4, 3/4, 5/4, 7/4, 9/4…thì xảy ra hiện tượng sóng dừng và ta nghe được to nhất. Khoảng cách giữa các nút hay các bụng là /2, ở miệng ống là bụng sóng còn tại pit-tông là nút sóng. Xác định được , biết được tần số âm f, ta sẽ tính được vận tốc truyền sóng âm trong cột không khí. - Tiến trình thí nghiệm + Bố trí dụng cụ thí nghiệm như trong sơ đồ hình vẽ, lúc đầu micro ở vị trí gần sát với loa ở đầu ống bên trái. + Cho các thiết bị hoạt động, chọn một tần số nhất định, dịch chuyển pitong từ phải qua trái đồng thời quan sát hình ản thu được trên màn hình dao động kí. . Xác định vị trí của pittong mà tại đó tín hiệu âm thu được trên dao động kí điện từ là lớn nhất, khi đó xảy ra hiện tượng sóng dừng trong ống không khí. + Dịch chuyển micro sang phải, xác định hai vị trí liên tiếp cho tín hiệu cực đại trên màn hình dao động kí, lặp lại thí nghiệm 3 lần. Đo và ghi kết quả vào bảng số liệu. 44 Hình 18. Sơ đồ bố trí thí nghiệm khảo sát hiện tượng sóng dừng trong ống không khí - Kết quả thí nghiệm Hình 19. Đồ thị biểu diễn dao động âm ứng với vị bụng và nút sóng khi xảy ra hiện tượng sóng dừng trong ống không khí 45 Bảng số liệu và xử lí số liệu Vị trí bụng 1 f kHz 2.93 3.54 4.24 l1 mm l1 Vị trí bụng 2 l2 mm l2 2 l 2 l1 v . f Lần Lần Lần (mm) Lần Lần Lần 69 68 68 68.33 133 133 134 133.33 130.00 380.09 53 53 52 52.67 96 95 95 95.33 361.81 1 49 2 47 3 48 1 48.00 101 2 102 3 101 (mm) 101.33 106.67 85.33 (m/s) 377.60 Bằng cách xử lí sai số tương tự như trong thí nghiệm 7, ta thu được bảng kết quả sau: Tần số (f) f 2 .9 3 kH z 0 .0 1 kH z f 3 .5 4 k H z 0 .0 1 kH z f 4 .2 4 kH z 0 .0 1 kH z Bước sóng (λ) Vận tốc âm (v) 130.00 2.00 mm v v v 380.09 7.14 m / s 85.33 2.00 mm v v v 361.81 9.33 m / s 106.67 3.00 mm v v v 377.60 11.69 m / s Nhận xét: Kết quả thu được có sai số tương đối nhỏ (cỡ 2-3%). 46 KẾT LUẬN CHƯƠNG II Thông qua việc tìm hiểu về nội dung kiến thức, kĩ năng mà học sinh cần lĩnh hội được khi học các kiến thức về sóng âm vật lí 12 và từ đó đề ra các thí nghiệm cần phải tiến hành khi dạy học các kiến thức này tôi đã thiết kế, chế tạo được TBTN về sóng âm, đáp ứng được yêu cầu kĩ thuật cũng như yêu cầu sư phạm đề ra. TBTN đã chế tạo có thể được sử dụng tùy theo bài giảng, phương pháp giảng dạy của giáo viên, có thể sử dụng làm thí nghiệm biểu diễn, khảo sát cho học sinh khi dạy học phần kiến thức về Sóng âm vật lí 12 THPT chuyên. 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Căn cứ vào mục đích, nhiệm vụ đề tài đặt ra, trong bản khóa luận tôi đã giải quyết được các vấn đề sau: - Tổng hợp kiến thức về giáo dục học, tâm lí học, lí luận dạy học để xây dựng cơ sở lí luận cho đề tài. - Tìm hiều về nội dung kiến thức, kĩ năng mà học sinh cần phải lĩnh hội khi học các kiến thức về sóng âm cũng như các bộ thí nghiệm sẵn có, từ đó nghiên cứu, thiết kế và chế tạo TBTN về sóng âm, đồng thời tiến hành được các TN về sóng âm với TBTN đã chế tạo. Bằng việc trang bị TBTN về sóng âm ở các trường THPT chuyên nói riêng và các trường THPT nói chung, giáo viên có thể tiến hành hầu hết các TN khi dạy học các kiến thức về sóng âm trong chương trình vật lí phổ thông, từ đó giúp học sinh nắm vững kiến thức hơn, đồng thời phát triển tư duy khoa học của học sinh khi học phần kiến thức này. Phát triển, hoàn thiện hơn nữa bộ TBTN để thực hiện các TN khác về sóng âm như: khảo sát hiện tượng khúc xạ, nhiễu xạ sóng âm; sự hấp thụ âm; khảo sát quá trình truyền âm và xác định vận tốc truyền âm trong các môi trường khác (nước, chất khí dễ kiếm..) 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Xuân Quý (2010). “Vấn đề sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học vật lí ở trường phổ thông. Thực trạng và giải pháp”, Tạp chí Thiết bị giáo dục, (61), trang34. [2] Hà Văn Hùng (2000), Các phương tiện dạy học vật lí, Bài giảng cho học viên cao học, ĐHSP Vinh. [3] Nguyễn Ánh Nga (2010), Nghiên cứu dạy học chương Sóng cơ và sóng âm vật lí 12 chương trình chuẩn theo tinh thần dạy học giải quyết vấn đề. [4] Nguyễn Đức Thâm (chủ biên), Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế (2002), Phương pháp dạy học vật lí ở trường phổ thông, NXB ĐHSP Hà Nội. [5] Nguyễn Thị Mai (2005), Thiết kế tiến trình dạy học các kiến thức về sóng âm (Vật lí 12 THPT) trong đó có sử dụng một số TBTN hiện đại theo hướng phát huy tính tích cực của học sinh trong học tập, Luận văn thạc sĩ giáo dục học. [6] Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên), Phạm Quý Tư (Chủ biên), Lương Tất Đạt, Lê Chân Hùng, Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Đình Thiết, Bùi Trọng Tuân, Lê Trọng Tường (2008), Vật lí 12 nâng cao, NXB giáo dục, Hà Nội. [7] Phạm Hữu Tòng (2007), Dạy học vật lí ở trường phổ thông theo định hướng phát triển hoạt động học tích cực, tự chủ, sáng tạo và tư duy khoa học, NXB ĐHSP. [8] Trần Thị Tuyết Oanh, Giáo trình giáo dục học, NXB Đại học Sư phạm, Hà Nội. [9] Khoa Vật Lí ĐHSP Hà Nội, Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm Vật lí phổ thông [10] Phạm Xuân Quế (2000), “Xác định bước sóng của sóng âm với sự hỗ trợ của dao động kí điện tử trong dạy học phần sóng âm ở trường phổ thông”, Thông báo khoa học (số 3), trang 56-62. 49 [...]... NGHIỆM VỀ SÓNG ÂM ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 12 THPT CHUYÊN 2.1 NỘI DUNG KIẾN THỨC, KĨ NĂNG VÀ CÁC THÍ NGHIỆM VỀ SÓNG ÂM 2.1.1 Nội dung kiến thức, kĩ năng về sóng âm Các kiến thức về sóng âm trong chương trình vật lí lớp 12 hiện hành nằm trong chương II: Sóng cơ học và âm học Theo phân phối chương trình, các kiến thức về sóng âm được hình thành ở một bài học trong hai tiết, bao gồm các kiến thức. .. gốc của âm, đặc điểm của sóng âm, các đặc tính sinh lí của âm và sự phụ thuộc của chúng vào các đặc tính vật lí của âm, nguồn âm, hộp cộng hưởng Ngoài ra, vận dụng kiến thức được học về sóng âm, học sinh tiến hành thí nghiệm xác định vận tốc truyền âm trong không khí trong bài thực hành cuối chương Nội dung cơ bản của các kiến thức về sóng âm có thể tóm lược như sau: 2.1.1.1 Sóng âm là sóng cơ học dọc... nghiệm về sóng âm Sóng âm, sự truyền âm là hiện tượng rất gần gũi trong đời sống hàng ngày nhưng do sóng âm là một trong các hiện tượng không quan sát được nên khó hình dung đối với học sinh trong quá trình nghiên cứu các kiến thức về sóng âm ở chương trình vật lí phổ thông Vì vậy, thực tế khi dạy học về sóng âm ở trường phổ thông hiện nay, các kiến thức hầu hết chi được trình bày trên phương diện lí thuyết... sóng âm - Tác giả Nguyễn Thị Mai trong luận văn “Thiết kế tiến trình dạy học các kiến thức về sóng âm (Vật lí 12 THPT) trong đó có sử dụng một số TBTN hiện đại theo hướng phát huy tính tích cực của học sinh trong học tập [2005]” bằng việc sử dụng micro và sao động kí điện tử đã xây dựng một vài thí nghiệm về sóng âm phục vụ trong dạy học vật lí bao gồm: các thí nghiệm minh họa dạng đồ thị dao động âm, ... không nhỏ đến ý thức học tập của học sinh Đây cũng có thể coi là một trong những biện pháp thúc đẩy việc tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh trong các giờ học vật lý 1.2 SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ NHẰM TÍCH CỰC HÓA HOẠT ĐỘNG NHẬN THỨC CỦA HỌC SINH 1.2.1 Vai trò của thí nghiệm trong dạy học vật lí Vật lí là một môn khoa học thực nghiệm, hầu hết các kiến thức vật lí đều được rút... trường vật chất theo thời gian Các sóng âm có bản chất vật lí giống nhau, nhưng dựa trên khả năng cảm thụ các sóng âm của tai (do đặc tính sinh lí của tai quyết đinh) người ta chia sóng âm thành 3 loại: - Sóng âm nghe thấy được có tần số từ 20Hz đến 20000Hz - Sóng âm có tần số lớn hơn 20000Hz được gọi là sóng siêu âm - Sóng âm có tần số nhỏ hơn 20Hz được gọi là sóng hạ âm 26 Để có sóng âm phải có nguồn âm. .. nhận thức của học sinh trong quá trình học cũng như tạo điều kiện cho học sinh nắm một cách vững chắc các kiến thức về sóng âm Trong thời gian gần đây, đã có một số luận văn cao học, đề tài khoa học của các tác giả Nguyễn Thị Mai, PGS.TS Phạm Xuân Quế cũng nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện các thiết bị thí nghiệm để tổ chức hoạt động nhận thức tích cực, sáng tạo của học sinh khi dạy học các kiến thức về sóng. .. thức, của các phương pháp dạy học tích cực, dạy học vật lí theo hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh Vai trò, tầm quan trọng của thí nghiệm trong dạy học vật lí theo các quan đểm dạy học tích cực, sáng tạo Hệ thống thí nghiệm vật lí ở trường phổ thông, phân loại và các biện pháp sử dụng thí nghiệm một cách có hiệu quả nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh CHƯƠNG II: XÂY DỰNG... cường độ âm - Thí nghiệm về sự phụ thuộc của độ cao vào tần số âm Thí nghiệm về sự phụ thuộc của âm sắc vào dạng đường biểu diễn dao động âm Thí nghiệm về hiện tượng giao thoa sóng âm Thí nghiệm về hiện tượng sóng dừng Thí nghiệm xác định vận tốc truyền âm trong không khí (với các phương án khác nhau) 2.2 XÂY DỰNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ĐỂ SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC VỀ SÓNG ÂM 2.2.1 Sự cần thiết phải xây dựng. .. Các biện pháp sư phạm nhằm tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh trong dạy học vật lí Để tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh, ngoài việc tạo ra không khí học tập tốt, về mặt phương pháp dạy học, cần thực hiện tốt các vấn đề sau: a Trong quá trình dạy học cần phối hợp tốt các phương pháp dạy học theo hướng tích cực hoá hoạt động nhận thức Trong thực tiễn, có nhiều phương pháp dạy học ... DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 12 THPT CHUYÊN 2.1 NỘI DUNG KIẾN THỨC, KĨ NĂNG VÀ CÁC THÍ NGHIỆM VỀ SÓNG ÂM 2.1.1 Nội dung kiến thức, kĩ sóng âm Các kiến thức sóng âm chương trình vật lí lớp 12 hành nằm... cứu lí luận dạy học đại việc tổ chức hoạt động nhận thức tích cực học sinh dạy học vật lí, lí luận dạy học giải vấn đề qui trình xây dựng, sử dụng thiết bị thí nghiệm trình dạy học kiến thức vật. .. nghiệm sóng âm để sử dụng dạy học vật lí lớp 12 THPT chuyên PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG 1.1 DẠY HỌC