Các lực, và ba định luật Newton mô tả cách chúng vận hành, thường được xem là những thành phần trọng tâm của cơ học cổ điển. Nhưng trong một đề xuất mới, một đội gồm các nhà vật lí vừa đề xuất rằng sinh viên đăng kí học khóa cơ học nên tìm hiểu các khái niệm liên quan đến năng lượng trước, sau đó mới học về các lực bằng cách suy luận ra chúng từ các phương trình năng lượng. Các nhà nghiên cứu này vừa công bố bằng chứng rằng chương trình giảng dạy đại cương dựa trên giải tích kiểu “năng lượng trước” như thế này làm cải thiện hiệu quả học tập của các sinh viên yếu toán và giúp cải thiện kết quả ở các khóa học tiếp sau đó về vật lí và kĩ thuật.
Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng một trong những thách thức khi học phần cơ học là yêu cầu thông hiểu các vector lực, đó là điều khiến nhiều sinh viên cảm thấy khó khăn [1]. Christopher Fischer tại Đại học Kansas, Lawrence, và các cộng sự của ông luận giải rằng việc bắt đầu với một đại lượng phi vector (vô hướng) như năng lượng có thể sẽ dễ dàng hơn so với phương pháp truyền thống cứ luôn học về lực trước.
Ví dụ, sự bảo toàn năng lượng có nghĩa là, dưới những điều kiện thích hợp, tổng động năng và thế năng là một đại lượng không đổi. Với một vài áp dụng cơ bản của giải tích (lấy đạo hàm), từ phương trình năng lượng này ta thu được các phương trình chuyển động cho hệ, như các định luật Newton đã đúc kết. Hướng tiếp cận vi phân này của cơ học từ các khái niệm năng lượng chẳng phải điều gì mới mẻ; nó tương đương với một thay thế cho hình thức Newton đã được phát triển vào thế kỉ 19 bởi nhà toán học Ireland William Hamilton, gọi là cơ học Hamilton.
Fischer và các cộng sự đã soạn thảo một chương trình giảng dạy đại cương sử dụng cách tiếp cận này để giải thích nhiều chủ đề quan trọng trong vật lí, từ động học đơn giản đến dao động và chuyển động quay. Trong mỗi trường hợp, họ sử dụng giải tích để suy luận ra các phương trình chuyển động từ các phương trình năng lượng. “Chúng tôi vẫn dạy về các lực cho sinh viên,” Fischer giải thích,” nhưng chỉ sau khi họ đã có thời gian tìm hiểu cơ học cổ điển trong khuôn khổ toán học ‘dễ ăn hơn’ như thế,” nghĩa là dùng các vô hướng thay cho vector. Chương trình giảng dạy này cũng suy luận ra động lượng và nhiệt động lực học trên cơ sở giải tích. Fischer vừa cho xuất bản hai cuốn giáo trình đại cương viết theo phương pháp năng lượng-trước [2, 3].
Học năng lượng trước khi học các vector lực có thật sự khiến cơ học ‘dễ tiêu hóa’ hơn không?
Để kiểm tra giá trị của phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã khai thác thực tế là Đại học Kansas cho sinh viên lựa chọn hai khóa học vật lí đại cương, PHSX210 và PHSX211. Hai khóa học về cơ bản có nội dung như nhau nhưng hơi khác nhau một chút về cấu trúc và giảng viên, còn yêu cầu năng lực toán của sinh viên ở mỗi khóa học đều ngang nhau.
Hồi năm 2015, chương trình giảng dạy năng lượng-trước được tích hợp vào PHSX211, còn PHSX210 thì không, và từ năm 2016 đến 2018, toàn bộ sinh viên đều phải tham gia kì thi khảo sát kiến thức vật lí lúc bắt đầu và kết thúc mỗi học kì. Với những sinh viên giỏi toán nhất, những người học PHSX211 làm bài tốt hơn một chút. Song với những sinh viên có điểm toán thấp nhất, sinh viên PHSX211 làm bài tốt hơn nhiều so với sinh viên PHSX210. Ngoài ra, các sinh viên PHSX211 đó còn có thành tích tốt hơn khi tham gia các khóa học vật lí và kĩ thuật ở những học kì sau.
Các nhà nghiên cứu cảnh báo rằng cần có thêm nghiên cứu trên mẫu sinh viên đông đảo hơn mới đảm bảo chắc chắn được rằng nội dung chương trình giảng dạy, chứ không phải yếu tố nào khác, là nguyên nhân đưa đến những khác biệt hiệu quả như thế. Đặc biệt, quy mô lớp học PHSX210 đông gấp đôi PHSX211, và PHSX211 có thêm 50 phút học mỗi tuần; mỗi khác biệt này cũng có thể tác động đến việc học của sinh viên.
Giả sử chương trình giảng dạy mới thật sự đem lại các khác biệt thành tích vừa nói, song đội nghiên cứu vẫn chưa nhận ra được các nguyên nhân vì sao có sự cải thiện thành tích như thế. “Giả thuyết hiện tại của chúng tôi là việc yêu cầu sinh viên sử dụng giải tích xuyên suốt khóa học PHSX211 đã giúp họ cải thiện kiến thức và kĩ năng về vật lí lẫn giải tích,” Fischer nói.
Có những chương trình giảng dạy vật lí đại cương khác cũng nhấn mạnh vào việc giảng dạy năng lượng [4, 5], theo lời Benjamin Dreyfus tại Đại học George Mason ở Fairfax, Virginia, một chuyên gia về dạy học vật lí, “nhưng đây là chương trình đầu tiên tôi thấy chỉ tập trung vào giải tích,” sử dụng các khái niệm năng lượng để suy luận ra các quy tắc về lực. Ông xem bài báo là “một bằng chứng khái niệm rằng nó [phương pháp năng lượng-trước] đã thành công trong ngữ cảnh đặc biệt này” và ông tán thành rằng cần có nghiên cứu thêm để xác định xem các kết luận đó tương ứng đến đâu.
Chuyên gia dạy học vật lí David Meltzer tại Đại học Arizona ở Tempe cho rằng dữ liệu hiện tại chưa thể nói được các cải thiện ấy là do chương trình giảng dạy thay đổi. Ông cho rằng các khác biệt giữa hai khóa học, đặc biệt là thời gian học, khiến phép so sánh trở nên mơ hồ và mẫu thí nghiệm quá nhỏ để rút ra kết luận chắc chắn. Tuy nhiên, ông nghĩ “khả năng cao” việc phân tích thêm sẽ cho thấy phương pháp năng lượng-trước thật sự đem lại sự khác biệt.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Physics Education Research.
Nguồn: APS Physics
Tài liệu tham khảo:
1. N.-L. Nguyen and D. E. Meltzer, “Initial understanding of vector concepts among students in introductory physics courses,” Am. J. Phys. 71, 630 (2003).
2. C. J. Fischer, The Energy of Physics, Part I: Classical Mechanics and Thermodynamics, 2nd Edition (2019)[Amazon][WorldCat].
3. C. J. Fischer, The Energy of Physics, Part II: Electricity and Magnetism, 2nd Edition (2020)[Amazon][WorldCat].
4. E. Brewe, “Energy as a substancelike quantity that flows: Theoretical considerations and pedagogical consequences,” Phys. Rev. ST Phys. Educ. Res. 7, 020106 (2011).
5. J. Solbes, J. Guisasola, and F. Tarín, “Teaching energy conservation as a unifying principle in physics,” J. Sci. Ed. Technol. 18, 265 (2009).
