Bài viết Sử dụng điện thoại di động trong dạy học Vật lí bàn về một trong các cách tiếp cận để xây dựng phương tiện dạy học mới là tìm cách sử dụng những thiết bị kĩ thuật mới, những vật liệu mới để tiến hành những thí nghiệm vật lí quen thuộc là điện thoại di động; sử dụng điện thoại di động để thu thập tư liệu; sử dụng điện thoại di động như một thiết bị thí nghiệm;... Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1SỬ DỤNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ
TS Nguyễn Văn Biên - Khoa Vật lí, Trường ĐHSP Hà Nội
1 Mở đầu
Một trong các cách tiếp cận để xây dựng phương tiện dạy học mới là tìm cách sử dụng những thiết bị kĩ thuật mới, những vật liệu mới để tiến hành những thí nghiệm vật lí quen thuộc Nếu tận dụng được các ưu thế của chúng một cách phù hợp, thì ta có thể thực hiện được những thí nghiệm mà thiết bị kĩ thuật truyền thống chưa tiến hành được hoặc tiến hành rất phức tạp
Tuy mới ra đời, nhưng điện thoại di động
(ĐTDĐ) đã trở thành một vật dụng quen thuộc đối
với cả người lớn và học sinh Cùng với sự phát
triển của công nghệ, ĐTDĐ không chỉ là một
công cụ dùng để trao đổi thông tin thông qua đàm
thoại mà còn được tích hợp nhiều tính năng mới
như: quay phim, chụp ảnh, nghe nhạc, chạy các
phần mềm… Trong dạy học vật lí, ta có các tính
năng sau của ĐTDĐ:
- Tính năng chụp ảnh quay phim: Dùng để
thu thập tư liệu, dùng như một camera thu tia
hồng ngoại
- Tính năng thu, phát âm thanh: Dùng như
một nguồn âm để tiến hành thí nghiệm
- Tính năng chạy phần mềm: Dùng để chạy
các phần mềm mô phỏng vật lí, phân tích băng
hình, tiến hành thí nghiệm (Hình 1) Hình 1 Một số phần mềm chạy trên điện thoại di động
2 Sử dụng ĐTDĐ để thu thập tư liệu
Với tính năng chụp ảnh, quay phim, học sinh có thể sử dụng ĐTDĐ để ghi lại các hiện tượng tự nhiên, các ứng dụng kĩ thuật quanh ta hoặc ghi lại các bố trí thí nghiệm trong quá trình học tập
Với chức năng quay phim, học sinh có thể quay lại chuyển động của một số vật như chuyển động rơi tự do, chuyển động của vật bị ném xiên; sau đó sử dụng phần mềm phân tích băng hình trên máy tính [1] hoặc sử dụng phần mềm Video Physics để phân tích phim đã quay như ở mục 3.3 dưới đây
Chức năng chụp ảnh của ĐTDĐ sử dụng cảm ứng CCD cho phép nhận biết được
cả ánh sáng ở vùng hồng ngoại mà mắt thường không thể nhìn thấy Với chức năng này,
ta có thể tiến hành thí nghiệm nhiễu xạ hồng ngoại qua cách tử nhiễu xạ
3 Sử dụng ĐTDĐ như một thiết bị thí nghiệm
3.1 Sử dụng ĐTDĐ như một nguồn âm
Trang 2ĐTDĐ cho phép phát ra âm thanh có sẵn trong máy Một số loại ĐTDĐ thông minh (smartphone) cho phép nhập vào hoặc tự tạo ra những âm thanh có tần số xác định Nhờ chức năng này, ta có thể sử dụng ĐTDĐ như một nguồn âm di động để tiến hành các thí nghiệm sau:
Thí nghiệm 1: Khảo sát hiệu ứng phách
Hiệu ứng phách là hiệu ứng xảy ra khi có sự tổng hợp của âm thanh phát ra từ hai nguồn có tần số xấp xỉ bằng nhau Ta có thể sử dụng các phần mềm để tạo ra âm thanh có dạng hình sin rồi đưa ĐTDĐ Một trong những phần mềm viết cho ĐTDĐ có thể tạo ra
được các âm thanh có tần số tùy chọn là phần mềm Ton gen Pro Với phần mềm này, ta
có thể lựa chọn dễ dàng tần số của các âm được tạo thành
Hình 2: Phách tạo ra từ 2 nguồn âm tần số 4000Hz và 4001 Hz
Để tạo ra hiệu ứng phách ta có thể sử dụng 2 ĐTDĐ phát hai âm thanh có tần số chênh lệch nhỏ với nhau Ta cũng có thể sử dụng ĐTDĐ là một nguồn âm còn nguồn âm thứ hai chính là loa của máy tính Tín hiệu phách có thể được nghe trực tiếp hoặc được
thu lại nhờ phần mềm Wavepad sound editor để quan sát được sự biến thiên biên độ dao
động của tín hiệu phách theo thời gian Trong thí nghiệm ở hình 2, chúng tôi chọn nguồn
âm có tần số f1 = 4000 Hz và f2=4001 Hz Ta cũng có thể lặp lại thí nghiệm với các tần số
f1 và f2 khác nhau để kiểm nghiệm lại công thức tính tần số phách f = |f1 - f2|
Thí nghiệm 2: Đo tốc độ truyền âm trong không khí
Sử dụng chức năng ghi âm bằng ĐTDĐ và khảo sát âm thanh thu được bằng phần mềm trên máy tính ta có thể đo được tốc độ truyền âm trong không khí Cách tiến hành như sau:
- Đặt hai ĐTDĐ có chức năng ghi âm hoặc một ĐTDĐ và một máy tính có thể ghi
Trang 3- Dừng chế độ thu âm và chuyển tín hiệu âm thanh vào máy vi tính (qua cổng USB, Bluetooth hoặc email)
- Dùng phần mềm Wavepad sound editor mở hai files âm thanh đã thu được và so
sánh thời gian giữa 2 tín hiệu âm giữa các files, ta thấy khoảng thời gian giữa hai tín hiệu
âm thanh ghi được trên ĐTDĐ 2 lớn hơn khoảng thời gian ghi được trên trên ĐTDĐ 1 một khoảng (Hình 3) Sự chênh lệch thời gian này chính bằng thời gian âm thanh đi được quãng đường d Do đó ta có thể tính được vận tốc truyền âm thanh trong không khí theo công thức:
Hình 3: Tín hiệu âm thanh thu được trên hai điện thoại đặt cách nhau một khoảng
d
Trong thí nghiệm này với khoảng cách d = 3,5 m, bằng nhiều lần đo ta thu được
= 0,0102 s và tính được tốc độ truyền âm v = 343 m/s
Thí nghiệm 3: Đo gia tốc rơi tự do
Với vai trò như một nguồn âm di động, ta có thể sử dụng ĐTDĐ để tiến hành thí nghiệm đo gia tốc rơi tự do dựa trên hiệu ứng Doppler [2] Theo hiệu ứng Doppler, nếu
một vật chuyển động với vận tốc v hướng tới máy thu đứng yên thì tần số âm thu được
phụ thuộc vào vận tốc của vật theo công thức (1), trong đó f o là tần số nguồn
âm và v o là vận tốc âm, v là vận tốc của vật so với nguồn Nếu vật chuyển động rơi tự do
với vận tốc đầu bằng 0 thì v = gt với g là gia tốc rơi tự do Vì vậy, (2) Nhờ
các phần mềm trên máy tính, ta có thể xác định được các giá trị của tần số f của máy thu
theo thời gian Từ đó, ta sẽ tính được g theo công thức (2) bằng phương pháp tuyến tính hóa Để thực hiện việc đó, ta tiến hành như sau:
Trang 4- Sử dụng phần mềm Tone gen Pro tạo ra âm 5000Hz từ điện thoại di động Cho
ĐTDĐ rơi tự do từ độ cao 1 m sao cho micro của máy tính nằm trên phương rơi Để bảo
vệ ĐTDĐ tránh khỏi va đập trong quá trình rơi, ta có thể hứng bên dưới một tấm lưới
trùng Âm thanh được thu bằng phần mềm Wavepad sound editor, rồi lưu lại dưới dạng file wav Sử dụng phần mềm SPEAR để lọc và khảo sát sự biến thiên của tần số âm thu
được theo thời gian, ta được đồ thị như hình 4:
Hình 4 Giao diện phần mềm SPEAR khảo sát sự phụ thuộc tần số theo thời gian
- Ta thấy khi nguồn âm (ĐTDĐ) rơi tự do, tần số tăng theo thời gian dưới dạng hàm tuyến tính Để khảo sát sự phụ thuộc này, ta xuất dữ liệu tần số theo thời gian từ
phần mềm SPEAR ra file dulieu.txt Nhập số liệu thu được trong file dulieu.txt vào phần mềm Excel để tuyến tính hóa thông số theo t, ta thu được hệ số góc đồ thị có giá trị
chính là tỉ số (Hình 5) Lấy vận tốc âm thanh trong không khí v = 344 m/s,
ta tính được gia tốc rơi tự do g = 9,8 m/s2
Trang 5- Trong cuộc sống có nhiều thiết bị điều khiển từ xa sử dụng tia hồng ngoại có bước sóng trong khoảng từ 0,86μm đến 0,98μm như tivi, quạt, đầu video
- Mặc dù mắt thường không thể nhìn được tia hồng ngoại, nhưng với sự hỗ trợ của ĐTDĐ, ta có thể dễ dàng quan sát sự nhiễu xạ của tia hồng ngoại qua cách tử nhiễu xạ (có thể được tạo ra bằng cách cạo bớt phần kim loại trên đĩa CD)
Ta bố trí thí nghiệm như hình 6:
Hình 6: Quan sát tia hồng ngoại qua cách tử nhiễu xạ bằng camera của ĐTDĐ
Hướng điều khiển ti vi vào camera của ĐTDĐ, dùng chức năng chụp ảnh của ĐTDĐ ta thấy, khi điều khiển ti vi được kích hoạt, trên màn hình sẽ quan sát được chấm sáng của đèn hồng ngoại trên điều khiển
Đặt giữa điều khiển ti vi và ĐTDĐ một cách tử nhiễu xạ ta thấy chấm sáng trên điện thoại được tách thành nhiều chấm nhỏ cách đều nhau Đây chính là hình ảnh giao thoa qua cách tử nhiễu xạ của tia hồng ngoại phát ra từ điều khiển ti vi
3.3 Sử dụng ĐTDĐ để phân tích băng hình
Phần mềm phân tích băng hình chạy trên máy vi tính đã được nhiều nhà nghiên cứu lí luận dạy học vật lí phát triển và xây dựng Gần đây đã có một số phần mềm phân tích băng hình lập trình cho ĐTDĐ, tiêu biểu là phần mềm Video Physics Phần mềm này cho phép phân tích các đoạn phim quay bằng chính ĐTDĐ để rút ra quy luật chuyển động của các vật Cách tiến hành được thực hiện như sau
- Mở chương trình Video physics Lựa chọn chức năng quay quá trình chuyển động của vật (hình 7a) Sau đó, đặt ĐTDĐ đủ xa vật và phương của điện thoại song song với mặt phẳng chuyển động của vật Đặt một vật thể có kích thước biết trước nằm trong mặt phẳng chuyển động của vật để làm thang tỉ lệ Lựa chọn thang tỉ lệ theo vật đã định trước, rồi lựa chọn hệ tọa độ
- Đánh dấu vị trí vật liên tiếp bằng cách dịch chuyển ô đánh dấu trên màn hình (Hình 7b) Phần mềm sẽ tự động xác định quỹ đạo của vật, sự biến thiên vận tốc của vật trên hai phương ox và oy theo thời gian (hình 7c và 7d)
Điều khiển TV Cách tử
Trang 6Hình 7a Ghi hình vật
rơi tự do Hình 7b Đánh dấu vị trí vật Hình 7c Đồ thị y -t Hình 7d Đồ thị vy -t
4 Sử dụng ĐTDĐ để chạy chương trình mô phỏng
Với các điện thoại thông minh ta có thể chạy các phần mềm mô phỏng do các chuyên gia lập trình viết riêng cho ĐTDĐ Chẳng hạn như các phần mềm sau:
Wtunnel – Pro: Phần mềm mô phỏng đường dòng trong chất khí (Hình 8) Phần
mềm cho phép người dùng vẽ các vật cản với hình dạng tùy ý Ứng với mỗi vật cản, phần mềm sẽ tính lực cản, lực nâng tương ứng Với phần mềm này, ta có thể tìm ra hình dạng tối ưu của các vật sao cho có lực cản nhỏ nhất, lực nâng lớn nhất
PB Lenes: Là phần mềm mô phỏng quang hình học, mô tả quá trình truyền sáng,
tạo ảnh qua các thấu kính và qua một mặt lưỡng chất cầu (hình 9) Phần mềm cũng cho phép thay đổi các thông số của hệ thấu kính như tiêu cự các thấu kính, khoảng cách từ vật tới thấu kính…
Trang 7- Phần mềm Newton’s Balls: Phần mềm này mô phỏng hệ 5 con lắc của Newton
Với mô phỏng này, ta có thể tìm hiểu các quy luật về va chạm cũng như các định luật bảo toàn
- Các sách tương tác: Ngoài các phần mềm, trong ĐTDĐ còn có một số sách điện
tử về vật lí Các sách vật lí này có thể tương tác với người đọc dưới dạng các bài tập mở
5 Trò chơi trên ĐTDĐ: vật lí hay phi vật lí
Một trong những yêu cầu của dạy học vật lí là phải xuất phát từ quan niệm, kiến thức sẵn có của học sinh Những quan niệm đó có thể đúng nhưng cũng có thể chưa chính xác về mặt khoa học Nguồn gốc hình thành các quan niệm này chính là thông qua những kênh thông tin đại chúng như đài, báo, truyền hình hoặc thông qua các ấn phẩm phổ thông như truyện tranh, sách phổ biến khoa học Khi công nghệ thông tin phát triển, nội dung các trò chơi mang tính vật lí đôi khi cũng hình thành những quan niệm về vật lí Dưới đây, chúng tôi xin lấy ví dụ về hai trò chơi có thể chạy trên ĐTDĐ để minh họa về những quan niệm vật lí được hình thành qua các trò chơi này
- Trò chơi “Angry bird”: Trò chơi này được phát triển chơi cả trên máy tính và
trên ĐTDĐ Trong trò chơi này, người chơi bắn phá những mục tiêu bằng các viên đạn chính là các loài chim khác nhau, với mỗi loài chim lại có thể có những tính năng khác nhau như tự tách làm 3, thả bom, tăng tốc, tự nổ Điều đáng nói trong trò chơi này là quỹ đạo của các loài chim khi bắn được mô phỏng tuân theo khá tốt quy luật của các vật chuyển động bị ném xiên (Hình 10) Ngoài ra các quá trình va chạm tuân theo định luật bảo toàn động lượng
Với trò chơi này, người chơi có thể hình thành các quan niệm khá chính xác về các quy luật vật lí có liên quan như: chuyển động vật bị ném xiên, định luật bảo toàn và chuyển hóa cơ năng (thay đổi vận tốc bắn bằng cách kéo dây cao su biến dạng nhiều hay ít), bảo toàn động lượng (khi loại đạn chim trắng thả bom hoặc khi loại đạn chim xanh tách thành ba)
Hình 10 Quỹ đạo parabol trong trò
chơi “Angry birds”
Hình 11 Mô hình dẫn đến quan niệm sai về dòng điện trong trò chơi “Crazy electric”
- Trò chơi “Crazy Electric”: Nhiệm vụ của người chơi trong trò chơi này là phải
thắp sáng một bóng đèn bằng cách nối các dây dẫn liên tục từ một nguồn tới một bóng đèn Với ý tưởng như vậy, tác giả trò chơi vô tình đã khiến học sinh hiểu không đúng về
Trang 8khái niệm dòng điện trong mạch điện Đây là một trong những quan niệm sai lầm rất phổ biến ở học sinh mà nhiều nghiên cứu đã chỉ ra [3] Học sinh quan niệm dòng điện chạy từ một cực của nguồn điện tới thắp sáng bóng đèn (Hình 11)
Trên đây là hai trong rất nhiều trò chơi trên ĐTDĐ mà qua đó, học sinh hình thành các quan niệm khác nhau về các hiện tượng vật lí
6 Thay lời kết
ĐTDĐ có thể được sử dụng như là một phương tiện dạy học dành cho giáo viên Tuy nhiên nó sẽ có ý nghĩa hơn nếu được học sinh sử dụng theo các mục đích sau:
- Tiến hành thí nghiệm ở nhà: ĐTDĐ là khá phổ biến nên học sinh có thể tiến hành các thí nghiệm với ĐTDĐ ngoài giờ lên lớp, ở nhà Ngoài các thí nghiệm đã trình bày ở trên, ta có thể tiến hành thêm một số thí nghiệm với ĐTDĐ như sự truyền âm, giao thoa sóng âm, nguyên tắc thu phát sóng điện từ, màn chắn sóng điện từ …
- Khảo sát các đối tượng thực quanh ta: Với sự linh động của ĐTDĐ, học sinh có thể ghi lại chuyển động của các sự vật, hiện tượng bất kì hoặc các âm thanh từ các nguồn
âm trong cuộc sống, sau đó, phân tích tính chất các chuyển động hoặc đặc trưng của các nguồn âm Hơn thế nữa, việc có thể tiến hành những thí nghiệm khoa học với những vật dụng thường ngày giúp đưa kiến thức học ở trường gắn liền với thực tiễn nên nâng cao hứng thú của học sinh đối với môn vật lí
- Rèn luyện tư duy phê phán: Học sinh được giao nhiệm vụ phân tích yếu tố vật lí
trong các trò chơi vật lí Chẳng hạn với trò chơi Angry birds học sinh có thể sử dụng các
phần mềm quay màn hình, rồi sau đó sử dụng phần mềm phân tích băng hình để kiểm nghiệm lại tính đúng đắn của các mô phỏng trong trò chơi Cũng có thể giao nhiệm vụ cho học sinh tìm ra sự khác biệt giữa những yếu tố trong các mô phỏng với hiện tượng thực tiễn để giúp học sinh rèn luyện tư duy phê phán, hình thành năng lực đánh giá
Tài liệu tham khảo
[1] Phạm Xuân Quế: Sử dụng máy vi tính phân tích băng hình nghiên cứu các quá trình vật lí trong dạy học ở trường phổ thông Tạp chí nghiên cứu Giáo dục, số 11(1999), Tr
18 – 19
[2] Vogt, P.; Schwarz, O.; Walther, A (2004): Doppler-Messungen am Mikrofonpendel In: PdN-Ph., 3, 8-10
[3] Rhöneck, C v., Niedderer, H.: Schülervorstellungen und ihre Bedeutung beim Physiklernen In: H Mikelskis (Hrsg.): Physikdidaktik, Berlin: Cornelsen Scriptor
(2006), 52-73
