Ở nước ta, trong những năm gần đây, thực hiện việc nghiên cứu đổi mới nội dung phương pháp dạy học nhằm bồi dưỡng cho HS các phương pháp nhận thức khoa học, phát triển năng lực giải quyế
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC
TRẦN VĂN THUẬN
GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG "DAO ĐỘNG CƠ" VẬT LÝ LỚP
12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG BẰNG NGÔN NGỮ LẬP
TRÌNH MATLAB
LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÝ
Chuyên ngành: LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC BỘ MÔN VẬT LÝ
Mã số: 601410
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS BÙI VĂN LOÁT
HÀ NỘI – 2012
Trang 2MỤC LỤC
Lời cảm ơn……… i
Danh mục viết tắt………ii
Danh mục các bảng hình……….iii
Mục lục………iV MỞ ĐẦU 1
Chương 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA HOẠT ĐỘNG GIẢI BÀI TẬP VẬT LÍ PHỔ THÔNG CÓ SỰ HỖ TRỢ CỦA PHẦN MỀM MATLAP 5
1.1 Những vấn đề lí luận về dạy giải bài tập Vật lí……… 5
1.1.1 Khái niệm về bài tập Vật lí ……….5
1.1.2 Vai trò của bài tập vật lí ……….……5
1.1.3 Phân loại bài tập vật lí ………7
1.1.4 Phương pháp giải bài tập vật lí ……….13
1.1.5 Hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí……… 16
1.1.5.2 Hướng dẫn tìm tòi (Hướng dẫn Ơrixtic)……… …… 17
1.2.Vai trò, ý nghĩa của việc sử dụng công nghệ thông tin trong dạy học….…… 19
1.2.1 Giáo dục và công nghệ……… 19
1.2.2 Vai trò của CNTT trong dạy học Vật lí……….20
1.2.3 Khai thác và sử dụng một số phần mềm để dạy học môn Vật lí…… 21
1.2.4 Ưu điểm và hạn chế của việc ứng dụng CNTT trong dạy học Vật lí…22 1.3 Giới thiệu phần mềm Matlab 23
1.3.1 Các kiểu dữ liệu……….24
1.3.2 Các phép tính với ma trận……… … 24
1.3.3 Cú pháp……….25
1.3.4 Cú pháp đặc biệt (syntactic sugar)……….26
1.3.5 Tính năng vẽ đồ thị……… 26
1.4 Thực trạng của việc sử dụng CNTT trong dạy học vật lí ở một số trường phổ thông……….27
Trang 31.4.1 Đối với giáo viên……… 27
1.4.2 Đối với học sinh………29
Kết luận chương 1 30
Chương 2: HỆ THỐNG BÀI TẬP VÀ HƯỚNG DẪN HOẠT ĐỘNG GIẢI BÀI TẬP CHƯƠNG DAO ĐỘNG CƠ VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA PHẦN MỀM MATLAB………31
2.1 Phân tích nội dung kiến thức phần “Dao động cơ ” chương trình Vật lí 12 Cơ bản……….……31
2.1.1 Vị trí chương “Dao động cơ ” trong chương trình Vật lí 12 cơ bản… 31
1.2 Chuẩn kiến thức, kĩ năng……… ……… 31
2.1.3 Sơ đồ cấu trúc nội dung chương………33
2.2 Tóm tắt mội dung kiến thức cơ bản……… 35
2.2.1 Các khái niệm cơ bản ……… 35
2.2.2 Các công thức sử dụng……… 35
2.3 Đặc điểm, cấu trúc nội dung chương “Dao động cơ ” vật lí 12 Ban cơ bản 37
2.3.1 Nội dung chương trình Vật lý 12 Cơ bản 37
2.3.2 Về phân phối chương trình 38
2.4 Phân loại và soạn thảo hệ thống bài tập chương Dao động cơ…… 38
2.4.1 Phân loại bài tập chương Dao động cơ……….38
2.4.2 Soạn thảo hệ thống bài tập chương Dao động cơ……… 39
2.4.3 Sử dụng phần mềm Matlab xây dựng hệ thống bài tập đã soạn thảo 41
Kết luận chương 2……… 61
Trang 4Chương 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM……… 61
3.1 Mục đích và nhiệm vụ của TNSP……….62
3.2 Đối tượng, thời gian và phương thức TNSP 62
3.2.1 Đối tượng thực nghiệm sư phạm 62
3.3 Phân tích và đánh giá thực nghiệm sư phạm 63
3.3.1 Phân tích định tính diễn biến các giờ học trong quá trình TNSP 63
3.3.2 Kết quả TNSP của các lớp TN và ĐC……… 65
Kết luận chương 3………71
KẾT LUẬN………73
TÀI LIỆU THAM KHẢO………76
PHỤ LỤC……… ……… 78
Trang 5Trước tình hình đó, Bộ Giáo dục và Đào tạo cần thay đổi đồng bộ các thành tố của quá trình dạy học về mục tiêu, nội dung, phương pháp, hình thức tổ chức, phương tiện, kiểm tra đánh giá nhằm kích thích khả năng tư duy, sáng tạo, năng lực giải quyết vấn đề của học sinh (HS), đổi mới phương pháp dạy học nhằm tạo được những con người có khả năng đáp ứng được với những yêu cầu của thị trường lao động
Ở nước ta, trong những năm gần đây, thực hiện việc nghiên cứu đổi mới nội dung phương pháp dạy học nhằm bồi dưỡng cho HS các phương pháp nhận thức khoa học, phát triển năng lực giải quyết vấn đề trong quá trình dạy học nói chung và dạy Vật lý nói riêng đã thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà lý luận dạy học, các giáo viên phổ thông
Quá trình dạy học Vật lí có thể nâng cao chất lượng học tập và phát triển năng lực của học sinh bằng nhiều phương pháp, cách thức khác nhau Trong đó giải bài tập vật lí với tư cách là một phương pháp được xác định từ lâu trong giảng dạy Vật lí có tác dụng tích cực đến việc giáo dục và phát triển năng lực của học sinh Đó là một thước đo đúng đắn, thực chất sự tiếp thu, vận dụng kiến thức và kĩ năng, kĩ xảo của học sinh Bài tập Vật lí giúp học sinh hiểu sâu sắc hơn những quy luật vật lí, những hiện tượng vật lí, biết phân tích những vấn đề thực tiễn Thông qua việc giải các dạng bài tập, học sinh vận dụng kiến thức để
tự lực giải quyết thành công những tình huống cụ thể khác thì kiến thức đó mới trở nên sâu sắc, hoàn thiện và biến thành vốn kiến thức riêng của mình
Trang 6Việc sử dụng phần mềm để mô phỏng, mô hình hóa các hiện tượng Vật lý giúp học sinh nhận thức vấn đề, nhận thức các hiện tượng vật lý một cách trực quan Việc dạy học Vật lý với sự hỗ trợ của các phần mềm sẽ tiết kiệm thời gian
tổ chức hoạt động nhận thức, tăng thời gian thảo luận và giải quyết vấn đề thuộc bản chất của hiện tượng Với việc sử dụng phần mềm, mô hình để trong dạy học Vật lý sẽ cho phép tăng cường việc tương tác giữa người dạy và người học Matlab là một môi trường tính toán số được phát triển bởi The MathWorks, Matlab một trong những ngôn ngữ lập trình rất mạnh ngày càng được sử dụng nhiều trong kỹ thuật và Vật lý Nó có thể thiết kế để giải các bài toán bằng số, tích hợp tính toán, hiện thị và lập trình trong một môi trường dễ sử dụng Các ứng dụng tiêu biểu của Matlab như là hỗ trợ toán học và tính toán, mô hình, mô phỏng, phân tích, khảo sát và hiển' thị số liệu, đồ thị Vì thế, chúng tôi
chọn đề tài “Giải bài tập chương "Dao động cơ" vật lý 12 trung học phổ thông bằng ngôn ngữ lập trình Matlab”
2 Mục tiêu nghiên cứu
Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlap để giải bài tập chương “Dao động cơ ” sách giáo khoa Vật lý 12 cơ bản và thiết kế phương án dạy học với các bài tập
5 Câu hỏi nghiên cứu
Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlap để giải bài tập chương “Dao động cơ”
và phương án thiết kế dạy bài tập đó như thế nào?
6 Giả thuyết khoa học
Trang 7Sử dụng ngôn ngữ Matlap lập trình các bài tập chương “Dao động cơ ” với độ trực quan và khả năng khái quát hóa cao nhằm phát huy tính tích cực của
HS
7 Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu tài liệu, sách báo liên quan đến đề tài để xác định cơ sở lí luận của việc xây dựng bải tập Vật lý chương “Dao động cơ ” nhằm phát huy tính
tích cực nhận thức cho HS
Điều tra, khảo sát tình hình dạy học bài tập và việc ứng dụng công nghệ thông tin (CNTT) trong giảng dạy phần “Dao động cơ ” sách giáo khoa Vật lý
12 cơ bản
Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab xây dựng các dạng bài tập trong sách
giáo khoa phần “Dao động cơ ” sách giáo khoa Vật lý 12 cơ bản
Thiết kế phương án dạy học phần “Dao động cơ ” sách giáo khoa Vật lý
12 Ban cơ bản với các dạng bài tập đã xây dựng
Thực nghiệm sư phạm, kiểm nghiệm tính hiệu quả của các dạng bài tập
đã thiết kế trong dạy học phần “Dao động cơ " sách giáo khoa Vật lý 12 cơ bản
8 Phương pháp nghiên cứu
8.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết
Nghiên cứu các tài liệu, sách báo liên quan đến đề tài nghiên cứu nhằm xác định cơ sở lý luận của đề tài
8.2 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn
Điều tra giáo dục: Phỏng vấn gián tiếp bằng phiếu hỏi và toạ đàm trực tiếp với các đối tượng là giáo viên, học sinh về thực trạng dạy học vật lý ở trường phổ thông
Quan sát sư phạm: Dự giờ của giáo viên vật lý
* Thực nghiệm sư phạm
Tiến hành dạy một số tiết học có sử dụng phần mềm dạy học theo hướng tích hóa hoạt động nhận thức của học sinh; quan sát, kiểm tra đánh giá hoạt động
Trang 8của HS khi học các giờ học này, sau đó so sánh với các lớp đối chứng; kết hợp với việc trao đổi ý kiến của GV về các bài học có sử dụng phần mền thí nghiệm
ảo này
* Thống kê toán học
Sử dụng phương pháp thống kê toán học để xử lý số liệu TNSP, so sánh kết quả học tập của hai nhóm thực nghiệm và đối chứng, từ đó rút ra nhận xét nhằm kiểm chứng giả thuyết khoa học của đề tài
Tạo ra một số mô hình có giá trị thực tiễn
10 Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục, nội dung chính của luận văn được chia thành 3 chương
Chương 1: Cơ sở lý luận và thực tiễn của hoạt động dạy giải bài tập vật lí phổ thông có sự hỗ trợ của ngôn ngữ lập trình Matlab
Chương 2: Soạn thảo hệ thống bài tập và tổ chức hoạt động dạy học với
các hệ thống bài tập có sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab vào chương “Dao động cơ " Sách giáo khoa Vật lý 12 cơ bản
Chương 3: Thực nghiệm sư phạm
CHƯƠNG 1
CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA HOẠT ĐỘNG DẠY
GIẢI BÀI TẬP VẬT LÍ PHỔ THÔNG CÓ SỰ HỖ TRỢ CỦA
PHẦN MỀM TOÁN HỌC MATLAB 1.1 Những vấn đề lí luận về dạy giải bài tập Vật lí
1.1.1 Khái niệm về bài tập Vật lí [1]
Trang 9Theo X.E Camenetxki và V.P.Oorrekhop « Trong thực tế dạy học, bài tập Vật lí được hiểu là một vấn đề được đặt ra mà trong trường hợp tổng quát đòi hỏi những suy luận logic, những phép toán và thí nghiệm dựa trên cơ sở các định luật và các phương pháp vật lí » Trong các tài liệu giáo khoa cũng như các tài liệu về phương pháp dạy học bộ môn người ta thường hiểu bài tập Vật lí
là những bài luyện tập được lựa chọn một cách phù hợp với mục đích chủ yếu là nghiên cứu các hiện tượng Vật lí, hình thành các khái niệm, phát triển tư duy Vật lí của học sinh và rèn kĩ năng vận dụng kiến thức của học sinh vào thực tiễn
1.1.2 Vai trò của bài tập vật lí [1]
Thông qua dạy học về bài tập vật lí, người học có thể nắm vững một cách chính xác, sâu sắc và toàn diện hơn những quy luật Vật lí, những hiện tượng Vật
lí, biết cách phân tích chúng và ứng dụng chúng vào các vấn đề thực tiễn
Bài tập Vật lí có thể được sử dụng như một phương tiện độc đáo để nghiên cứu tài liệu mới khi trang bị kiến thức cho học sinh
Bài tập vật lí còn là hình thức củng cố, ôn tập, hệ thống hóa kiến thức và
là phương tiện để kiểm tra kiến thức, kĩ năng của học sinh
Bài tập Vật lí còn có ý nghĩa to lớn trong việc giáo dục kĩ thuật tổng hợp Các bài tập Vật lí có thể đề cập đến các lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống, khoa học kĩ thuật, thông tin liên lạc, giao thông vận tải, sản xuất nông nghiệp Bài tập Vật lí góp phần xây dựng một thế giới quan duy vật biện chứng cho học sinh, làm cho họ hiểu rõ thế giới tự nhiên là thế giới vật chất, vật chất luôn ở trạng thái vận động, họ mong muốn đem tài năng và trí tuệ của mình cải tạo thiên nhiên
Giải bài tập vật lí không phải là một công việc nhẹ nhàng, nó đòi hỏi sự làm việc căng thẳng, tích cực của học sinh, một sựu vận dụng tổng hợp những kiến thức, kinh nghiệm đã có thể tìm lời giải nêu ra trong bài tập vật lí
1.1.3 Phân loại bài tập vật lí [9]
Các bài tập vật lí khác nhau về nội dung và mục đích dạy học, trong dạy học vật lí có thể phân loại chúng theo các cách sau:
- Phân loại theo nội dung
Trang 10- Phân loại theo phương thức cho điều kiện và phương thức giải
- Phân loại theo yêu cầu luyện tập kĩ năng, phát triển tư duy sáng tạo của học sinh
Hình 1.1 Phân loại bài tập vật lí
1.1.3.1 Phân loại bài tập theo nội dung
1.1.3.2 Phân loại theo phương thức cho điều kiện và phương thức giải
Theo đó, người ta sẽ phân ra thành các dạng: bài tập định tính, bài tập định lượng, bài tập thí nghiệm, bài tập đồ thị, bài tập trắc nghiệm khách quan
- Bài tập định tính: Có hai loại bài tập định tính là: Giải thích hiện
tượng và dự đoán hiện tượng
- Bài tập định lượng (bài tập tính toán): Đó là các bài tập khi giải phải
sử dụng các phương pháp Toán học, bằng cách dựa trên các định luật, các quy tắc và công thức Vật lí
Phân loại theo phương thức cho điều kiện và phương thức giải
Phân loại theo
nội dung
BÀI TẬP VẬT LÍ
Phân loại theo yêu cầu phát triển tư duy
Bài tập luyệ
n tập
Bài tập sáng tạo
Bài tập
đồ thị
Trắc nghiêm khách quan
Bài tập định tính
Bài tập định lượn
g
Bài tập thí nghiệ
Kĩ thu
ật tổng hợp
Bài tập
có nội dun
g lịch
sử
Cơ Nhiệt Điện Quang
Bài tập vật lí vui
Trang 11SƠ ĐỒ LẬP LUẬN THEO PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
Định luật 1(Công thức 1) x= f(y,z)
Hình 1.3
Hai phương pháp trên đều có giá trị như nhau, chúng bổ sung cho nhau Phương pháp phân tích nếu tìm được công thức đúng thì nhanh chóng hướng tới kết quả bài toán
- Bài tập thí nghiệm: là loại bài tập đòi hỏi phải làm thí nghiệm để
kiểm chứng lời giải bằng lí thuyết hoặc tìm những số liệu cần thiết cho bài tập
Trang 12- Bài tập đồ thị: là bài tập trong đó các số liệu được dùng làm dữ
kiện để giải phải tìm trong đồ thị đã cho trước hoặc ngược lại
- Bài tập trắc nghiệm khách quan: bài tập dạng trắc nghiệm
khách quan thường dùng để kiểm tra kiến thức trong phạm vi rộng, số lượng người được kiểm tra nhiều, kết quả thu được khách quan không phụ thuộc người chấm
1.1.4 Phương pháp giải bài tập vật lí
Đối với học sinh phổ thông, vấn đề giải và sửa bài tập gặp không ít khó
khăn vì học sinh thường không có kiến thức lý thuyết chắc chắn và kĩ năng vận dụng kiến thức vật lí còn hạn chế
Việc rèn luyện cho học sinh biết cách giải bài tập một cách khoa học, đảm bảo đi đến kết quả một cách chính xác là một việc rất cần thiết
Quá trình giải một bài tập vật lí thực chất là quá trình tìm hiểu điều kiện của bài tập, xem xét hiện tượng vật lí, xác lập được những mối liên hệ cụ thể dựa trên sự vận dụng kiến thức vật lí vào điều kiện cụ thể của bài tập đã cho
Quá trình giải một bài tập Vật lí, đặc biệt là giải một bài tập phức tạp, có
thể trải qua các bước chính sau [10]
Bước 1 Tìm hiểu đề bài
Bước 2 Xác lập mối liên hệ của các dữ kiện xuất phát với cái phải tìm
Bước 3 Luận giải rút ra kết quả cần tìm
Bước 4 Kiểm tra và biện luận kết quả
Đối với bài tập phần chương Dao động cơ, việc hướng dẫn học sinh giải bài tập là quan trọng Thực tế cho thấy học sinh chỉ có thể giải bài tập nếu học sinh có kiến thức lý thuyết chắc chắn và thực hiện thành thạo các bước giải bài tập vật lí nói chung Phương pháp giải bài tập chương dao động cơ cũng có đầy
đủ các bước giải giống như phương pháp giải bài tập vật lí nói chung
Bước 1 Tìm hiểu đề bài
Bước 2 Lập mối liên hệ của các dữ kiện xuất phát với cái phải tìm Bước 3 Luận giải rút ra kết quả cần tìm
Trang 131.1.5 Hướng dẫn học sinh giải bài tập vật lí
Để việc hướng dẫn giải bài tâp cho học sinh có hiệu quả, thì trước hết giáo viên phải giải được bài tập đó Ta có thể minh họa bằng sơ đồ sau:
Hình 1.4
1.1.5.1 Hướng dẫn theo mẫu (hướng dẫn Angorit)
1.1.5.2 Hướng dẫn tìm tòi
1.1.5.3 Định hướng khái quát chương trình hóa
Trong quá trình hướng dẫn học sinh giải bài tập không thể theo một khuôn mẫu nhất định, mà tùy thuộc vào nội dung, kiến thức, yêu cầu của bài toán, và còn tùy thuộc vào đối tượng học sinh mà chúng ta có cách lựa chọn kiểu hướng dẫn cho phù hợp
1.2 Vai trò, ý nghĩa của việc sử dụng công nghệ thông tin trong dạy học
1.2.1 Giáo dục và công nghệ [14]
Công nghệ có nghĩa đơn giản là kỹ thuật hoặc công cụ và những phương pháp có thể áp dụng được để giải quyết các vấn đề cụ thể hoặc thực hiện một mục tiêu nhất định
Hiện nay tất cả mọi người đều công nhận rằng HS phải tiếp cận được máy
vi tính, video và các công nghệ hiện đại khác, công nghệ này là cần thiết vì khả năng sử dụng chúng là đặc điểm thiết yếu cho việc chuẩn bị nghề nghiệp của
HS
Tư duy giải
bài tập vật lí
Phân tích phương pháp giải bài tập vật
lí cụ thể
Mục đích sư
phạm
Xác dịnh kiểu hướng dẫn
Phương pháp hướng dẫn giải bài tập vật lí cụ thể
Trang 141.2.2 Vai trò của CNTT trong dạy học Vật lí
Vai trò của CNTT trong dạy học đã thật sự trao quyền chủ động cho HS
và thay đổi cả PPDH của GV Từ vai trò quyết định trong việc học hiện nay người thầy chuyển sang giữ vai trò điều khiển (theo kiểu dạy học lấy HS làm trung tâm) Kiểu dạy học hướng vào HS và hoạt động hóa người học có thể thực hiện được một cách tốt hơn với sự giúp đỡ của máy tính và mạng internet
Đối với ngành Vật lí, ứng dụng CNTT trong dạy học sẽ là một bước chuyển trong qúa trình đổi mới nội dung và PPDH Cụ thể là [14]
- CNTT là một công cụ hỗ trợ đắc lực cho việc xây dựng các kiến thức mới
- CNTT tạo môi trường để khám phá kiến thức nhằm hỗ trợ cho quá trình học tập
- CNTT tạo môi trường để hỗ trợ học tập qua thực hành, qua cộng đồng và qua phản ánh
- CNTT giúp cho việc đánh giá định tính và định lượng Vật lí chính xác, công bằng hơn
1.2.3 Khai thác và sử dụng một số phần mềm để dạy học môn Vật lí
Phần mềm Vật lí có thể kể đến sau đây: Phần mềm Crocodile Physics là phần mềm được dùng để thiết kế các thí nghiệm ảo môn Vật lí trong nhà trường phổ thông; PAKMA là một phần mềm chuyên dụng cho bộ môn Vật lí phần mềm eXe để tập huấn giúp giáo viên thiết kế nội dung học tập môn Vật lí; Working Model để thiết kế thí nghiệm mô phỏng Vật lí…
Việc sử dụng phần mềm trong giảng dạy là một hướng nghiên cứu còn mới mẻ cần được quan tâm nghiên cứu để tiếp tục phát triển
1.2.4 Ưu điểm và hạn chế của việc ứng dụng CNTT trong dạy học Vật lí
1.2.4.1 Ưu điểm
- Là công cụ đắc lực, hỗ trợ cho việc xây dựng kiến thức
- Giúp HS dễ hiểu bài, hiểu một cách sâu sắc hơn và nhớ bài lâu hơn do việc thu nhận thông tin từ các sự vật hiện tượng một cách sinh động, chính xác đầy đủ từ đó nâng cao hứng thú học tập, nâng cao lòng tin của học sinh vào khoa
