Thí nghiệm hóa học và máy tính

Thí nghiệm hóa học và máy tính

© _ Phát triển các phương tiện 3D va đa môi trường (mulimedia)

« - Hình thức và nội dung các trang Web

4 Implementation: Triển khai thực hiện: cần tích hợp với chương trình

công nghệ thông tin của trường học:

® _ Chuẩn bị cho phù hợp với thực tế các phòng máy tính

® _ Thủ tục tiến hành với thây

+ _ Triển khai trong toàn bộ các đối tượng dạy, học và quần lí

® - Quản lí tài nguyên (nhân lực và vật lực)

5 Evaluation: Lượng giá: đánh giá hiệu quả huấn luyện thường sử dụng mô hình bốn-bậc do Donald Kirkpatick phát triển (1994) Theo mô hình này, quá trình lượng giá luôn được tiến hành theo thứ

tự vì thông tin của bậc trước sẽ làm nền cho việc lượng giá ở bậc kế -

© Bac 1: Phan tng tich cực hay tiêu cực (Reactions)

« Bac 2: Hiéu qua hoc tap (Learnings) -

« _ Bậc 3: Khả năng chuyển giao hay chuyển đổi (Transfers)

e Bậc4: Kết quả thực tế (Results)

Hình 3-76 Mô hình lượng giá bốn-bậc theo Kirkpatrick

Nội dung đẩy đủ của các bước nêu khái quát ở trên cần được trình bày

riêng trong một tài liệu chỉ tiết vỀ mạng Internet và giáo dục

19

CHUGNG 4

THÍ NGHIỆM HÓA HỌC

VÀ MÁY TÍNH

A THỰC NGHIỆM TRONG GIẢNG DẠY HÓA HỌC

Thực nghiệm là một trong các đặc trưng của giảng dạy các bộ môn khoa học như hóa học Các nhà khoa học và giáo dục đều nhất trí rằng thực hành thí nghiệm giữ một vai trò quan trọng trong dạy-học hóa học, nhưng lại mơ hồ và

không thể xác định rõ ràng vì sao thực nghiệm lại thiết yếu như thế Hiệu quả của các hoạt động thực nghiệm nằm trong bản chất và nội dụng các hoạt động thực

nghiệm và những mục tiêu được dé ra

Có rất nhiều dạng hoạt động thực nghiệm như: phương pháp, rèn luyện kĩ

năng, minh họa của thầy để nêu tình huống thảo luận, các hoạt động giải quyết vấn để, và các hoạt động thực hành tự khám phá được thiết kế để giúp học sinh

kết luận tổng quát hóa Vì thế câu hỏi cần được đặt ra là loại hoạt động thực nghiệm nào cần được tiến hành để đạt được các mục tiêu cụ thể được để ra của

một nội dung học thuật, hoặc của cá quá trình đào tạo Tuy mục tiêu giáo dục các

môn khoa học thực nghiệm, trong đó có hóa học, thay đổi khá nhiều theo thời gian

và sự phát triển các lí thuyết đạy-học, công cụ dạy-học, tình huống dạy-học và hoàn cảnh kinh tế xã hội, các khảo sát gần đây (1982 đến 1998) cho thấy bốn mục

tiêu chung của thực nghiệm trong hóa học:

e khuyến khích quan sát và mô tả chính xác;

© _ làm cho các hiện tượng quan sát xác thực hơn;

s kích thích và đuy trì hứng thú học tập;

e _ cổ vũ cách tư duy logic và hợp lí

Tuy nhiên, trong khảo sát của Swain và các cộng sự vào năm 1998, một nhóm các mục tiêu sau đây được cho là có mức ưu tiên cao hơn trước:

© _ thực hành việc nhận ra vấn để và tìm kiếm cách giải quyết vấn đề;

© phat triển thái độ biết phân tích;

e phat triển khả năng cộng tác;

nhằm tìm ra được các sự kiện và đạt đến những nguyên lí mới

Với từng mục tiêu khác nhau, cũng cần các loại hoạt động thực hành khác nhau:

© các bài thí nghiệm minh họa ngắn để thảo luận và học tập các khái

niệm;

© các hoạt động thực hành để phát triển các kĩ năng và thao tác thực

hành;

18

e các hoạt động thực hành mở rộng để phát triển các kĩ năng khảo sát,

nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu trên, các hoạt động khoa học thực nghiệm phải

bao gồm:

¢ _ sử dụng các cách biểu diễn bằng đồ thị và biểu tượng;

© _ sử dụng các thiết bị và công cụ đo lường;

e kindng quan sat;

nghiệm được tiến hành trong nhà trường chỉ tập trung vào một phần nhỏ và không

mấy quan trọng là các thí nghiệm minh họa và định tính Các yêu cầu thực sự cần

thiết giúp phát triển tư duy khoa học và thực nghiệm như đổ thị, biểu tượng và bài thực nghiệm dạng để án khảo sát không được thực hiện trong chương trình Trong

“Sách tham khảo trong Giảng dạy môn Khoa học Tự nhiên” của Tổ chức Văn hóa Giáo dục Liên Hiệp Quốc (UNESCO, 1979) cũng đặt ra những yêu cầu và nội

dung rất cụ thể, trong đó có nhiều nội dung thực hành hóa học rất đơn giản nhưng

cũng rất hiện đại và thực tế như sắc kí lỏng, điện phân, thí nghiệm vi lượng được sử dụng rộng rãi trong chương trình của hầu hết các nước trên thế giới Những thiếu sót ấy trong nội dung chương trình hiện nay thường không phải từ lí

đo tài chính (hóa chất cần thiết là thông dụng và thiết bị đơn giản đã có sẵn hoặc

có thể tự tạo) hoặc huấn luyện (các thao tác thông thường) mà chủ yếu là do ý đỗ

thiết kế nội dung chương trình

B XỬ LÍ SỐ LIỆU TRONG KHOA HỌC THỰC NGHIỆM

Một trong những yêu câu cơ bản và quan trọng trong thực nghiệm khoa học

là nội dung đo lường và xử lí số liệu Có thể thực hiện điều này một cách tích cực

trong chương trình giảng đạy môn hóa học ở mọi cấp lớp Ví dụ dưới đây mình họa

một bài thực hành có thể thực hiện trong chương trình khối 10 trung học phổ thông:

184

I XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ELECTRON S TRONG NGUYEN TU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHÒNG TƯƠNG TỰ

1 Đặt vấn để

Trong chương trình hóa học lớp 10, học sinh từ cấp trung học cơ sở bỡ ngỡ bước vào chương trình trung học phổ thông môn hóa học và gặp ngay một loạt

những vấn để tương đối trừu tượng và khô khan gần suốt cả chương trình học kì

một Hóa học từ một bộ môn thực nghiệm với nhiễu thí nghiệm lí thú ở trung học

cơ sở, nay dường như lạ hẳn đi với cả một học kì đây những Hí thuyết, bài học

thuộc lòng, và những bài toán nhọc nin

Để trả môn học về với đặc trưng thực nghiệm của nó, tạo một nét ngắt cần thiết cho một học kì quá nặng nể, cũng như có thể kết hợp các hình thức cần sử

dụng trong nghiên cứu khoa học với phương pháp học tập khám phá hoặc kiểm

chứng, có thể thực hiện một bài thực hành về cấu trúc nguyên tử nhằm hình tượng

hóa những khái niệm quá trừữu tượng hoặc quá toán học, song vẫn dim bảo nội

dung khoa học cần thiết

Bài thực hành này dựa trên ý tưởng của một bài thực hành do Mary V

Orna (1994) sưu tập (trong Source Book, Vol.1, ChemSource Inc.) và đã được điều

chỉnh cho phù hợp với nội dung chương trình hiện hành, cũng như tạo điểu kiện

ứng dụng tin học để học sinh thấy được sự ưu việt của máy tính trong xử lí thông

tin khoa học

2 Giới thiệu bài thực hành

Khái niệm obitan nguyên tử, theo toán học, là một hàm sóng Về mặt thực

nghiệm, không thể nào xác định được xác suất hiện diện của electron tại các điểm

trong không gián quanh hạt nhân Tuy nhiên có thể có những cách khác nhau để

giới hạn vùng không gian trong đó có khoảng 95% hỉ vọng âm thấy electron Vùng không gian này, được gọi là obitan, thường được biểu điễn bằng đám mây tích điện khi vẽ trong sách vở hoặc bằng các mô hình nguyên tử làm từ nhựa dẻo

Vì không thể tiến hành thí nghiệm như trên, nên ta sẽ thực hiện một thí

nghiệm mô phỏng tương tự, giúp làm rõ các khái niệm về giản đổ xác suất phân

bố, bán kính xác suất cực đại, mật độ electron tối đa, và obitan

Trong thí nghiệm này, ta sẽ xác định khoảng không gian quanh một tâm điểm, trong khoảng không gian đó tổn tại một xác suất nhất định vị trí rơi của viên

bị từ một khoảng cách nhất định đến mục tiêu Những vết này giúp hình dung các

vị trí trong không gian quanh tâm điểm (rương tự hạt nhân) mà viên bì (tương tự

185

electron) quan sát được trong thí nghiệm xác định vùng không gian mà viên bi đã roi trúng (/ương tự obitan nguyên tử)

Ta cũng sẽ xác định bán kính của xác suất cực đại bằng cách vẽ giản đồ

biến thiên số vết rơi (tương tự vị trí electron quan sát được) chia cho diện tích vùng rơi theo khoảng cách từ tâm điểm (tương tự hạt nhân)

Bản mục tiêu l (trên) Bản mục tiêu 2 (dưới) Tờ giấy than (giữa)

Đặt tờ giấy than giữa hai tờ giấy

làm mục tiêu rơi để khi viên bi rơi trên

tờ giấy mục tiêu phía trên, thì cũng sẽ

tạo vết trên tờ giấy mục tiêu phía dưới

Học sinh A đứng cẩn thận trên

bục hay trên băng ghế, tay cầm sắn

viên bi Giơ chếch tay lên phía trước,

tạo góc khoảng 45° với chiều đứng,

cách mặt đất khoảng hai mét Học sinh

B cùng nhóm sẽ đặt bản mục tiêu trên

sàn, ngay phía dưới tay của bạn theo

chiểu thẳng đứng Học sinh A thả viên

bi rơi trên mục tiêu Học sinh B phải

chụp ngay viên bi khi nẩy lên lần thứ

nhất (nếu không ta sẽ có nhiều vết ứng

với một lần thả duy nhất) Lập lại thêm

5 Phân tích số liệu và phát triển nhận thức

Xác định 95 vết rơi gần tâm điểm nhất (95% của 100 vết) Vẽ bằng bút chì

một đường cong bao quanh vùng có 95 vết rơi nói trên Khu vực này giúp hình

dung hình ảnh hai chiểu “obitan” của “electron viên bì” (tương tự với vùng không

gian trong đó electron hiện diện đến 95% trong thí nghiệm định vị trong không

gian ba chiều)

Đếm số vết rơi trong mỗi vành tròn đồng tâm và ghỉ lại các số liệu trong

bảng dưới đây Nhân số vết rơi trong mỗi vùng với diện tích của vùng tương ứng

(để xác định xác suất) rồi cũng ghỉ lại vào bảng

(Mẫu báo cáo kết quả)

SO vanh | Bán kính lớn của | Khoảng cách Diện tích của | Số vết eta

đổng tâm | vành đổng tâm vành đổng tâm | vành trong vành vành

(1) Diện tích vùng giới hạn đồng tâm = [R2a„) ~ R2„] (cm?)

(2) Khoảng cách trung bình: khoảng cách từ tâm điểm đến trung điểm của vùng giới hạn đồng tâm = 3(Rạ + Rạ.¡) (cm)

Đã thị biểu diễn liên hệ giữa xác suất và khoảng cách tâm (kèm theo)

Bán kính của xác suất cực đại (xét từ đồ thị)

Chuẩn bị đồ thị bằng cách ghi các điểm tương ứng với khoảng cách trung bình trên trục hoành, xác suất tương ứng trên trục tung Dùng bút chì đen để bắt đầu vẽ hai đồ thị từ toạ độ 0,0 và kết thúc tiệm cận với trục x nhưng không tiếp

xúc với trục x,

Xác định bán kính xác suất cực đại từ đô thị (đỉnh của đường cong) và ghi vào nơi đành sẵn ở bảng trên Đây là khoảng cách từ tâm điểm (nhân) đến nơi hỉ vọng tìm thấy vết rơi của viên bi (hay sự có mặt của electron) là lớn nhất :

So sánh kết quả tìm được với đường cong xác suất hiện diện electron s c6

được từ phương trình sóng Vẽ lại đường cong xác suất hiện điện của electron s

bằng bút chì màu trên giản đổ đường cong thực nghiệm Nhận xét, so sánh

188

6 Ứng dụng tin học trong xử lí số liệu khoa học

Cũng có thể dùng phần mềm MS Excel để nhập số liệu và thiết lập đổ thị Điều này có ý nghĩa rất lớn trong việc đa dạng hóa các ứng dụng tin học thiết thực

vào các công việc thường ngày trong hoạt động dạy và học cũng như trong đời

sống, phù hợp với yêu cầu hiện đại hóa phương pháp giảng dạy và học tập

Khởi động MS Excel và nhập các số liệu thực nghiệm vào một worksheet

mới theo bảng sau:

$ố vành | Bán kính lớn của | Khoảng cách Diện tích của set Số vết x diện

đng tâm | vành đổng tâm vành đổng lâm | vành vàn tích vành

Dat tén cho worksheet la 1s.xls và ghi lại trong một folder phù hợp

Sau đó, dùng công cụ Chart Wizard để chuyển thành đồ thị kết quả như

yêu cầu của bài thực hành Tùy đối tượng học sinh mà có thể chỉ dừng lại ở 46 thi

đơn giản, hoặc sử dụng phép phân tích hỗi quy phi tuyến để có được kết quả thích

it, KẾT LUẬN

Nếu được chuẩn bị tốt, bài thực hành này chỉ chiếm khoảng 25-35 phút, thậm chí có thể phát bản hướng dẫn cùng các bản mục tiêu để học sinh làm ở nhà,

do đó không ảnh hưởng đến phân phối chương trình biện hành

Một nội dung thiết thực, được lồng vào khá nhiều yếu tố nghiên cứu khoa

học thực nghiệm, cùng với khả năng ứng dụng tin học một cách hiệu quả trong học

tập, bài thực hành này trong thực tế tiến hành đã có tác động chuyển biến tốt lên hứng thú học tập của học sinh, thể biện được nội dung của phương pháp dạy học hướng tập trung vào học sinh, tạo điều kiện cho việc học tập cộng tác, đồng thời

thỏa mãn sự hiểu biết phải có của học sinh về khái niệm xác suất trong lí thuyết

vé obitan nguyên tử ở một mức độ cần thiết

C THÍ NGHIỆM XỬ LÍ BẰNG MÁY TÍNH

1 TONG QUAN

Nửa sau thế kỉ thứ XX đã chứng kiến những phát triển công nghệ nhanh chóng không ngờ Thành quả quan trọng nhất trong thời kì này là quá trình tính

toán trọng nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau được cải thiện và thay đổi rất cơ bản

với việc sử đựng máy vi tính

Hóa học thường được biết đến như một ngành khoa học với các thí nghiệm

tiến hành trong các phòng thí nghiệm đẩy những chai lọ, dụng cụ thủy tinh và các hóa chất khác nhau Tuy nhiên, sự gia tăng quá trình điện toán hóa trong thời gian

gần đây cũng đã thay đổi những ứng dụng trong hóa học phân tích truyền thống cổ

điển, xuất hiện những phương pháp phân tích và đo lường mới, nhanh, nhạy, chính

xác và có độ tin cậy cao hơn rất nhiều so với những gì các nhà hóa học đã thực hiện một cách thủ công trong nhiều thế kỉ trước đó Các nhà hóa học của thế kỉ

XXI đã thực hiện một phần hoặc tất cả các thí nghiệm hóa học trên bàn máy tính

chứ không phải trong phòng thí nghiệm truyền thống Các phòng thí nghiệm truyền

thống cũng đã xuất hiện ngày càng nhiều hơn các thiết bị đo lường và phân tích dựa trên các ứng dụng của công nghệ thông tin Các thí nghiệm hóa học xử lí dùng

máy tính không chỉ có những thuận lợi như trong lĩnh vực nghiên cứu, mà còn có

thể thuận lợi hơn rất nhiều trong điều kiện thiếu thốn quá nhiều trang thiết bị thí

nghiệm, đặc biệt là các thí nghiệm hiện đại trong trường học hiện nay

Các ưu điểm của tin học hóa các quá trình thí nghiệm trong hóa học có thể

kể ra như sau:

190

1 Giúp thu ngắn thời gian cần thiết cho việc quan sát, thu nhận và xử lí

số liệu thí nghiệm

Thời gian là thiết yếu với các nhà nghiên cứu khoa học Tốn hằng giờ trong phòng thí nghiệm có ảnh hưởng nhất định đến hiệu quả nghiên cứu cả về mặt phân tích khoa học cũng như tỉnh thần Có được kết quả thí nghiệm sớm sủa sẽ gia tốc sự phát triển khả năng nghiên cứu mới Bên cạnh đó tính tích lũy của khoa học

cẩn những bước cụ thể để tạo hiệu quả càng cao hơn Năng suất và ý chí của nhà nghiên cứu sẽ giảm dẫn khí không thấy được thành quả mà thời gian vẫn cứ trôi qua Như vậy, máy tính giúp giảm thiểu thời gian và được coi như một yếu tố

thuận lợi giúp cho việc nghiên cứu

Trong giáo dục, những khống chế về thời lượng thực hành càng làm nổi bật

thêm ý nghĩa của các thí nghiệm xử lí dùng máy tính, giúp thực hiện được nhiều

thí nghiệm hơn trong một quỹ thời gian eo hẹp và cố định

Giúp tạo nên các môi trường thí nghiệm đa dạng và được chuẩn bị tốt hơn, đặc biệt là những thí nghiệm nguy hiểm, khó lắp đặt hoặc có thời gian thực hiện rất nhanh hoặc kéo đài Các thiết bị đọc dùng máy tính hầu hết có thể ghi nhận

các số liệu trong phần nghìn giây đến một ngày một lần, hoàn toàn vượt hẳn khả

năng của con người

3 Xử lí số liệu nhanh va tự động hóa

Hâu hết các tính toán có thể được máy tính tiến hành hoàn toàn tự động

nếu có số liệu nhập hợp lí và chương trình tính toán được soạn đúng VÍ dụ trong chuẩn độ axit-bazơ, để có được khoảng 50 bộ số đo không được chính xác lắm chỏ

một lần thí nghiệm cũng có thể cần đến khoảng mười phút và cũng khoảng ngần

ấy thời gian để vẽ được đường cong chuẩn độ nếu thực hiện thủ công Thực hiện với thiết bị xử lí dùng máy tính thì toàn bộ công việc có thể chỉ tốn năm phút

4 Thí nghiệm vi mô

Cho phép thực hiện các thí nghiệm mô phỏng với kích thước phân tử giúp

hiểu rõ hơn tính chất của vật chất ở mức độ vi mô Máy tính đồng thời cũng là công cụ bắt buộc để có thể thực hiện các thí nghiệm thực với mức độ phân tử

trong công nghệ hóa học nano (nano-chemical experiment)

II THIẾT BỊ SỬ DỤNG

Việc lựa chọn thiết bị sử dụng không phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: kinh

tế, phù hợp với mục tiêu đào tạo, đơn giản, và yêu câu bảo trì thấp

191

1 Phần cứng

Trong quá trình chọn phần cứng, một trong những yếu tố cần xem xét là

những yêu cầu về phần mềm Thêm nữa, các tham số như khả năng nối mạng, yêu cầu kĩ thuật, giá cả, những khó khăn trong việc lấp đặt và bảo hành, và tính đơn

giản trong sử đụng của thây và trò là những cân nhấc thiết yếu Các phần mềm,

trừ Logal Explorer (Logal, 1995) va InspirationK12 (Inspiration Software Inc., 1997), đều có các bản dành cho hệ Macintosh hoặc PC CA hai hé méy vi tinh déu

có khả năng nối mạng, một tiện ích giúp đơn giản hóa việc chuyển thông tin giữa

các học sinh và bảo hành kĩ thuật các phần mềm cho thầy cô Phần cứng để thu

nhập số liệu và video số hóa cũng có sẵn cho cả hai hệ máy vi tính Giá cả, bao

gồm cả các phần cứng cẩn thiết cho các thiết bị thu nhận tín hiệu video và nối mạng, là tương tự nhau cho cả hai hệ thống Sự cân nhắc về tính đơn giản trong lắp đặt, bảo hành, và sử đụng của thầy và trò là những yếu tố quyết định

Dù hệ thống Macintosh nổi tiếng do ưu thế vượt trội trong môi trường đồ họa và đa phương tiện, chúng tôi vẫn cho rằng hệ thống Windows có ưu thế hơn

về mặt kinh tế và dễ thao tác hơn đối với thây trò trong lĩnh vực này Điểu này

dựa trên tình hình thực tế của việc sử dụng máy vi tính và các phần mềm tại Việt Nam hiện nay Cả thây và trò đã thực hiện các thao tác như sử dụng các chương tảnh, lắp đặt máy, cài đặt chương trình, lấp đặt các thiết bị nội vi hoặc ngoại vi

trên nền của hệ thống Windows

Hệ thống phần cứng được chọn để thực hiện là các máy vi tính loại PC với

cấu hình không cần mạnh lắm, sử dụng hệ điểu hành quen thuộc Windows 9x, bộ

xử Hí có tốc độ vài trăm MHz, có 64-128 MB bộ nhớ (RAM) và một đĩa cứng dưng lượng khoảng vài đến vài chục Gigabyte Bên cạnh hệ thống máy vi tính tiêu

chuẩn, một máy chủ có khả năng thu phát tín hiệu video kĩ thuật số với khả năng lưu trữ cao, đến khoảng hai đĩa cứng 40 Gigabyte, cũng sẽ được dùng làm máy chủ

và dùng trong nghiên cứu: Thêm nhiều máy có khả năng thu phát tín hiệu video

xét thấy không cẩn thiết, do bất kì máy vi tính nào theo tiêu chuẩn trên cũng có

khả năng xử lí và phân tích các tập tin video kĩ thuật số

Ngoài các phần cứng máy vi tính, còn cần các phân cứng đặc biệt có khả năng thu nhập và phân tích số liệu Trái với phân cứng máy vi tinh, có nhiều nguồn cung cấp giao điện cho máy tính để thu nhập số liệu cho các thí nghiệm hóa học căn bản Các yếu tố cân nhắc để lựa chọn phần cứng thu nhập số liệu gồm lắp đặt và sử đụng dễ dàng, thiết kế và chức năng của giao diện máy vi tinh, các loại công cụ thu nhập số liệu có thể thực hiện, các loại công cụ phân tích kèm theo, giá

cả, độ tin cậy, và trợ giúp kĩ thuật Giao diện thu nhập số liệu cần dễ lắp đặt, và thay đổi dễ dàng từ công cụ này sang công cụ khác Ví dụ, bất kì học sinh nào

192