Tập bài giảng sử dụng phần mềm trong dạy học vật lí 3

Sử dụng các sản phẩm multimedia trong dạy học vật lí Multimedia là thuật ngữ gắn với CNTT, có thể hiểu multimedia là phương pháp giới thiệu thông tin bằng máy tính, các thông tin này đư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

Ngô Trọng Tuệ

BÀI GIẢNG

SỬ DỤNG PHẦN MỀM TRONG DẠY

HỌC VẬT LÍ (Lưu hành nội bộ)

HÀ NỘI, THÁNG 3/2017

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

CHƯƠNG 1 LÍ LUẬN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 3

1.1 Các ứng dụng của công nghệ thông tin trong dạy học 3

1.2 Các ứng dụng cơ bản của máy vi tính trong dạy học vật lí 4

1.2.1 Sử dụng các sản phẩm multimedia trong dạy học vật lí 4

1.2.2 Mô phỏng trong dạy học vật lí 5

1.2.3 Kỹ thuật phân tích video trong dạy học vật lí 12

1.2.4 Máy vi tính hỗ trợ các thí nghiệm vật lí 15

1.3 Những yêu cầu về phần mềm sử dụng trong dạy học vật lí 16

1.3.1 Khái niệm phần mềm dạy học 16

1.3.2 Phân loại phần mềm dạy học vật lí 16

1.3.3 Các đặc điểm của phần mềm trong dạy học vật lí 17

1.3.4 Vai trò của phần mềm trong dạy học vật lí 17

1.3.5 Các tiêu chí cho phần mềm dạy học vật lí 17

1.4 Xây dựng và sử dụng phần mềm dạy học 20

1.4.1 Quy trình xây dựng phần mềm dạy học 20

1.4.2 Sử dụng phần mềm dạy học 20

1.5 Tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh có sự hỗ trợ của máy vi tính 23

1.5.1 Tổ chức quá trình nhận thức vật lí của học sinh một cách khoa học 23

1.5.2 Tổ chức quá trình nhận thức vật lí của học sinh một cách tích cực, sáng tạo với sự hỗ trợ của máy tính 25

Bài tập chương 1 26

CHƯƠNG 2 KHAI THÁC INTERNET, NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG MỘT SỐ PHẦN MỀM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 27

2.1 Khai thác tài nguyên trên Internet trong dạy học vật lí 27

2.1.1 Sử dụng công cụ tìm kiếm 27

2.1.2 Khai thác các mô phỏng, video hỗ trợ dạy học vật lí 28

2.2 Sử dụng một số phần mềm mô phỏng trong dạy học vật lí 31

2.2.1 Phần mềm Physics 2.1 (Part I-II) 31

2.2.2 Phần mềm Physics Animations 32

2.2.3 Phần mềm Vật lí mô phỏng 33

2.3 Sử dụng phần mềm phân tích video trong dạy học vật lí 34

2.3.1 Giao diện phần mềm 34

2.3.2 Phân tích video với Coach 6 35

2.4 Thiết kế mô phỏng với phần mềm Crocodile Physics 40

2.4.1 Giao diện phần mềm 40

2.4.2 Thao tác với các mô phỏng thiết kế sẵn 412

2.4.3 Thiết kế mô phỏng với kho thiết bị 41

2.5 Thiết kế mô phỏng với phần mềm Cabri 46

2.5.1 Giới thiệu phần mềm Cabri II Plus 467

2.5.2 Các công cụ chính được sử dụng xây dụng mô phỏng 47

2.5.3 Xây dựng phần mềm 49

Bài tập chương 2 544

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TRONG MỘT SỐ NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ BẬC TRUNG HỌC 555

3.1 Động học chất điểm 555

3.1.1 Chuyển động cơ 555

3.1.2 Vận tốc trong chuyển động thẳng Chuyển động thẳng đều 555

3.1.3 Chuyển động thẳng biến đổi đều 566

3.1.4 Phương trình chuyển động thẳng biến đổi đều 577

3.1.5 Sự rơi tự do 588

3.1.6 Chuyển động tròn đều 599

3.1.7 Gia tốc trong chuyển động tròn đều 60

3.1.8 Tính tương đối của chuyển động Công thức cộng vận tốc 6161

3.2 Quang hình 622

3.2.1 Khúc xạ ánh sáng 622

3.2.2 Phản xạ toàn phần 633

3.2.3 Sử dụng mô phỏng trong giờ bài tập 633

3.2.4 Lăng kính 644

3.2.5 Thấu kính mỏng 666

3.2.6 Phần bài tập Lăng kính và Thấu kính 699

3.2.7 Mắt 70

3.2.8 Các tật của mắt và cách khắc phục 7171

3.2.9 Kính lúp 722

3.2.10 Kính hiển vi 722

3.2.11 Kính thiên văn 744

3.3 Dao động cơ 755

3.3.1 Dao động điều hòa 755

3.3.2 Con lắc đơn Con lắc vật lí 777

3.3.3 Năng lượng trong dao động điều hòa 788

3.3.4 Dao động tắt dần và dao động duy trì 799

3.3.5 Dao động cưỡng bức Cộng hưởng 8180

3.3.6 Tổng hợp dao động 833

3.4 Tiến trình dạy học một số bài (SGK NC), chủ đề 833

3.4.1 Tiến trình dạy học một số bài chương “Động học chất điểm” 833

3.4.2 Tiến trình dạy học một số bài chương “Mắt Các dụng cụ quang” 955

3.4.3 Tiến trình dạy học một số bài chương Dao động cơ 1144

3.4.4 Tiến trình dạy học chủ đề Cảm ứng điện từ 1244

Bài tập chương 3 1477

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1488

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

1 CNTT Công nghệ thông tin

LỜI NÓI ĐẦU

Trong dạy học vật lí, máy vi tính đóng vai trò quan trọng giúp quá trình dạy học hiệu quả hơn Ứng dụng các phần mềm trong dạy học vật lí bậc trung học trong những thập niên đầu của thế kỉ này làm thay đổi hình thức và phương pháp dạy học Các phương pháp nghiên cứu vật lí có sự hỗ trợ của máy tính giúp người học hiểu rõ hơn hiện tượng vật lí, đi sâu và nghiên cứu bản chất hiện tượng

Bài giảng Sử dụng phần mềm trong dạy học vật lí trình bày những vấn đề cơ

bản của sử dụng máy tính trong dạy học vật lí, giúp sinh viên, giáo viên có thể sử dụng máy tính để dạy học vật lí hiệu quả hơn

Đây là lần xuất bản đầu tiên của bài giảng, rất mong sự góp ý của các đồng nghiệp để bài giảng tốt hơn

Tác giả

CHƯƠNG 1 LÍ LUẬN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TRONG

DẠY HỌC VẬT LÍ 1.1 Các ứng dụng của công nghệ thông tin trong dạy học

Ngày nay máy tính được sử dụng nhiều trong các giai đoạn của quá trình dạy học, giáo viên (GV) có thể sử dụng máy tính trong kiểm tra trắc nghiệm, học sinh (HS) làm bài kiểm tra và cho biết điểm số ngay sau khi làm bài, GV có thể thống kê tất cả các điểm số của HS ngay sau khi quá trình kiểm tra kết thúc GV cũng có thể sử dụng máy tính để trình chiếu multimedia, đây là ứng dụng cơ bản nhất trong dạy học Do khả năng lưu trữ và hiển thị một cách nhanh chóng thông tin, trong nhiều trường hợp

GV sử dụng máy tính minh họa một cách sinh động bởi các hình ảnh hay đoạn video Máy tính thể hiện tính ưu việt của nó hơn hẳn các phương tiện dạy học khác ở chỗ:

GV có thể thay đổi quá trình đang diễn ra như phóng to, thu nhỏ, làm nhanh - chậm, dừng lại hoặc chuyển sang quá trình nghiên cứu mới Nhờ các phần mềm mô phỏng được thiết kế sẵn, có thể mô phỏng các đối tượng, quá trình nghiên cứu thông qua các dấu hiệu, mối quan hệ có tính bản chất của đối tượng cần nghiên cứu để tạo điều kiện cho quá trình nhận thức của HS

Đối với HS, nhiều phần mềm đã xây dựng hỗ trợ việc tự học, tự ôn tập của HS, trong đó các yếu tố kích thích hứng thú, phát huy tính tích cực, tự lực cũng như phát triển trí tuệ của HS [7]

* Dạy học theo quan điểm công nghệ thông tin (CNTT):

Các mô hình giáo dục theo cách tiếp cận thông tin [4] (UNESCO, 10/1998):

Bảng 1.1 Một số mô hình giáo dục

Mô hình Trung tâm Vai trò người học Công nghệ

Truyền thống Người dạy Thụ động Bảng/TV/Radio

Dạy học trong môi trường CNTT:

- Theo quan điểm thông tin, học là một quá trình thu nhận thông tin có định hướng, có sự tái tạo và phát triển thông tin; dạy là phát thông tin và giúp người học thực hiện quá trình trên một cách có hiệu quả Thông tin càng có giá trị nếu nó gây được sự bất ngờ càng lớn Người học như một máy thu gồm nhiều cửa và quá trình thu nhận thông tin được thực hiện qua các cửa này, người học phải biết thông tin hữu ích

và tách các thông tin nhiễu ra khỏi quát trình thu nhận thông tin, phải biết lưu giữ, ghi nhớ và biến đổi thông tin

- Quá trình cung cấp thông tin cho người học chỉ dưới dạng văn bản sẽ làm người học kém hứng thú, truyền thụ thông tin một chiều có thể làm người học thu nhận thông tin phiến diện, biến dạng, không đầy đủ thậm chí có thể hiểu sai nội dung

- Theo quan điểm CNTT, để đổi mới phương pháp dạy học, người ta tìm những

“Phương pháp làm tăng giá trị lượng tin, trao đổi thông tin nhanh hơn, nhiều hơn và hiệu quả hơn” CNTT có đóng góp đa dạng vào việc dạy và học, nhưng tầm quan

trọng đặc biệt của CNTT liên quan trực tiếp đến chương trình giảng dạy và đánh giá:

+ CNTT hỗ trợ tốt công tác giảng dạy và nâng cao chất lượng các hoạt động học tập của HS, tạo ra nhiều phương pháp tiếp cận học tập, bảo đảm sự tiếp cận với chương trình giảng dạy và học những kinh nghiệm mà các công nghệ khác không làm được

+ Những ứng dụng CNTT đem lại những kết quả tích cực cho HS bao gồm khả năng cộng tác (làm việc theo nhóm) với sự hỗ trợ của máy tính, Internet, tiếp xúc với

các chương trình giảng dạy đa phương tiện, những hướng dẫn có sự hỗ trợ của máy

tính CNTT cũng đưa ra những ưu điểm độc đáo không đâu có được, như hướng dẫn từ

xa thông qua các công cụ Internet hoặc hội thảo video, lượng thông tin HS thu được nhiều hơn, nhanh hơn

+ CNTT có thể cải thiện việc đánh giá quá trình dạy và học bằng cách đưa ra những phân tích, phản hồi nhanh chóng và bằng cách hỗ trợ GV sử dụng những đánh giá về HS để cải tiến quá trình giảng dạy Tác động lớn nhất của CNTT đối với kết quả học tập của HS được ghi nhận trong những trường hợp khi việc sử dụng CNTT phù hợp với nội dung giảng dạy và với việc đánh giá về kết quả dự kiến

* Khi sử dụng CNTT sẽ đem lại những ưu điểm sau:

- GV chuẩn bị bài một lần sử dụng được nhiều lần

- Các phương tiện CNTT sẽ tạo ra khả năng để GV trình bày bài giảng sinh động hơn, dễ dàng cập nhập và thích nghi với sự thay đổi nhanh chóng của khoa học hiện đại

- Các phương tiện CNTT sẽ hỗ trợ, chuẩn hóa các bài giảng mẫu, đặc biệt đối với những phần khó giảng, những khái niệm phức tạp [8]

- Khi sử dụng phần mềm dạy học (PMDH) một cách hợp lí sẽ đem lại hiệu quả cao trong giảng dạy, bởi vì bài giảng sẽ sinh động hơn, sự tương tác hai chiều được thiết lập, HS được giải phóng khỏi những công việc không cần thiết, tránh nhầm lẫn,

đỡ tốn thời gian nên có nhiều thời gian để nghe giảng, đào sâu suy nghĩ

- CNTT hỗ trợ xây dựng kiến thức mới: Giúp truy cập các thông tin cần thiết, tạo ra các kiến thức có hệ thống

- CNTT tạo ra môi trường học tập ảo: Cho phép mô phỏng các vấn đề, tình huống và hiện tượng của thế giới thực, tạo điều kiện để HS hợp tác và tự học [3]

* Khi sử dụng CNTT trong dạy học có thể có nhược điểm sau:

- Nếu mọi sự việc, khái niệm đều được trình bày tường minh bằng hình ảnh, âm

thanh, mô phỏng thì có thể làm giảm trí tưởng tưởng của người học

- Việc sử dụng các nguồn thông tin có sẵn có thể làm người học có ý nghĩ mọi thứ có sẵn, chỉ việc dùng chứ không phải động não Nó có thể làm cho người học có thói quen thụ động trong học tập, tạo tâm lý hưởng thụ, giảm tư duy phê phán [1]

1.2 Các ứng dụng cơ bản của máy vi tính trong dạy học vật lí

1.2.1 Sử dụng các sản phẩm multimedia trong dạy học vật lí

Multimedia là thuật ngữ gắn với CNTT, có thể hiểu multimedia là phương pháp giới thiệu thông tin bằng máy tính, các thông tin này được thể hiện dưới dạng: text (văn bản), audio (âm thanh), image (ảnh chụp), animation (ảnh động), video (phim), interactivity content forms (nội dung mang tính tương tác) Các thông tin này gây ấn tượng bằng tương tác và tìm kiếm siêu liên kết (hyperlink), giúp cho việc tìm kiếm và truy vấn tài nguyên mau lẹ Do đó, Multimedia có thể biểu diễn bằng công thức [1]:

Multimedia = digital (text, audio-visual media) + hyperlink

Việc sử dụng multimedia trong dạy học vật lí cho phép trình bày các hình ảnh đẹp, trực quan, cho phép quan sát các hiện tợng vật lí hay các thí nghiệm (TN) vật lí không có điều kiện thực hiện trên lớp học Việc sử dụng các tài liệu điện tử như vậy

giúp HS hiểu sâu sắc hơn các hiện tượng vật lí, tiếp thu nhanh chóng kiến thức vật lí

Ví dụ về multimedia:

Hình 1.1 Ảnh về cầu vồng (kép) Hình 1.2 Video hiện tượng nhiễm điện do

tiếp xúc

1.2.2 Mô phỏng trong dạy học vật lí

Mô phỏng bao gồm sự mô hình hóa các hệ thống tự nhiên hay xã hội và cho mô hình vận động nhằm hiểu được sâu sắc chức năng của hệ thống qua việc lựa chọn ra các đặc điểm hay các hành vi đặc thù của đối tượng và việc sử dụng các phương pháp gần đúng và các tiên đề đơn giản trong khi mô phỏng Mô phỏng nhờ máy tính là sự xây dựng mô hình một đối tượng thật trên máy tính giúp cho việc nghiên cứu hoạt động của đối tượng đó với việc thay đổi các biến số của mô hình, cho phép ta dự đoán

về hành vi của đối tượng

Trong mô phỏng các đối tượng vật lí, có hai hình thức là:

+ Mô phỏng chính xác (mô phỏng định lượng): Dựa trên các phương trình, nguyên lí vật lí được viết dưới dạng toán học Trong loại mô phỏng này, các đối tượng được mô phỏng “biến đổi” tuân theo các phương trình, nguyên lí vật lí

VD: Mô phỏng từ trường quay và quá trình truyền sóng ngang

Hình 1.3 Mô phỏng từ trường quay Hình 1.4 Mô phỏng quá trình truyền sóng

ngang

+ Mô phỏng không chính xác (mô phỏng định tính): Dựa vào mối quan hệ định tính của các đại lượng vật lí Việc sử dụng mô phỏng này khi không biết mối quan hệ giữa các đại tượng vật lí hoặc mối quan hệ quá phức tạp không mô phỏng được

Ví dụ: Mô phỏng chuyển động nhiệt phân tử khí (phụ thuộc thể tích, nhiệt độ)

và mô phỏng nhiễm điện do cọ sát

Hình 1.5 Mô phỏng chuyển động nhiệt

phân tử khí Hình 1.6 Mô phỏng nhiễm điện do cọ sát Các phần mềm mô phỏng được phát triển mạnh mẽ, rất nhiều hiện tượng vật lí được mô phỏng một cách chính xác, trực quan giúp quá trình nhận thức của HS dễ dàng hơn Mô phỏng nhờ máy vi tính, theo quan điểm của lý luận dạy học hiện đại là một phương pháp dạy học Nó xuất phát từ các phương trình hay các nguyên lý vật lí được viết dưới dạng toán học, thông qua vận dụng các phương pháp tính toán trên mô hình nhờ máy vi tính để giải quyết các nhiệm vụ sau:

- Mô phỏng, minh hoạ các hiện tượng, quá trình vật lí một cách trực quan và chính xác hơn để dễ quan sát và nghiên cứu

- Mô phỏng các hiện tượng, quá trình vật lí để qua đó tìm ra các kiến thức mới (mối quan hệ, quy luật mới ) bằng con đường nhận thức lý thuyết

Sau đây sẽ trình bày lần lượt các nhiệm vụ của việc mô phỏng các hiện tượng vật lí bằng máy vi tính [9], [16]

1.2.2.1 Mô phỏng, minh hoạ các hiện tượng vật lí bằng máy tính một cách trực quan

Trong khi nghiên cứu các hiện tượng trong tự nhiên, có những hiện tượng như: Chuyển động của ô tô, xe máy thì việc quan sát để xác định tọa độ của chúng ứng với từng thời điểm hay quãng đường đi ứng với từng khoảng thời gian trôi qua là không khó khăn Tuy nhiên, cũng có những quá trình trong tự nhiên không thể quan sát bằng mắt thường để xác định được các đại lượng cần thiết được vì diễn biến của quá trình xảy ra quá nhanh, hay quá chậm, điều đó gây khó khăn trong việc nghiên cứu tìm ra quy luật của chúng Ví dụ như: Chuyển động rơi, chuyển động ném ngang-ném xiên của một vật, dao động điều hòa, chuyển động của vệ tinh, quá trình phân rã hạt nhân, phóng xạ Có thể sử dụng máy vi tính để mô phỏng các quá trình đó, giúp cho việc nghiên cứu hiệu quả hơn bằng cách làm cho quá trình đó nhanh lên hay chậm đi, dừng lại để thu thập số liệu, tìm hiểu mối quan hệ có tính quy luật trong các hiện tượng

Với các chức năng ưu việt của nó, máy vi tính có khả năng mô phỏng trực quan

và chính xác bằng các mô hình kí hiệu các hiện tượng hay quá trình vật lí trong tự nhiên Tuy nhiên việc mô phỏng chính xác đến đâu còn phụ thuộc vào hai yếu tố:

- Trước hết là phụ thuộc vào mức độ nhận thức của người nghiên cứu về quy luật phản ánh hiện tượng, quá trình vật lí Các quy luật này thường được mô tả bằng các phương trình, hệ phương trình toán lí

- Sau đó phụ thuộc vào khả năng của người lập trình, sử dụng ngôn ngữ máy tính để phản ánh lại các quy luật đó chính xác đến chừng nào

Điều quan trọng trong việc sử dụng máy tính trong việc mô phỏng các hiện tượng, quá trình vật lí là các nhà lý luận dạy học, các GV phải có được ý tưởng rõ ràng của việc sử dụng máy vi tính để giải quyết vấn đề gì, mà thiếu nó thì không thể có hiệu quả hay sẽ gặp rất nhiều khó khăn trong dạy học

Ví dụ 1: Mô phỏng chuyển động của vật bị ném xiên

Chuyển động ném xiên của một

vật diễn ra rất nhanh mà mắt khó quan

sát Để giúp HS hình dung được

chuyển động này, SGK diễn đạt bằng

lời, hình vẽ để giúp HS hiểu rằng

chuyển động theo phương ngang do

quán tính, theo phương thẳng đứng do

trọng lực và hiểu về chuyển động tổng

hợp Tuy nhiên điều đó không trực

quan đối với HS, để trợ giúp quá trình

nghiên cứu này ta có thể dùng máy

tính mô phỏng sinh động cả ba chuyển

động đồng thời: Chuyển động theo

phương ngang, thẳng đứng, chuyển

động tổng hợp Phần mềm mô phỏng chuyển động ném xiên của một cho phép nghiên cứu:

- Chuyển động của mô hình của vật (với tư cách là vật được nghiên cứu)

- Tìm hiểu dạng quỹ đạo của vật, quan sát sự biến đổi của vectơ vận tốc

- Khi thay đổi vo, góc  một cách tùy ý sẽ cho dạng quỹ đạo thay đổi

- Làm cho vật chuyển động chậm hơn chuyển động thực để dễ quan sát

- Cho vật dừng lại ở một vị trí nào đó trên màn hình hay một thời điểm, tính toán được các thông số như tọa độ, vận tốc theo các trục tọa độ tại một thời điểm

Ví dụ 2: Mô phỏng hiện tượng sóng dừng

Hiện tượng sóng dừng rất khó

hình dung, đặc biệt là trường hợp sóng

dọc HS khó hình dung được sự dao

động của các phần tử môi trường có

sóng dọc truyền qua (sóng âm, sóng

trong lòng chất lỏng), khi xẩy ra hiện

tượng giao thoa sẽ xuất hiện những

điểm mà tại đó các phần tử môi trường

dao động với biên độ cực đại hoặc cực

tiểu Sử dụng máy tính mô phỏng hiện

tượng này sẽ giúp HS có biểu tượng

trực quan, rõ ràng về hiện tượng và

qua đó có thể nhận biết được những

dấu hiệu bản chất của hiện tượng Mô hình mô phỏng hiện tượng giao thoa sóng dọc cho phép HS quan sát được dao động của các phần tử môi trường có sóng dọc truyền

Hình 1.7 Mô phỏng chuyển động của vật bị

ném xiên

Hình 1.8 Mô phỏng hiện tượng giao thoa

sóng dọc

qua, hình ảnh sóng tới, sóng ngược, sóng giao thoa, tính tuần hoàn theo không-thời gian Trên mô hình này cho phép thay đổi các thông số biên độ, tần số, vận tốc Khi thay đổi các thông số này sẽ cho hình ảnh sóng giao thoa thay đổi

Ví dụ 3: Mô hình sóng điện từ

Không có một TN nào cho HS

thấy hình ảnh lan truyền của sóng điện

từ, một giải pháp tối ưu được đưa ra là

sử dụng mô hình trên máy tính: Trên

mô hình sóng điện từ HS quan sát thấy

sự biến đổi của điện-từ trường theo

hàm cosin, tính tuần hoàn theo

không-thời gian của điện-từ trường, sóng

điện từ là sóng ngang, phương dao

động của điện trường và từ trường

vuông góc với nhau, điện trường và từ

trường biến thiên cùng pha, vectơ Eur,

B

ur

và chiều lan truyền sóng điện từ tuân theo quy tắc tam diện thuận

Ví dụ 4: Mô phỏng hỗ trợ hình thành các khái niệm về đại lượng vật lí

Khi giảng dạy các đại lượng vật lí biến đổi theo thời gian như vận tốc, gia tốc theo cách thức truyền thống là sử dụng hình vẽ tĩnh, điều này có thể gây khó khăn cho

HS trong quá trình nhận thức bởi lẽ trong nhiều trường hợp các đại lượng vật lí biến đổi phức tạp Để khắc phục khó khăn trên, ta có thể sử dụng máy vi tính mô hình hóa các khái niệm Các mô hình trên máy vi tính cho phép thay đổi các đại lượng theo các quy luật vật lí đã biết, HS có thể thao tác trên các mô hình này và tìm ra quy luật biến đổi của các đại lượng cần nghiên cứu Ví dụ: khái niệm gia tốc hướng tâm ở hình 1.10:

Khi xây dựng khái niệm gia

tốc hướng tâm, một trong những khó

khăn là trên mô hình có nhiều đại

lượng biến đổi, các quy luật biến đổi

có thể phức tạp Điều đó gây khó

khăn trong việc nhận thức của HS

Tuy nhiên, trên mô hình xây dựng

bằng máy vi tính cho phép nghiên

cứu sự biến đổi của các đại lượng một

cách dễ dàng, từ sự biến đổi này HS

tìm ra qua luật biến đổi của gia tốc

trong chuyển động tròn đều

Để có thể minh hoạ các hiện tượng, quá trình vật lí khó quan sát (diễn ra cực nhanh hay cực chậm) có thể sử dụng phương pháp khác là chiếu phim dương bản, phim hoạt hình Phim hoạt hình cũng như máy vi tính đều có thể “giãn” hay “co” các quá trình này lại tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu Tuy nhiên, trong phim hoạt hình thì mức độ co, giãn như thế nào đã được hãng sản xuất phim chế tạo định trước GV hay HS khi dùng phim đó trong tình huống dạy học cụ thể của mình có muốn thay đổi lại cũng không thể được Nhưng với máy vi tính thì điều đó lại hoàn toàn khác, trên các phần mềm ta có thể dễ dàng co, giãn quá trình đang nghiên cứu một cách dễ dàng

Hình 1.9 Mô hình sóng điện từ

Hình 1.10 Khái niệm gia tốc hướng tâm

Mô phỏng bằng máy vi tính còn có nhiều ưu điểm khác, khi mô phỏng bằng máy vi tính GV và HS có thể dừng quá trình lại tại một thời điểm bất kỳ để nghiên cứu, xác định các đại lượng của vật (Ví dụ: Toạ độ, vận tốc, gia tốc, quãng đường của chuyển động được mô phỏng) Về mặt trang thiết bị, để mô phỏng bằng máy vi tính chỉ cần có một máy vi tính kết nối với ti vi, Projector Ngoài ra, cần USB hay đĩa

CD để lưu trữ và vận chuyển Việc sao chép, cài đặt các chương trình này có thể tự làm rất dễ dàng và tốn kém ít kinh phí so với các phương pháp khác

1.2.2.2 Mô phỏng các hiện tượng, quá trình vật lí để qua đó tìm ra các kiến thức mới bằng con đường nhận thức lý thuyết

Ngoài khả năng mô phỏng một cách trực quan và chính xác các hiện tượng, quá trình vật lí, qua mô phỏng, máy vi tính còn có thể tạo điều kiện cho người nghiên cứu

đi sâu vào và tìm ra các mối quan hệ có tính bản chất của các hiện tượng, quá trình vật

lí Sở dĩ thực hiện được điều đó là do các chức năng ưu việt trong việc tính toán và xử

lí số liệu của máy vi tính Vai trò của máy vi tính ở đây là tạo ra các khả năng mới trong tính toán: Khả năng rút ngắn thời gian tính toán và đặc biệt là khả năng có thể tìm ra lời giải các bài toán, (nếu không có máy vi tính thì trong điều kiện ở trường phổ thông, với công cụ toán học còn thiếu và không được bổ xung thì không có khả năng giải được) Trong các phần mềm ứng dụng đều tích hợp các chức năng tính toán cơ bản (như tính giá trị hàm số lượng giác, căn thức, làm tròn ), hoặc trong các chương trình chuyên dụng dùng cho toán học (như MathCAD, Mathematica ) được cài đặt sẵn trong máy tính có thể giúp GV và HS thực hiện nhanh chóng các tính toán lý thuyết Thêm vào đó, máy vi tính có khả năng hiển thị các kết quả tính toán, xử lý số liệu dưới nhiều dạng trực quan khác nhau tạo điều kiện người nghiên cứu dễ phát hiện

ra các mối quan hệ chứa đựng trong đó

Ta có thể hình dung khả năng này như sau: Để giải quyết một vấn đề nào đó đặt

ra trong bài học vật lí, GV và HS sử dụng một số tiên đề hay mô hình vật lí (có thể được mô tả bằng các phương trình vật lí), tiến hành các suy luận lý thuyết trên đó Nhưng do công cụ toán học còn thiếu nên không thể đạt được tới đích Do vậy, ở đây cần có sự hỗ trợ của máy vi tính và phần mềm để có thể giải ra kết quả Kết quả mà máy tính đưa ra không phải được phát biểu “bằng lời“ (dưới dạng văn bản), mà biểu thị dưới dạng số, biểu bảng, đồ thị hay các hình ảnh động Từ các dạng đó cho ta biết tồn tại các mối quan hệ mới có tính quy luật trong hiện tượng, quá trình vật lí đang nghiên cứu Như vậy, việc tìm ra các mối quan hệ mới này là trên phương diện tính toán lý thuyết Kết quả này có được chấp nhận hay không là phải được kiểm tra bằng thực nghiệm Điều đó cũng giống như bất kỳ việc kiểm tra bằng thực nghiệm đối với những kết luận được suy ra theo con đường lý thuyết Các kết luận đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm sẽ dùng để giải thích và tiên đoán các hiện tượng liên quan

Các bước trong quá trình tìm ra các kiến thức mới bằng con đường lý thuyết nhờ mô phỏng bằng máy vi tính:

- Như mọi con đường nhận thức, quá trình nhận thức tìm ra kiến thức mới bằng con đường lý thuyết ở đây bắt đầu từ "vấn đề" Để giải quyết vấn đề, cần phải xây dựng những tiên đề, mô hình vật lí (hoặc sử dụng các tiên đề, mô hình vật lí đã có), chúng được viết dưới dạng các biểu thức toán học

- Sau khi đã có mô hình, nhờ máy vi tính để tiến hành các suy luận logic, tính toán lý thuyết trên mô hình đó và hiển thị các kết quả tính toán dưới dạng trực quan nhất để tạo điều kiện rút ra các kết luận về mối quan hệ mới có tính quy luật của hiện tượng hay quá trình nghiên cứu

- Kiểm tra các kết luận trên bằng thực nghiệm để xác nhận tính đúng đắn của chúng

- Sử dụng các kết luận đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm để giải thích và tiên đoán các hiện tượng liên quan [17]

Qua đây ta thấy các bước trên cũng chính là các giai đoạn của con đường nhận thức lý thuyết Một ví dụ để minh hoạ các bước trong quá trình tìm ra các kiến thức mới bằng con đường nhận thức lý thuyết nhờ mô phỏng bằng máy tính là khảo sát dao động của con lắc lò xo

Dao động của con lắc lò xo là một trường hợp điển hình về dao động dưới tác dụng của lực đàn hồi của một vật có khối lượng m được gắn vào lò xo có khối lượng không đáng kể Khi nghiên cứu về dao động của con lắc lò xo, các mối liên hệ quan trọng sau đây cần được rút ra (trong trường hợp bỏ qua ma sát):

* Dao động của con lắc là một

dao động điều hoà

* Li độ x được mô tả theo định

luật hình cos: x=Acos(t+φ)

Trình tự nghiên cứu chuyển

động của con lắc được thực hiện như

Chỉ sau khi chấp nhận điều đó, HS mới rút ra được các mối liên hệ quan trọng ở trên

Có thể nhờ máy vi tính mô phỏng dao động của con lắc lò xo để từ đó rút ra các mối quan hệ nêu trên mà không phải buộc HS chấp nhận dạng nghiệm của phương trình vi phân bậc hai Trình tự con đường đó như sau:

Khi quan sát dao động của con lắc lò xo có thể đặt ra vấn đề: Dao động của nó tuân theo qui luật như thế nào? Chu kì dao động phụ thuộc vào các yếu tố nào (cụ thể phụ thuộc vào m và k như thế nào)? Độ lệch pha giữa x, v và a có quan hệ với nhau như thế nào?

Hình 1.11 Mô hình con lắc lò xo nằm ngang

Để giải quyết vấn đề đó theo con đường lý thuyết trước hết ta cũng dựa trên các

mô hình, nguyên lý vật lí như SGK đã tiến hành Trong trường hợp dao động của con lắc lò xo theo phương ngang bỏ qua lực ma sát, các mô hình, nguyên lý vật lí đó là các định luật:

- Định luật Húc: F = -kx

- Định luật II Niu-tơn: a F

m



- Các biểu thức động học như: vt = vo + aΔt; xt = xo + vtΔt; t = to + Δt

Để có thể tiếp tục nghiên cứu dao động của con lắc lò xo và từ đó rút ra các mối quan hệ có tính quy luật, viết chương trình (phần mềm) để mô phỏng dao động theo phương nằm ngang của con lắc dựa trên các định luật vật lí và biểu thức động học nêu trên (Hình 1.11) Phần mềm cho phép hiển thị:

- Hình ảnh về quá trình dao động ngang của con lắc trên trục toạ độ ox, ứng với mỗi giá trị cho trước k, m, xo, vo (các điều kiện này có thể thay đổi trên máy vi tính một cách dễ dàng, theo ý muốn của người nghiên cứu) sẽ cho giá trị biên độ A, pha ban đầu φ tương ứng

- Đồ thị của li độ, vận tốc v và gia tốc a theo thời gian của con lắc

- Sự thay đổi của vectơ vr, ar , Fr đh

Từ việc quan sát các hình ảnh và đồ thị đó cho phép ta suy ra các mối quan hệ (định lượng hay bán định lượng) có tính quy luật trong dao động của con lắc Ví dụ như: Từ việc quan sát hình ảnh về quá trình dao động của con lắc trên trục toạ độ ox cho ta thấy dao động của nó là dao động điều hoà Khi ta thay đổi độ lớn k và giữ nguyên các điều kiện khác, trên màn hình sẽ cho các hình ảnh dao động của con lắc với các chu kỳ T khác nhau Từ đó có thể rút ra mối quan hệ định lượng giữa k và T, cũng tức là giữa k và ω Còn khi quan sát đồ thị của x, v và a theo thời gian của con lắc ta có thể rút ra li độ x biến đổi theo

qui luật hình cosin và xác định độ lệch

pha giữa li độ x, vận tốc v và gia tốc a

Như vậy, các mối quan hệ này

được tìm ra là hoàn toàn theo con

đường lý thuyết có sự hỗ trợ của máy

vi tính và phần mềm tương ứng HS

không phải chấp nhận nghiệm của

phương trình vi phân hạng hai

Phương pháp trên cũng có thể

áp dụng trong nghiên cứu quy luật

chuyển động của con lắc đơn

Trong mô hình của con lắc đơn

cho phép hiển thị:

- Hình ảnh về quá trình dao động của con lắc đơn, ứng với mỗi giá trị cho trước

l, 0, v0 sẽ cho giá trị A, pha ban đầu  tương ứng

- Đồ thị của tọa độ s theo thời gian của con lắc

- Sự thay đổi của vectơ Fr, Rur

Hình 1.12 Mô hình chuyển động của con lắc

đơn

Khi nghiên cứu mô hình này, ta cũng có thể rút ra các quy luật như: Chuyển động của con lắc đơn là dao động điều hòa, sự phụ thuộc của T vào l

1.2.3 Kỹ thuật phân tích video trong dạy học vật lí

Trong nghiên cứu vật lí, có những quá trình xẩy ra quá nhanh hoặc trong không gian rộng khó quan sát, khó đo đạc bằng các phương tiện, thiết bị hiện có trong phòng

TN (ví dụ: Chuyển động rơi tự do, chuyển động ném xiên, va chạm ) Đây là khó khăn trong nghiên cứu ở trường phổ thông, ngoài việc sử dụng máy tính để mô phỏng như đã trình bày ở trên người ta còn sử dụng một số phương pháp sau:

- Phương pháp đánh tia lửa điện

- Phương pháp dùng thì kế hiện số và các cửa chắn quang điện

- Phương pháp chụp ảnh hoạt nghiệm [17]

Về nguyên tắc thì trong các các phương pháp này ta cần ghi và đo trên băng giấy hay trên phim ảnh các quãng đường đi được trong những khoảng thời gian cố định bằng nhau (trong phương pháp đánh tia lửa điện và phương pháp chụp ảnh hoạt nghiệm) hoặc đo được các quãng đường đi được trong khoảng thời gian tuỳ ý (trong phương pháp dùng thì kế hiện số và các cửa chắn quang điện) của chuyển động

Việc sử dụng các phương pháp này chỉ giới hạn trong nghiên cứu ở phòng TN

và giới hạn trong các dạng chuyển động thẳng (trừ phương pháp chụp ảnh họa nghiệm) Hơn nữa, khi sử dụng các phương pháp này, việc thu thập số liệu đo (bao gồm việc xác định toạ độ của vật cũng như các quãng đường trên băng giấy hay phim ảnh) là khó chính xác, mất thời gian Thêm vào đó, từ các số liệu đo được, để phân tích, xử lí nó (tính toán, lập bảng, biểu diễn các mối quan hệ trên đồ thị ) cũng đòi hỏi khá nhiều thời gian Chính vì lí do đó, trong thực tế dạy học phổ thông hiện nay khi sử dụng các phương pháp này thì các TN thường được tiến hành dưới dạng TN minh hoạ

Để khắc phục các hạn chế kể trên, một trong các phương pháp mới được đưa ra là:

Phương pháp phân tích các băng ghi hình nhờ máy vi tính và các phần mềm tương ứng Nguyên tắc chung của phương pháp này là: Băng ghi hình quá trình vật lí thực

dưới dạng Analog được chuyển thành các tín hiệu số nhờ quá trình số hóa Nhờ các phần mềm đọc các số liệu đã số hóa, hiển thị lại quá trình vật lí trên màn hình, thu thập, sử lí số liệu

* Các giai đoạn của phương pháp phân tích các băng ghi hình nhờ máy vi tính

và các phần mềm tương ứng: Ví dụ là quá trình phân tích chuyển động con lắc lò xo

trên máy vi tính

- Quan sát quá trình vật lí cần nghiên cứu: Nhờ dữ liệu đã được số hóa và phần

mềm tương ứng, GV cho HS quan sát lại quá trình vật lí thực trên màn máy tính hoặc Projector Việc quan sát này có thể cho chuyển động nhanh như thực tế, chuyển động chậm lại, chuyển động từng giai đoạn hay dừng lại để nghiên cứu

- Xác định vị trí tọa độ và thời điểm tương ứng của vật chuyển động: Sử dụng

chuột click vào trọng tâm vật, sau mỗi lần click một cặp giá trị x, t của vật điền vào

bảng giá trị Đồng thời vật dịch chuyển đến vị trí tiếp theo trên màn hình (có thể dùng chế độ tự động thu thập số liệu) Dưới đây là hình ảnh quá trình thu thập và phân tích

số liệu:

Hình 1.13 Thu thập số liệu trên máy tính

- Phân tích, xử lí số liệu và trình bày kết quả TN: Sau khi có bảng số liệu, phần

mềm sẽ sử lý kết quả và trình bày dưới dạng đồ thị

Hình 1.14 Đồ thị xt của con lắc Hình 1.15 Đồ thị vt của con lắc

- Đưa ra dự đoán (giả thuyết) về quy luật chuyển động và kiểm tra dự đoán, điều chỉnh dự đoán để tìm quy luật:

Nhìn vào đồ thị nhận thấy: Đồ thị xt, vt có dạng đường cong, ta dự đoán xt, vt là hàm cosin của t

Để kiểm tra giả thuyết đó, dùng phần mềm vẽ đồ thị dạng xt=Acos(at+b),

vt=Acos(a’t+b’) với các giá trị a, b, a’, b’ thay đổi được Thay đổi giá trị này cho đến khi đồ thị lý thuyết trùng với đồ thị thực nghiệm

Hình 1.16 Đồ thị lý thuyết và thực nghiệm trùng nhau Dựa vào đồ thị lý thuyết sẽ xác định được a, b, a’, b’, tức là xác định được biên

độ, chu kỳ, pha ban đầu

* Qua trình bày ở trên cho thấy, phương pháp phân tích băng ghi hình nhờ máy

vi tính có các ưu điểm cơ bản sau:

+ Cho phép nghiên cứu bằng thực nghiệm (TN tiến hành dưới dạng khảo sát) các quá trình vật lí thực tạo ra trong phòng TN hay xảy ra trong cuộc sống hàng ngày

+ Các quá trình vật lí thực có thể dễ dàng quan sát tại bất kì thời điểm nào, góc

độ nào và quan sát nhiều lần trên màn hình với các mục đích khác nhau

+ Việc thu thập số liệu (bao gồm việc xác định toạ độ tại bất kì thời điểm nào cũng như các quãng đường của chuyển động của vật) nhờ phần mềm hoàn toàn dễ dàng, nhanh chóng và tương đối chính xác

+ Việc phân tích, xử lí các số liệu thu thập được (tính toán, lập bảng, biểu diễn các mối quan hệ trên đồ thị ) cũng như việc trình bày kết quả xử lí là hoàn toàn dễ dàng, chính xác, nhanh chóng và đẹp

+ Phạm vi các quá trình vật lí được nghiên cứu rộng hơn, không những các dạng chuyển động thẳng mà dạng chuyển động phức tạp bất kì nào trên mặt phẳng (chuyển động ném xiên, chuyển động tròn, chuyển động của tên lửa bay từ bệ phóng, chuyển động của các vận động viên nhảy xa, nhảy cao, nhảy cầu bơi ) Ưu điểm này tạo điều kiện xoá bỏ sự ngăn cách giữa nhà trường và thế giới bên ngoài, cho phép đưa các hiện tượng có trong thực tiễn trong đời sống sinh động hàng ngày vào bài giảng, gây hứng thú học tập cho HS

+ Cùng một khối lượng nội dung nghiên cứu thì thời gian cần thiết trong phương pháp này mất rất ít so với các phương pháp khác do tất cả các thao tác tính toán, lập bảng, vẽ đồ thị một cách máy móc, thuần tuý đã được máy tính tự động thực hiện HS được giải phóng khỏi các công việc máy móc (cộng, trừ, nhân chia, điền các con số vào bảng, hay đánh dấu vào các trục toạ độ để vẽ đồ thị ) Do đó họ dành được nhiều thời gian cho các hoạt động quan trọng trong quá trình nghiên cứu bằng thực nghiệm như: Đưa ra giả thuyết, tìm cách kiểm tra giả thuyết đó

+ Trang thiết bị nghiên cứu theo phương pháp này không tốn kém Với các thiết bị máy vi tính đang được trang bị ở trường phổ thông Việt Nam hiện nay đều có thể triển khai nghiên cứu các quá trình vật lí theo phương pháp này

* Mặc dù có khá nhiều ưu điểm cơ bản song ở phương pháp này có một số khó khăn chủ yếu về kĩ thuật:

+ Các băng ghi hình về các hiện tượng, quá trình vật lí cần phải được số hoá mới sử dụng được theo phương pháp này

+ Với công nghệ hiện nay,

muốn lưu trữ một quá trình xảy ra

trong một phút thì trong máy cần có

dung lượng ổ cứng khoảng 1GB

1.2.4 Máy vi tính hỗ trợ các thí nghiệm vật lí

Sử dụng máy vi tính hỗ trợ các TN vật lí được sử dụng rộng rãi, các kết quả đo được máy tính sử lí và hiển thị kết quả trên phầm mềm Dưới đây là hình ảnh thiết bị

TN được ghép nối với máy tính

Hình 1.18 Thiết bị TN với đệm khí được

ghép nối với máy vi tính

Hình 1.19 Màn hình hiển thị kết quả TN

với con lắc Máy tính được ghép nối với TN theo sơ đồ hệ thống sau:

Hình 1.20 Sơ đồ mô tả TN ghép với máy tính Theo sơ đồ này, “Bộ cảm biến” có chức năng thu thập số liệu Nguyên tắc chung của bộ cảm biến là: Các tương tác cơ, nhiệt, quang, từ của đối tượng lên bộ cảm biến được chuyển thành tín hiệu điện Mỗi một bộ cảm biến có một chức năng riêng, ví dụ: Để đo lực dùng bộ cảm biến lực (Force Sensor), để xác định vị trí và thời điểm tương ứng của vật người ta dùng bộ cảm biến chuyển động (Motion Sensor) Vì vậy ứng với từng phép đo khác nhau chúng ta phải dùng các bộ cảm biến riêng

Sau khi tín hiệu hình thành tại bộ cảm biến, nó sẽ được chuyển tiếp đến bộ phận tiếp theo là “Thiết bị ghép tương thích” Tại thiết bị này, tín hiệu được số hóa và chuyển vào máy vi tính để lưu trữ Để tính toán, xử lý số liệu này máy tính cần cài đặt phần mềm (kèm theo thiết bị) Hiện nay, một số thiết bị ghép tương thích có thể lưu trữ và hiển thị số liệu mà không cần máy tính

* Các giai đoạn tiến hành TN với máy vi tính

- Tiến hành TN để có thể quan sát được hiện tượng, quá trình vật lí cần nghiên cứu (bằng mắt hay nhờ các dụng hỗ trợ);

- Thu thập số liệu cần đo;

- Xử lí số liệu đo (qua tính toán, đối chiếu, so sánh) và trình bày kết quả xử lí;

Đối tượng

đo

Bộ cảm biến (Sensor)

Thiết bị ghép tương thích (Interface)

Máy vi tính cài phần mềm sử lí

số liệu

Màn hình hiển thị (Monitor)

- Từ các kết quả xử lí đó, tìm ra (trong TN khảo sát) hay chứng tỏ (trong TN minh họa) sự tồn tại các mối quan hệ có tính quy luật trong hiện tượng, quá trình nghiên cứu

* Các ưu điểm của TN được hỗ trợ bằng máy vi tính

- Có tính trực quan hơn trong việc trình bày số liệu đo, hiển thị kết quả (dưới dạng bảng biểu, đồ thị với các lựa chọn khác nhau làm nổi bật yếu tố quan trọng );

- Tiết kiệm nhiều thời gian do thu thập số liệu, xử lý số liệu hoàn toàn tự động;

- Cho phép thu thập nhiều bộ dữ liệu thực nghiệm trong thời gian ngắn (đó là một yều cầu quan trọng trong nghiên cứu thực nghiệm);

- Độ chính xác cao của các số liệu đo cũng như kết quả tính toán cuối cùng do

sử dụng các thiết bị hiện đại và phương pháp tính hiện đại;

- Tiết kiệm thời gian lắp đặt TN (các thiết bị ghép nối thường ít chi tiết);

- Người sử dụng không cần thành thạo về kỹ thuật máy tính, kiến thức lập trình

* Các khó khăn của TN được hỗ trợ bằng máy vi tính

- Người sử dụng cần làm quen với phần mềm kèm theo thiết bị (cài đặt, sử dụng);

- Giá thành các thiết bị cảm biến, thiết bị ghép tương thích, thiết bị TN kèm theo còn đắt [9], [16]

1.3 Những yêu cầu về phần mềm sử dụng trong dạy học vật lí

1.3.1 Khái niệm phần mềm dạy học

PMDH là phần mềm được thiết kế nhằm hỗ trợ có hiệu quả việc dạy và học của

GV, HS bám sát mục tiêu, nội dung chương trình sách giáo khoa [3]

PMDH là một phần mềm máy tính được sử dụng trong quá trình dạy học của

GV và HS

PMDH là một loại phần mềm ứng dụng, được xây dựng từ những phần mềm công cụ, phần mềm tiện ích nhằm tạo ra các kênh tương tác và hiệu quả tương tác giữa: Nội dung dạy học - người học, người dạy - người học

PMDH là một phương tiện dạy học (vừa là phương tiện truyền tải thông tin, vừa

là nội dung thông tin), nó có thể coi là thiết bị dạy học [22]

1.3.2 Phân loại phần mềm dạy học vật lí

Có nhiều tiêu chí phân loại PMDH, ở đây đề ra một vài tiêu chí tiêu biểu và phân loại theo tiêu chí này

- Căn cứ theo chức năng, có thể chia làm hai loại:

+ Phần mềm công cụ: Có chức năng tạo ra các nội dung bài học Ví dụ: Violet, Geometer’s Sketchpad, Cabri, GeoGebra

+ Phần mềm nội dung: Là phần mềm chứa nội dung học tập phù hợp với một chương trình học tập cụ thể Ví dụ: Phần mềm trắc nghiệm vật lí,

TN ảo

- Căn cứ vào đối tượng sử dụng, có thể chia làm hai loại:

+ Phần mềm dùng cho GV Ví dụ: Phần mềm eXe, LessonLoaderPlus + Phần mềm dùng cho HS: Phần mềm gia sư, trò chơi học tập

- Căn cứ vào mục đích sử dụng:

+ Phần mềm minh họa: Các phần mềm TN, phần mềm tư liệu

+ Phần mềm tương tác: Người sử dụng có thể điều chỉnh được các tham biến trong đó [22]

1.3.3 Các đặc điểm của phần mềm trong dạy học vật lí

PMDH có nhiều ưu việt hơn so với các thiết bị dạy học truyền thống, bởi vì:

- Có thể mang một lượng thông tin lớn, chọn lọc ở mức độ cần và đủ theo nhu cầu của nhiều đối tượng

- Là nguồn cung cấp tư liệu phong phú đa dạng, hấp dẫn, gọn nhẹ, dễ bảo quản,

dễ sử dụng

- Có thể sử dụng thành tựu hiện đại của công nghệ truyền thông đa phương tiện vào quá trình dạy học để nâng cao tính trực quan, sinh động, hấp dẫn của tài liệu nghe nhìn

1.3.4 Vai trò của phần mềm trong dạy học vật lí

Ngoài vai trò như một thiết bị dạy học truyền thống, PMDH có một số vai trò đặc biệt sau: Là một TBDH tổng hợp cho phép lựa chọn để đạt hiệu quả cao trong mọi khâu của quá trình dạy học, giúp GV, HS làm việc một cách dễ dàng nhanh chóng, hiệu quả, tiết kiệm thời gian, công sức PMDH góp phần đổi mới nội dung, phương pháp và hình thức tổ chức dạy học [8], [23]

- Đổi mới nội dung dạy học: PMDH có thể trình bày một cách trực quan, sinh

động, dễ hiểu giúp HS dễ dàng nắm được nội dung chương trình Mặt khác có khả năng cung cấp thêm nhiều tài liệu phong phú, đa dạng dùng để tra cứu, tham khảo, đọc thêm, hệ thống hóa kiến thức, luyện tập theo các cấp độ khác nhau

- Đổi mới phương pháp dạy học: PMDH có thể biểu thị thông tin dưới dạng văn

bản, kí hiệu, đồ thị, biểu đồ, hình vẽ Các tài liệu trong PMDH được lựa chọn, thiết kế theo cách phối hợp tối ưu nhằm tận dụng được thế mạnh của từng loại trong dạy học PMDH cho phép thể hiện âm thanh, hình ảnh, tiếng nói và văn bản kết hợp thành một chỉnh thể rất hấp dẫn với HS Nó cho phép GV giảng dạy những hiện tượng khó hoặc không thể quan sát trong điều kiện nhà trường, không thể thực hiện với các thiết bị khác PMDH có thể giúp HS tự tìm kiến thức mới, tự ôn luyện theo nội dung hay mức

độ tùy theo năng lực của mình

- Đổi mới hình thức tổ chức dạy học: Trong thời đại phát triển với tốc độ nhanh

như hiện nay, việc học không thể giới hạn về không gian, thời gian và hình thức tổ chức Có thể học dưới nhiều hình thức khác nhau, ở mọi nơi, mọi lúc mà công cụ trợ giúp là CNTT và truyền thông

+ GV và HS có thể rèn thao tác với máy tính

+ PMDH có thể giúp cho việc cá thể hóa cao độ do nó có khả năng mô phỏng kiến thức cần trình bày một cách phù hợp với trình độ HS

+ Nhờ vào mạng Lan, Internet HS có thể học từ xa và mang tính giao tiếp chủ động

1.3.5 Các tiêu chí cho phần mềm dạy học vật lí

PMDH là một trong 9 loại hình TBDH (Tranh, ảnh giáo khoa; Bản đồ, lược đồ giáo khoa, bảng, biểu đồ; Mô hình, vật mẫu; Dụng cụ dạy học (dụng cụ đo lường, dụng cụ TN); Phim đèn chiếu (phim slide); Bản trong dùng cho máy chiếu Overhead; Băng, đĩa ghi âm; Băng, đĩa ghi hình; PMDH) Trước khi trình bày những yêu cầu đối

với PMDH, dưới đây trình bày yêu cầu cơ bản đối với TBDH nói chung Các yêu cầu này là:

- Về tính sư phạm: Các TBDH phải thể hiện được lượng thông tin chứa trong nó

một cách rõ ràng, các mô hình phải giống vật thực, kích thước đủ lớn để quan sát, việc

sử dụng phải phù hợp với tiến trình của quá trình dạy học

- Về tính lao động kĩ thuật: Quá trình tháo lắp, vận chuyển, bảo quản dễ dàng,

vật liệu bền và không độc hại GV dễ sử dụng trong thời lượng cho phép của một tiết học

- Về tính thẩm mĩ: Đẹp, trực quan, sinh động, làm nổi bật các chi tiết sư phạm

- Về tính kinh tế: Giẻ tiền để có thể trang bị cho nhiều trường

Để PMDH đảm bảo tốt việc hỗ trợ quá trình dạy học, nó phải đảm bảo các nguyên tắc sau:

- PMDH có ý tưởng rõ ràng về nội dung và phương pháp dạy học

Ý tưởng của phần mềm thể hiện ở các phương diện: Đạt được mục tiêu dạy học bằng việc đảm bảo đúng những nội dung cơ bản về kiến thức mà chương trình và SGK

đã xác định, tuân thủ các nguyên tắc dạy học theo hướng phát huy tính tích cực học tập

và chủ động nhận thức của HS

Phạm vi thể hiện PMDH rất rộng, có thể là một bài, một chương Tuy nhiên, yêu cầu đầu tiên đối với tác giả thiết kế PMDH là phải xác định được mục đích dạy học rõ ràng trên cơ sở nội dung và phương pháp dạy học mới Thông thường, tác giả phải trả lời được những câu hỏi mang tính chất bắt buộc: Phần mềm giải quyết nội dung dạy học nào? Con đường để giải quyết nội dung dạy học đó như thế nào? GV và

HS sử dụng phần mềm này trong những trường hợp nào? Sử dụng trong thời gian bao lâu?

Những tác động của PMDH với các nhân tố tham gia vào quá trình giáo dục như thế nào? Ví dụ: Khi thiết kế phần mềm hỗ trợ giảng dạy bài “Khảo sát dao động điều hòa” phải nghiên cứu kĩ bài học để xác định rõ nội dung nào cần sử dụng PMDH

và sử dụng với mục đích gì, tìm hiểu kiến thức mới hay minh họa, hệ thống hóa kiến thức Xác định thời điểm thích hợp, độ dài thời gian sử dụng trong tiết học Cần gợi ý vấn đề gì để kích thích hứng thú học tập của HS

- PMDH đáp ứng và kết hợp được các cấp độ nhận thức khác nhau, đáp ứng được yêu cầu phân hóa trong dạy học

Ý tưởng cần thiết khi xây dựng PMDH là phải cung cấp được nhiều loại bài học thích ứng với các cấp độ nhận thức khác nhau: Biết, hiểu, áp dụng, phân tích, tổng hợp

và đánh giá Những mô phỏng về sự vật, hiện tượng, các TN giầu tính trực quan giúp

HS dễ biết, dễ hiểu

Ví dụ: Khi mô tả phương pháp vectơ quay, trên mô hình phải thể hiện được sự chuyển động của vectơ và hình chiếu của nó trên ox một cách trực quan HS có thể tìm hiểu trên mô hình này ý nghĩa pha ban đầu, tốc độ góc, phân tích các đặc trưng của dao động điều hòa Sự gắn kết giữa phương pháp vectơ và mô phỏng chuyển động của con lắc trên một mô hình giúp HS tổng hợp kiến thức đã học dễ dàng hơn

- PMDH kích thích được mối quan hệ tương tác của các nhân tố tham gia trong quá trình dạy học

Tăng cường sự tương tác giữa các nhân tố tham gia trong quá trình dạy học là một đặc trưng cơ bản của PMDH Tuy nhiên tương tác cũng được xếp theo các cấp độ

cụ thể, nó gồm 6 cấp độ (mô hình của Schulmeister -2003):

+ Cấp độ 1: Chỉ hiển thị thông tin

+ Cấp độ 2: Cho phép người sử dụng điều chỉnh, định hướng nhận thức qua sự trình bày thông tin

+ Cấp độ 3: Mở ra sự đa dạng trong việc trình bày nội dung

+ Cấp độ 4: Người sử dụng có thể điều chỉnh các tham biến

+ Cấp độ 5: Người sử dụng có thể điều chỉnh các nội dung

+ Cấp độ 6: Người sử dụng có thể tạo ra các điều khiển đối tượng và quan sát

sự phản ứng lại

Với các đặc tính kĩ thuật của một phần mềm máy tính, PMDH hoàn toàn có thể tạo ra các cấp độ nhận thức này Với HS, tùy theo khả năng của mình có thể tự tiến hành các cấp độ “giao tiếp” với nội dung bài học, GV có thể hướng dẫn cho HS quá trình giao tiếp này

- PMDH chứng minh được tính ưu việt của một thiết bị đa năng

Hiện nay, có rất nhiều thiết bị dạy học thuộc các loại hình khác nhau, từ tranh ảnh đến mô hình, mẫu vật, dụng cụ, băng ghi hình, băng ghi âm Mỗi loại hình thiết bị đều có những ưu thế riêng trong quá trình dạy học So với PMDH, những thiết bị này tuy có cồng kềnh nhưng giá cả không đắt PMDH chỉ ra đời khi không có thiết bị dạy học nào thay thế được và nó phải chứng minh được các ưu thế khi sử dụng, các ưu thế

đó là:

+ Tạo nên các thiết bị mô phỏng hiện tượng, sự vật để HS dễ dàng theo dõi trong một thời gian nhất định phù hợp với tiết học Ví dụ: Mô phỏng hiện tượng sóng dọc, mô hình sóng điện từ

+ Tạo nên các tham biến cho người học có thể điều chỉnh, khi đó các thông số của quá trình nghiên cứu thay đổi

Ví dụ: Trong mô hình con lắc lò xo, thay đổi k hay m sẽ làm cho chu kỳ thay đổi, con lắc sẽ chuyển động nhanh lên hay chậm đi, đồng thời dạng đồ thị li độ thay đổi theo Qua đây HS thấy được mối liên hệ của T vào k và m

+ Tạo nên sự phản hồi thông tin với người dùng Thông tin phản hồi của PMDH

về các hành động của người sử dụng sẽ trợ giúp cho quá trình học tập của người học

Có hai loại phản hồi có thể thiết kế trên PMDH là:

- Phản hồi “ẩn”, PMDH chỉ tạo ra kết quả khi người học tương tác với

nó và người học phải tự mình giải thích kết quả đó

- Phản hồi “hiện” hiển thị một trợ giảng tự động có vai trò như một người thầy giáo

- PMDH được thiết kế theo xu hướng mở, trực quan và dễ sử dụng

PMDH cho phép hiển thị hình ảnh, mô hình đồ thị, biểu thức, ký hiệu vectơ nên nó tác động đến nhiều giác quan của người sử dụng, tăng cường tối đa sự chú ý của người học với nội dung bài học Thêm nữa, phần mềm cho phép thiết kế các giao diện mà ở đó, sự trình bày thông tin có được sự tường minh bằng những chỉ dẫn ngắn gọn, súc tích

- PMDH phải tạo điều kiện cho việc đổi mới phương pháp dạy học, phát huy được tính tích cực chủ động trong hoạt động nhận thức của từng HS

Việc thiết kế PMDH phải chú ý tới việc sử dụng các phần mềm đó phải phù hợp với các phương pháp dạy học hiện đại để phát huy được tính tích cực nhận thức của

HS [3], [22]

Cũng như PMDH, sản phẩm multimedia phải có các tiêu chí như phù hợp với nội dung, chương trình môn học; đảm bảo tính trực quan; hợp nhất các hình ảnh và âm thanh; định hướng sự chú ý của người học; có tính mở, giúp người học phát huy tính tích cực nhận thức [13], [18]

công nghệ Quá trình xây

dựng này đòi hỏi cần có

sự phối hợp của nhà sư

phạm và người có khả

năng về CNTT nhằm mục

đích xây dựng và đánh giá

sản phẩm trước khi đưa

vào thử nghiệm (hay còn

gọi là thực nghiệm sư

Giai đoạn 3: Chỉnh sửa sản phẩm và quy trình sử dụng sản phẩm

Giai đoạn 4: Quay lại nội dung của giai đoạn 2 và giai đoạn 3 cho đến khi thấy

sản phẩm và quy trình sử dụng sản phẩm hoàn thiện

Các giai đoạn xây dựng sản phẩm CNTT trên đây được khái quát hóa bởi sơ đồ Hình 1.21 Những kết quả trong quá trình thực nghiệm sư phạm được sử dụng để bổ xung cho những nghiên cứu cơ sở của ứng dụng CNTT trong dạy học [22]

1.4.2 Sử dụng phần mềm dạy học

1.4.2.1 Qui trình sử dụng phần mềm dạy học

Một trong các nguyên tắc sử dụng các phần mềm trong dạy học là “Chỉ sử dụng phần mềm khi mà các phương tiện dạy học truyền thống không hoặc đáp ứng không tốt các yêu cầu trong dạy học đặt ra (sao cho HS thu nhận kiến thức một cách đầy đủ, chính xác và phát huy tính tích cực, sáng tạo)”

Các bước khi sử dụng PMDH (Quy trình sử dụng):

Bước 1: Nghiên cứu rõ trọng tâm bài học để xác định rõ nội dung cần sử dụng

PMDH

+ Phần nào cần tiết kiệm thời gian trên lớp

Hình 1.21 Quy trình xây dựng phần mềm trong dạy học

vật lí

Mục tiêu học

Sản phẩm ban đầu

Phỏng vấn chuyên gia, TNSP

Sản phẩm chỉnh sửa

Sử dụng trên lớp

Sản phẩm cuối

Nghiên cứu cơ sở

Phỏng vấn chuyên gia, TNSP

Quy trình xây dựng

+ Phần nào cần gợi vấn đề để kích thích hứng thú của HS

+ Phần nào cần hình ảnh động, cần thay đổi điều kiện của đầu bài

+ Phần nào HS thường mắc sai lầm, cần có bài mẫu, giải mẫu để HS tham khảo, rút kinh nghiệm

+ Phần nào cần tiểu kết trong bài, tổng kết cuối chương

+ Phần nào cần trò chơi giúp củng cố, kiểm tra nhanh kiến thức thức bài học

Bước 2: Xác định thời điểm thích hợp, độ dài thời gian sử dụng PMDH

Sử dụng phần mềm phải phù hợp với phương pháp dạy học, do đó cần xác định phần mềm sử dụng ở thời điểm nào, trong thời gian bao lâu để có thể gây hứng thú, phát huy được tính tích cực nhận thức của HS

Bước 3: Tìm biện pháp, cách thức thích hợp để tổ chức dạy học, chuẩn bị câu

hỏi dẫn dắt HS thực hành

Nếu có điều kiện cho HS học trên phòng máy thì cần hướng dẫn cho HS thao tác ở thời điểm thích hợp Nếu chỉ có một máy tính phải xác định rõ phần nào GV sử dụng, phần nào HS thực hành trên máy để kích thích hứng thú học tập của HS, phát triển tư duy sáng tạo [3]

Đối với sản phẩm multimedia, ngoài việc xác định một số bước như trên thì cần chú ý các nguyên tắc: Quản lí việc quá tải nhận thức; tránh lạm dụng multimedia; định hướng sự chú ý của người học; tạo điều kiện cho người học thực hành [19]

Với những ưu điểm và chức năng riêng của thiết bị dạy học truyền thống và PMDH, đề xuất sử dụng phối hợp chúng nhằm phát huy tính tích cực nhận thức, nâng cao hiệu quả dạy học Về nguyên tắc, phần mềm mô phỏng chỉ hỗ trợ quá trình tạo tình huống có vấn đề, thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề và trong quá trình ôn tập, củng cố Với sản phẩm multimedia, có thể cho HS xem video TN tạo tình huống vấn

đề, video hỗ trợ đề xuất vấn đề hay trong ứng dụng kỹ thuật các kiến thức vật lí

Ví dụ 1: Khi nghiên cứu hiện tượng sóng dọc dừng, HS thiết lập được phương trình sóng và quan sát được hiện tượng TN trên lò xo Tuy nhiên, do hiện tượng diễn

ra nhanh nên tại một thời điểm, các phần tử dao động quanh điểm nút tạo nên hình ảnh

ổn định, nhưng thực tế là sau T/2 thì các nút sóng mới lần lượt nhìn rõ

Ví dụ 2: Khi nghiên cứu hiện tượng vật lí, HS phải thu thập số liệu để đề xuất giả thuyết và kiểm tra giả thuyết Trong một số trường hợp, HS có thể khó khăn khi sử dụng TN truyền thống trong các giai đoạn này Ví dụ trong bài toán ném xiên, để kiểm tra quỹ đạo của vật thì có thể dùng phần mềm phân tích video thu thập số liệu thực nghiệm và kiểm tra kết quả suy luận lý thuyết

1.4.2.2 Những khó khăn, hạn chế khi sử dụng phần mềm trong dạy học vật lí

- Nhận thức của GV, HS và cán bộ quản lí chỉ đạo giáo dục: Nhiều GV chưa quan tâm đến việc ứng dụng PMDH cũng như ứng dụng CNTT vào quá trình giáo dục

do đã có thói quen với các phương pháp dạy học truyền thống như sử dụng tranh ảnh,

mô hình

- Cơ sở hạ tầng CNTT còn thấp: Ứng dụng CNTT đòi hỏi phải đầu tư hệ thống trang thiết bị như máy tính, Projector, Internet, loa Các thiết bị này đắt tiền, do vậy đây cũng là một khó khăn trong việc ứng dụng CNTT

- Trình độ tin học của GV và HS còn hạn chế: Sử dụng các phần mềm đòi hỏi

GV có trình độ tin học nhất định như biết khai thác phần mềm, cài đặt phần mềm, kết

nối máy tính với các thiết bị ngoại vi, phải biết xử lý sự cố đơn giản của máy tính Đối với HS cũng cần có trình độ nhất định để thao tác với phần mềm

- Tổ chức lớp học: Do điều kiện cơ sở vật chất nên các trường không thể trang

bị máy tính và Projector đến mọi phòng học, khi muốn sử dụng HS phải di chuyển đến phòng chức năng hoặc GV phải mang máy lên lớp

- Tạo niềm tin cho HS: Các PMDH mô phỏng các hiện tượng trong tự nhiên, hoặc một TN, một đồ thị có phản ánh đúng quy luật khách quan của hiện tượng hay

đó là ý tưởng chủ quan của nhà lập trình Để xây dựng niềm tin cho HS, đòi hỏi GV không những phải nắm vững tri thức mà còn phải linh hoạt trong việc sử dụng phối hợp các phương pháp và phương tiện dạy học

1.4.2.3 Các biện pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phần mềm trong dạy học vật lí

- Sử dụng hợp lý phần mềm trong dạy học vật lí: Có thể sử dụng phần mềm ở tất cả các khâu của quá trình dạy học Tuy nhiên, cần cân nhắc lựa chọn, phối hợp với các phương tiện dạy học khác để sử dụng đúng lúc, đúng chỗ, đúng mức độ, cường độ nhằm đạt hiệu quả dạy học cao đáp ứng tốt các yêu cầu về mục tiêu, nội dung và phương pháp dạy học

- Cần khai thác tốt tiềm năng của PMDH mà các phương tiện dạy học khác không có: PMDH có thể giúp cho việc các thể hóa cao độ, có thể giúp HS tìm tri thức mới Các PMDH thường được sử dụng trong trường hợp:

+ Các mô tả, mô phỏng sự vật, hiện tượng bằng ngôn ngữ, hình ảnh, dụng cụ rất khó khăn hoặc không thể mô tả được hoặc rất mất thời gian

+ Các quá trình vật lí, các quan hệ và chuyển động phức tạp trong không gian [21]

- Cần lưu ý HS những kiến thức và kĩ năng cần thiết, những tài liệu hướng dẫn

và tài liệu bổ trợ khác trước khi sử dụng PMDH

- Cho phép HS điều khiển máy tính và đưa ra các quyết định

- Khuyến khích hoạt động hợp tác và tương tác giữa các HS trong nhóm

Khi sử dụng multimedia cần chú ý:

- Xác định rõ chủ đề cần ứng dụng multimedia: Sử dụng multimedia để quan sát những hiện tượng hiếm khi xảy ra, hiện tượng xảy ra quá nhanh, hiện tượng vi mô không (hoặc khó) qua sát được trong thực tế, những hiện tượng nguy hiểm

- Sử dụng multimedia phù hợp với phương pháp dạy học: Sử dụng phải phù hợp với phương pháp dạy học để đạt hiệu quả cao nhất Cần xác định những giai đoạn nào cần sử dụng multimedia, mức độ sử dụng đến đâu

- Định hướng sự chú ý của người học: Sự chú ý là một cơ chế tâm lí mà người học dùng để chọn lựa từ môi trường những thứ họ đưa vào kí ức làm việc Người học không làm việc tốt khi phải chú ý vào nhiều thứ một lúc Để người học không bị phân tâm, cần phải phối hợp các kênh thông tin một cách hợp lí

- Tạo điều kiện cho người học thực hành: Người học sử dụng thông tin mới thu được để trả lời các câu hỏi từ đơn giản đến phức tạp nhằm luyện tập và chuyển thông tin có được thành kiến thức của bản thân Trong môi trường trên mạng, việc sử dụng multimedia để người học thực hành là rất thuận lợi

- Tránh lạm dụng multimedia: Multimedia cho phép trình bày thông tin dưới nhiều dạng khác nhau, trực quan và sinh động Tuy nhiên cần chú ý rằng, tránh lạm dụng multimedia để phô trương, tạo các hiệu ứng gây mất chú ý của người học [19]

1.5 Tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh có sự hỗ trợ của máy vi tính

1.5.1 Tổ chức quá trình nhận thức vật lí của học sinh một cách khoa học

* Chu trình sáng tạo khoa học theo Razumôpxki

Quá trình nhận thức khoa học, nhận thức chân lí khách quan được Lê-nin chỉ ra

“Từ trực quan sinh động đến tư duy trừu tượng rồi từ tư duy trừu tượng trở về thực tiễn, đó là con đường biện chứng của sự nhận thức chân lí, của sự nhận thức thực tế khách quan”

Vật lí học nghiên cứu thế giới tự nhiên nhằm phát hiện ra những đặc tính và qui luật khách quan của sự vật hiện tượng trong tự nhiên Con đường nhận thức khoa học vật lí cũng tuân theo con đường do Lê-nin chỉ ra ở trên, nhưng có tính đặc thù của vật

lí học

Trên cơ sở khái quát hóa những lời phát biểu của những nhà vật lí nổi tiếng như Anhstanh, Plăng, Boocnơ Razumôpxki đã trình bày chu trình sáng tạo khoa học dưới dạng chu trình được sơ đồ hóa: Từ sự khái quát những sự kiện xuất phát đi đến xây dựng mô hình trừu tượng (có tính chất như một giả thuyết); từ mô hình rút ra hệ qủa lí thuyết (bằng suy luận loogic hay suy luận toán học); sau đó kiểm tra bằng thực nghiệm những hệ quả đó

Hình 1.22 Chu trình sáng tạo khoa học theo Razumôpxki Nếu những kết quả rút ra từ thực nghiệm phù hợp với hệ quả dự đoán từ mô hình giả thuyết thì mô hình giả thuyết được xác nhận là đúng đắn và trở thành chân lí Nếu những kết quả rút ra từ thực nghiệm không phù hợp với hệ quả dự đoán từ mô hình giả thuyết thì phải xem lại mô hình giả thuyết, chỉnh lí hoặc thay đổi nó Nếu mô hình trừu tượng được xác nhận, nó trở thành nguồn tri thức mới, lí thuyết mới và tiếp tục được dùng để suy ra những hệ quả mới hoặc để giải thích những sự kiện thực nghiệm mới phát hiện

Khi mô hình không còn đúng với các sự kiện nữa thì phải bổ sung, chỉnh lí mô hình cũ cho phù hợp hoặc nhiều khi phải bỏ mô hình cũ, xây dựng mô hình mới tổng quát hơn Khi đó lại bắt đầu bằng một chu trình mới (đường nét đứt)

* Tổ chức quá trình hoạt động nhận thức vật lí của HS một cách khoa học

Dạy HS học kiến thức vật lí, học phương pháp nghiên cứu vật lí một cách tốt nhất là dạy HS tập nghiên cứu vật lí Do đó, quá trình tổ chức hoạt động nhận thức của

HS cần phỏng theo quá trình nhận thức vật lí mà Razumôpxki đã đưa ra Tuy nhiên, cần quan niệm rằng cái mới ở đây (Khái niệm, định luật, nguyên lí, ứng dụng kĩ thuật) trong phạm vi, lĩnh vực, phần nhỏ nào đó trong vật lí học và là cái mới đối với HS

Mô hình (giả thuyết

trừu tượng) Các hệ quả suy ra từ mô hình

Các sự kiện xuất

phát

Kiểm tra bằng thực nghiệm

Theo quan điểm này thì quá trình hoạt động nhận thức vật lí của HS có thể thực hiện như hình 1.23

Trong sơ đồ này có sự tương ứng với các giai đoạn trong chu trình của Razumôpxki Tuy nhiên, ứng với giai đoạn “Các sự kiện xuất phát” trong chu trình của Razumôpxki thì trong dạy học chính là giai đoạn “Chọn lọc, xây dựng các thông tin về đối tượng nghiên cứu” Trong giai đoạn này, nếu thông tin chưa tạo ra mâu thuẫn nhận thức cho HS để giúp họ phát hiện ra vấn đề mới cần nghiên cứu thì cần bổ sung thông tin bằng cách tác động vào đối tượng để đối tượng bộc lộ ra thông tin mới mà trước kia chưa biết Tác động vào đối tượng ở đây được hiểu là tiến hành TN, phân tích, suy luận lí thuyết, biến đổi mô hình của đối tượng để thu được các thông tin về đối tượng

Hình 1.23 Quá trình hoạt động nhận thức vật lí của HS

Chọn lọc, xây dựng các thông tin về đối tượng nghiên cứu

Thông qua quan sát, thí nghiệm Thông qua phân tích, suy luận lí thuyết

Phát hiện vấn đề mới cần nghiên cứu hay mâu thuẫn cần giải quyết

(có thể liên quan tới tính chất mới, mối quan hệ mới trong đối tượng

đang nghiên cứu)

Đưa ra mô hình-giả thuyết trừu tượng

(Giả thuyết khoa học về tính chất mới, mối quan hệ mới)

Suy ra các hệ quả từ mô hình

(Thường là các kết luận cụ thể có thể kiểm tra bằng thực nghiệm)

Kiểm tra các kết quả bằng thực nghiệm

Phát biểu kết luận khoa học

(thuộc tính, mối quan hệ mới của đối tượng vừa được phát hiện)

Vận dụng kiến thức

1.5.2 Tổ chức quá trình nhận thức vật lí của học sinh một cách tích cực, sáng tạo với sự hỗ trợ của máy tính

Để có thể tổ chức quá trình hoạt động nhận thức vật lí của HS một cách tích cực, sáng tạo thì phải:

+ Tổ chức quá trình nhận thức vật lí phỏng theo quá trình nhận thức vật lí như các nhà khoa học: Trong các giai đoạn trong chu trình của Razumôpxki thì giai đoạn

đề xuất mô hình-giả thuyết trừu tượng, đề xuất các phương án TN và tiến hành TN tạo nhiều điều kiện để HS phát huy tính tích cực, năng lực sáng tạo

+ Dựa trên các kết quả nghiên cứu của tâm lí học phát triển: Lí thuyết của Piaget cho rằng “sự phát triển do con người tạo ra bằng cách là đưa quá trình cân bằng

từ thấp lên cao, đạt đến đỉnh cao là cấu trúc logic-toán (cân bằng nhận thức) Theo Vưygosky thì “ sự phát triển nhận thức xảy ra tốt nhất khi HS phải đi qua vùng phát triển gần thông qua việc lập luận, tranh luận với bạn học hoặc người lớn tuổi” Khi tổ chức hoạt động nhận thức cần: Tạo nên sự mất cân bằng-xuất hiện mâu thuẫn-về mặt nhận thức; Điều khiển, dẫn dắt HS tự lực giải quyết mâu thuẫn nhận thức một cách tích cực, sáng tạo

Việc tổ chức hoạt động nhận thức cho HS một cách tích cực, sáng tạo theo sơ

đồ trên thường gặp khó khăn ở các giai đoạn như: Đề xuất mô hình-giả thuyết trừu tượng; xây dựng TN và tiến hành TN để kiểm tra hệ quả Để có cơ sở đề xuất mô hình-giả thuyết trừu tượng cần thu thập thông tin liên quan đến đối tượng nghiên cứu, để tạo điều kiện cho tư duy trực giác, đưa ra mô hình-giả thuyết trừu tượng Tuy nhiên, quá trình này có thể khó khăn khi sử dụng các TN truyền thống hoặc cách tiếp cận thông tin theo các truyền thống Chính vì vậy có thể sử dụng máy tính hỗ trợ các giai đoạn này

Ví dụ 1: Khi dạy phần Chuyển động ném xiên, để kiểm tra kết quả tính toán lý thuyết (dạng quỹ đạo, phương trình xt, biến đổi vận tốc theo ox và oy) có thể khó khăn với thiết bị thực Một cách khác dễ dàng hơn là dùng phần mềm phân tích video (VD Coach 6) hỗ trợ quá trình thu thập, xử lý số liệu

Ví dụ 2: Khi dạy phần Định luật Ôm cho đoạn mạch chứa nguồn, để hỗ trợ quá trình đưa ra phương án TN (lựa chọn các dụng cụ, thiết kế TN, tiến hành TN ) có thể

dùng phần mềm mô phỏng (Crocodile Physics) để thiết kế mạch điện trước để có

phương án tối ưu, sau đó lựa chọn thiết bị thực lắp ráp mạch điện và tiến hành TN Khi

xử lý số liệu, có thể dùng máy tính (VD dùng excel) tính toán để đưa ra kết luận nhanh hơn

Ví dụ 3: Khi dạy học bài Kính hiển vi, để đưa ra mô hình cấu tạo HS có thể dựa trên kiến thức lý thuyết đã học để lựa chọn công cụ Tuy nhiên, cách lắp ráp thiết bị thế nào, thông số các thấu kính bằng bao nhiêu là hợp lý và mô hình cấu tạo lý thuyết

có phù hợp không đòi hỏi phải kiểm tra bằng thực nghiệm Tuy nhiên, có thể do thiết

bị hạn chế nên có thể thể dùng mô phỏng (Crocodile Physics) thiết kế theo mô hình lý

thuyết, lựa chọn và thay đổi thông số thiết bị dễ dàng Sau đó sử dụng các thiết bị thật như mô phỏng để chế tạo thiết bị thật

Bài tập chương 1

1 Trình bày các ứng dụng cơ bản của máy vi tính trong dạy học vật lí

2 Lấy ví dụ về mô phỏng hiện tượng vật lí trong chương trình vật lí THPT

3 Lấy ví dụ chỉ ra ứng dụng của CNTT hiệu quả hơn sử dụng thiết bị dạy học truyền thống khi dạy học vật lí THPT

4 Phân biệt kỹ thuật phân tích video và mô phỏng trong dạy học vật lí

5 Trình bày những yêu cầu về phần mềm sử dụng trong dạy học vật lí Phân tích ví dụ để thấy phần mềm đáp ứng được tiêu chí nào

6 Lấy ví dụ về ứng dụng CNTT trong tiến trình tổ chức hoạt động nhận thức cho HS

CHƯƠNG 2 KHAI THÁC INTERNET, NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG MỘT SỐ

PHẦN MỀM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 2.1 Khai thác tài nguyên trên Internet trong dạy học vật lí

2.1.1 Sử dụng công cụ tìm kiếm

Có nhiều trang web cho phép người dùng tìm kiếm thông tin trên Internet như: + www.Google.com.vn: Google có nhiều tính năng đặc biệt giúp bạn tìm chính xác những gì bạn đang tìm kiếm Nó cho phép tìm kiếm thông tin, hình ảnh, video

+ www.Bing.com: Công cụ tìm kiếm của Microsoft, nó cho phép tìm kiếm thông tin, hình ảnh, video

+ www.Yahoo.com: Ngoài chức năng một trang web cung cấp thông tin, Yahoo còn có chức năng tìm kiếm thông tin, hình ảnh, video

+ www.Ask.com: Cũng như các trang web khác, ask.com cho phép tìm kiếm kiếm thông tin, hình ảnh, video

+ www.Search.aol.com: Cho phép tìm kiếm kiếm thông tin, hình ảnh, video

Dưới đây là cách tìm kiếm thông tin trên mạng sử dụng một số công cụ tìm

kiếm thông dụng (chú ý định dạng font chữ là Unicode)

Ví dụ tìm kiếm nội dung liên quan đến Từ trường, có thể tìm kiếm với từ khóa

Từ trường hoặc để trong ngoặc “Từ trường” (cho kết quả chính xác)

Hình 2.1 Kết quả tìm kiếm với

Google.com.vn

Hình 2.2 Kết quả tìm kiếm với Bing.com

Để tìm kiếm hình ảnh, click chuột vào chữ Hình ảnh trên menu

Hình 2.3 Kết quả tìm kiếm hình ảnh với

Hình 2.5 Kết quả tìm kiếm video với

google.com.vn

Hình 2.6 Kết quả tìm kiếm video với

Bing.com Trong nhiều trường hợp, từ khóa tiếng việt cho kết quả không mong muốn Do

đó, nên chuyển từ khóa sang tiếng anh bằng công cụ translate.google.com, ví dụ “Từ

trường”→”Magnetic field”

Tìm kiếm nâng cao trong google: Sử dụng chức năng tìm kiếm kiểu file, trong một địa chỉ cụ thể

2.1.2 Khai thác các mô phỏng, video hỗ trợ dạy học vật lí

Có thể sử dụng các mô phỏng, video ở chế độ online hay offline tùy thuộc vào trang web cung cấp Dưới đây hướng dẫn truy cập một số trang web thông dụng để khai thác mô phỏng, video

* Khai thác video trên youtube.com

Có rất nhiều video trên youtube hỗ trợ dạy học vật lí, có thể sử dụng online hay tải về máy dùng offline trên máy tính Các video này quay các TN, mô phỏng hay các bài giảng về vật lí

Để tìm kiếm video trong youtube có thể dùng công cụ tìm kiếm google (tìm trong site) hoặc tìm kiếm trong ô tìm kiếm của youtube Có thể tìm kiếm bằng tiếng việt hoặc tiếng anh

Ví dụ: Từ khóa “Máy phát điện xoay chiều” cho kết quả như sau:

Hình 2.7 Kết quả tìm kiếm với google Hình 2.8 Kết quả tìm kiếm trong youtube

Để tải video trên youtube có thể dùng phần mềm IDM (Internet Download Manager), trình duyệt Cốc Cốc để tải file sẽ cho định dạng file là mp4, webm hoặc

+ Dùng trình duyệt web Cốc Cốc: Sau khi mở file trên trình duyệt Cốc Cốc,

chọn biểu tượng mũi tên ở góc trên bên phải để tải file về máy.

* Xem trực tuyến các mô phỏng trên www.edumedia-sciences.com

Trang web này cung cấp các

mô phỏng dưới dạng flash hoặc video,

trang web chỉ cho xem và dùng thử

các mô phỏng này, để xem đầy đủ và

tải về máy phải đăng ký bản quyền

Các mô phỏng được sắp xếp

trong các chủ đề, danh mục các chủ đề

được sắp xếp dưới dạng ma trận Các

chủ đề được chia thành các lĩnh vực

như hóa học, vật lí, khoa học trái đất,

khoa học sự sống Để xem các mô

phỏng chỉ cần click chuột vào các ảnh

đại diện của chúng và thao tác được

trực tuyến

Để tìm kiếm các mô phỏng, gõ từ khóa (tiếng Anh) vào ô tìm kiếm

Các mô phỏng tương tác này cho phép tương tác trực tuyến, người dùng có thể thay đổi các thông số của đối tượng Tuy nhiên, có một số dạng mô phỏng video không cho phép tương tác Dưới đây là ví dụ:

Hình 2.10 Mô phỏng tương tác về định

luật Cu-lông

Hình 2.11 Video mô phỏng cơ chế tạo

sóng âm

* Sử dụng mô phỏng tương tác trên phet.colorado.edu

Đây là các mô phỏng phát triển bởi nhóm PhET (Physics Education Technology) của đại học Colorado Tất cả các Mô phỏng của PhET đều được cung cấp

miễn phí trên website, rất dễ sử dụng và kết hợp vào bài học Chúng được viết bằng Java và Flash, có thể chạy bằng cách dùng trình duyệt web chuẩn miễn là máy đã cài Flash và Java

Hình 2.9 Giao diện trang

edumedia-sciences.com

Các mô phỏng được bố trí theo

từng chủ đề hoặc theo cấp học và

được sắp xếp dưới dạng như cây thư

mục Để xem mô phỏng, click vào

hình đại diện của nó, khi đó có hai chế

độ cho người dùng lựa chọn là “Tải

về” và “Chạy ngay” Người dùng có

thể tải về máy và dùng offline hoặc

chạy mô phỏng online

Ví dụ muốn xem mô phỏng về

hiện tượng nhiễm điện, click vào ảnh

Bong bóng và tĩnh điện→chọn Tải về

(hoặc Chạy ngay)

Hình 2.13 Lựa chọn kiểu chạy mô phỏng Hình 2.14 Giao diện mô phỏng về nhiễm

điện Chú ý là các mô phỏng này có phiên bản tiếng việt, để sử dụng cần chọn ngôn

ngữ là Tiếng Việt ở trang chủ của PhET

* Một số địa chỉ khác cung cấp mô phỏng, phần mềm, video

(1) http://truonghocketnoi.edu.vn/thuvien/thuvien.php

Trang web của Bộ GD&ĐT Sau khi truy cập, chọn mục Thư viện ảo Vật lí

Trên trang web cung cấp các mô phỏng mô về TN vật lí

(2) http://tulieu.violet.vn

Trang web của Công ty cổ phần tin học Bạch Kim, trên đó cung cấp mô phỏng, video và bài giảng hỗ trợ dạy học vật lí và các môn học khác Phần lớn các tư liệu do GV sưu tầm của tác giả trong và ngoài nước

(3) http://thuvienvatly.com

Trang web cung cấp các mô phỏng, phần mềm, video và các bài giảng, câu hỏi trắc nghiệm hỗ trợ dạy học vật lí và một số môn học khác Các tài nguyên này do các tác giả sưu tầm hoặc tự làm Để tải phần mền, chọn mục

Phần mềm

(4) http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/index.html

Trang web của đại học University of Nantes (French: Université de Nantes), tại đây cung cấp nhiều mô phỏng dạng flash và cabri Các tài nguyên

này miễn phí, người dùng có thể tải về máy và dùng offline

Hình 2.12 Giao diện trang

phet.colorado.edu

(5) http://phys23p.sl.psu.edu/phys_anim/Phys_anim.htm

Trang web cung cấp các mô phỏng dưới dạng video về các chủ đề môn vật lí, có thể tải các video về máy và sử dụng offline

(6) http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/index.html

Trang web cung cấp các mô phỏng Java theo các chủ đề của môn vật lí,

số lượng hàng trăm mô phỏng được chia theo các chủ đề

(7) http://www.schulphysik.de/java1.html

Trang web cung cấp các mô phỏng Java theo các chủ đề của môn vật lí,

số lượng hàng trăm mô phỏng hỗ trợ tốt dạy học bộ môn vật lí

(8) http://www.wikipedia.org

Wikipedia là một bách khoa toàn thư nội dung mở bằng nhiều ngôn ngữ trên Internet, nó có nhiều tư liệu, hình ảnh hỗ trợ dạy học vật lí cũng như các môn học khác

(9) http://www.encyclopedia.com

Là bộ bách khoa toàn thư online cung cấp nguồn tư liệu về nhiều lĩnh vực trong đó có vật lí, ngoài ra các thuật ngữ vật lí còn được định nghĩa trích dẫn trong các từ điển Oxford

(9) http://www.britannica.com

Encyclopædia Britannica hay Bách khoa toàn thư Britannica (tiếng Latinh của "Bách khoa toàn thư đảo Anh") là một bách khoa toàn thư tiếng Anh tổng hợp có sẵn trong bộ sách, trên DVD, và trên Internet, do công ty Encyclopædia Britannica, Inc biên soạn và xuất bản

2.2 Sử dụng một số phần mềm mô phỏng trong dạy học vật lí

2.2.1 Phần mềm Physics 2.1 (Part I-II)

Phần mềm cung cấp lượng lớn các mô phỏng về các chủ đề như Cơ học, Dao động và sóng, Quang học Đây là các mô phỏng tương tác với các thông số của đối tượng có thể thay đổi được, nội dung các mô phỏng phù hợp với chương trình vật lí phổ thông Các mô phỏng này đảm bảo chính xác về mặt khoa học, phong phú về kiến thức vật lí Các mô phỏng này hữu ích cho dạy học vật lí vì kiến thức vật lí được trình bày trực quan, sinh động dưới dạng đồ thị, số, ảnh động Đồng thời, phần mềm cho phép tương tác giúp quá trình nghiên cứu hiện tượng vật lí được dễ dàng hơn nhờ các thông số của quá trình thay đổi

Phần mềm tự chạy mà không

cần cài đặt, để chạy phần mềm click

đúp file Login.exe (Với win 7 trở lên,

bấm chuột phải vào tập tin Login.exe

→ chọn Properties → chuyển tới tab

Compatibility → tích vào hộp kiểm

Run this program in compatibility

mode for và chọn hệ điều hành muốn

chạy) Khi đó, chương trình khởi

động và có giao diện chính như sau:

Menu bên trái là danh mục các Hình 2.15 Giao diện phần mềm Physics 2.1

chủ đề, các mô phỏng được sắp xếp dạng cây thư mục, bên trong là danh mục các mô phỏng

Để xem mô phỏng, click đúp vào tên mô phỏng trong danh sách Để thay đổi thông số của đối tượng, dùng chuột kéo thanh trượt hoặc click chuột vào mũi tên bên cạnh thanh trượt Trong nhiều trường hợp, sử dụng chuột kép/thả đối tượng để thay đổi thông số, di chuyển đối tượng

Ví dụ 1: Mô phỏng đường sức điện trường

Phần mềm mô phỏng đường

sức điện trường tạo bởi hệ hai điện

tích Chúng ta có thể thay đổi giá trị

q1, q2 bằng cách kéo thanh trượt (hoặc

click mũi tên) bên cạnh q tương ứng

Để thay đổi khoảng cách hai điện tích,

thay đổi giá trị d như thay đổi q

Phần mềm cho phép ẩn-hiện

đường sức điện, mặt đẳng thế, tồn tại

một hoặc hai điện tích bằng cách đánh

dấu vào các ô tương ứng Electric

field, Potential field, one charge, two

charges Để xác định giá trị điện

trường E, điện thế φ hãy click chuột

vào vùng điện trường

Ví dụ 2: Mô phỏng dao động con lắc lò xo

Mô phỏng dao động của con

lắc lò xo bao gồm chuyển động của

con lắc và đồ thị dao động của nó

Phần mềm cho phép thay đổi các

thông số b (hệ số cản), xo, m, k bằng

cách kéo thanh trượt (hoặc click mũi

tên) bên đại lượng tương ứng

Để kích thích con lắc dao động,

ấn nút Run Để hiển thị đồ thị x(t), v(t)

đánh dấu vào các ô tương ứng Ngoài

ra, phần mềm hiển thị các số liệu tính

toán x, v và sự biến thiên thế năng

(Ep), động năng (Ek) Các số liệu này có thể ẩn, hiện bằng cách click chuột vào mũi tên (góc trên bên phải)

2.2.2 Phần mềm Physics Animations

Có thể sử dụng bản Demo onlnine tại địa chỉ http://physics-animations.com

hoặc offline phần mềm này

Các mô phỏng trong phần mầm này dưới dạng video, nội dung được sắp xếp theo từng phần là sóng cơ (Waves), quang học (Optics), cơ học (Mechanics), nhiệt học (Thermodynamics), điện từ học (Electricity) Mỗi mô phỏng có phần văn bản về nội dung kiến thức liên quan đến các mô phỏng

Hình 2.16 Mô phỏng đường sức điện trường

hai điện tích điểm

Hình 2.17 Mô phỏng dao động con lắc lò xo

Để xem phần nào, click chuột

vào phần đó, trong mỗi phần là các

chủ đề (Topic), các mô phỏng sắp xếp

trong các chủ đề này Để chạy video,

máy tính cần kết nối mạng hoặc xem

online

Ví dụ khi xem phần sóng cơ,

click vào Waves trên menu, sau đó sẽ

chuyển đến các Topic Có hai lựa

chọn là xem lý thuyết (Theory) và

Video, muốn xem dạng nào click

chuột vào biểu tượng dạng đó

: Xem lý thuyết

: Xem video

Để tải video về máy, hãy xem

online và click vào chữ YouTube để

link tới YouTube.com và dùng IDM

được thiết kế theo chương trình sách

giáo khoa, được chia theo từng bài

Menu dạng cấy thư mục bên trái là tên

cái bài, trong các bài là các mô phỏng

Để xem bài nào click chuột vào bài đó

và nội dung mô phỏng trong bài đó

Các mô phỏng ở đây là các mô

phỏng tương tác với các thông số của

đối tượng thay đổi được, các chuyển động theo đúng các phương trình toán học diễn tả hiện tượng vật lí

Mỗi mô phỏng có trợ giúp riêng, để sử dụng trợ giúp đó hãy click vào nút Sử dụng trên thanh công cụ trên cùng, khi đó menu trợ giúp (bên dưới cửa sổ) sẽ chỉ dẫn

các thao tác cần thiết với mô phỏng

Hình 2.18 Giao diện Physics Animations

Hình 2.19 Các chủ đề phần sóng cơ

Hình 2.20 Giao diện chính phần mềm Vật lí

mô phỏng

Để thay đổi thông số của đối

tượng, dùng chuột di chuyển điểm

tương ứng trên thanh trượt

Ví dụ 1: Mô phỏng lực tương

tác giữa hai điện tích

Phần mềm mô phỏng lực tương

tác giữa hai điện tích Để thay đổi giá

trị q1, q2 phải di chuyển điểm q1, q2

tương ứng trên thanh trượt Để thay

đổi khoảng cách hai điện tích, di

chuyển điểm O1, O2

Phần mềm cho phép hiển thị

giá trị F theo giá trị r, q1, q2

Ví dụ 2: Mô phỏng dao động và năng lượng con lắc lò xo

Để thay đổi các thông số vo, xo,

m, k hãy dùng chuột di chuyển điểm

tương ứng trên thanh trượt

Để dừng chuyển động, click

chuột trái vào cửa sổ mô phỏng, để

tiếp tục quá trình chuyển động, click

đúp vào điểm t trên đoạn mũi tên sau

đó click chuột vào cửa sổ mô phỏng

2.3 Sử dụng phần mềm phân tích video trong dạy học vật lí

Có nhiều phần mềm phân tích video hỗ trợ dạy học vật lí như:

Coach 6 như hình 2.23 Để xem các

nội dung mẫu của phần mềm, chọn

Open/CMA Coach Projects

Trên thanh công cụ có các nút

Exit , Open , Install Harware

Drivers , Login , Help

Trong này có các chủ đề liên

quan tới chức năng phần mềm:

1 Measurement (đo đạc)

2 Control (điều khiển)

3 Data Video (dữ liệu video)

4 Modeling (mô hình)

5 Animations (hoạt hình)

Để sử dụng chức năng 1, 2 cần

có thiết bị ghép nối máy tính, 4 liên

quan đến xây dựng các mô hình toán

học, 5 là hoạt hình (như mô phỏng)

Dưới đây chỉ nghiên cứu sử dụng chức năng 3

2.3.2 Phân tích video với Coach 6

+ Xem file mẫu

Trong phần 3 Data Video có

các chủ đề:

1 Introduction to Data Video

2 Data Video Examples

3 Introduction to Data Image

4 Data Image Examples

Trong mỗi chủ đề có file mẫu

phân tích video và file tạo nội dung

phân tích video mới (mặc định là thứ

tự 0 như 0 Data Video Lab.cma) Để xem, tạo file mới, chọn file và click open

Ví dụ 1: Chọn 2 Data Video Examples/1 Motion of a bicycle.cma để xem file

mẫu về chuyển động của xe đạp

Ví dụ 2: Chọn 2 Data Video Examples/0 Data Video Lab.cma để tạo file mới + Tạo file mới

Sau khi mở file 0 Data Video

Lab.cma, để chèn video, click chột

phải vào cửa sổ Data

video/Open/Video/Add video, sau đó

chọn file video muốn phân tích, cuối

cùng click Open/OK Để đóng file

đang mở, chọn Close trên thanh

công cụ

Hình 2.24 Các chủ đề của Coach 6

Hình 2.25 Các chủ đề trong 3 Data Video

Hình 2.26 Chèn video vào coach 6