Sử dụng thí nghiệm ảo trong dạy học chương sóng cơ và sự truyền sóng cơ vật lí 12 cơ bản nhằm góp phần nâng cao hiệu quả học tập môn vật lí cho học sinh

Vì thế tôi lựa chọn hướng nghiên cứu là ứng dụng CNTT vào trong dạy học Vật lý, cụ thể là: “Sử dụng thí nghiệm ảo trong dạy học chương Sóng cơ và sự truyền sóng cơ - vật lí 12 cơ bản nhằ

MỤC LỤC

Tran

g

1 MỞ ĐẦU 2

1.1 Lí do chọn đề tài 2

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

2 NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 4

2.1 Cơ sở lí luận 4

2.2 Thực trạng của vấn đề 4

2.3 Giải pháp thực hiện 5

2.4 Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm 11

3 KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT……… 13

1 Kết luận ……… ……… 13

2 Kiến nghị ……… 13

Tài liệu tham khảo 14

1 MỞ ĐẦU

1.1 Lí do chọn đề tài

Vật lý là môn khoa học thực nghiệm, vì vậy việc lồng ghép các thí nghiệm vào trong các bài học vật lý là một biện pháp quan trọng nhằm nâng cao chất lượng dạy và học

Thí nghiệm là phương tiện thu nhận tri thức, kiểm tra tính đúng đắn của tri thức và là phương tiện để vận dụng tri thức đó vào thực tiễn Thí nghiệm là một bộ phận của của phương pháp nhận thức Vật lý và có thể được sử dụng ở tất cả các giai đoạn khác nhau của quá trình dạy học Thí nghiệm góp phần phát triển toàn diện nhân cách của học sinh, đơn giản hóa và trực quan các hiện tượng trong dạy học Vật lý

Trong nhiều trường hợp nếu sử dụng thí nghiệm thật sẽ không đủ thời gian hoặc điều kiện tiến hành thí nghiệm không đảm bảo dẫn đến hiệu quả đem lại không được như mong muốn Trong những trường hợp như vậy, làm thế nào

để tiến hành được đầy đủ các thí nghiệm theo yêu cầu của chương trình? Đây là vấn đề khiến tôi trăn trở suy nghĩ rất nhiều Với sự phát triển của khoa học, CNTT đang ngày càng xâm nhập và đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực khoa học và đời sống con người, lĩnh vực giáo dục cũng vậy Vì thế tôi lựa chọn

hướng nghiên cứu là ứng dụng CNTT vào trong dạy học Vật lý, cụ thể là: “Sử dụng thí nghiệm ảo trong dạy học chương Sóng cơ và sự truyền sóng cơ - vật

lí 12 cơ bản nhằm góp phần nâng cao hiệu quả học tập môn Vật lí cho học sinh” làm sáng kiến kinh nghiệm của mình trong năm học 2015-2016 với mong muốn được chia sẻ cùng đồng nghiệp

1.2 Mục đích nghiên cứu

Thiết kế các thí nghiệm ảo sử dụng trong dạy học chương Dao động cơ

môn Vật lí lớp 12 cơ bản nhằm nâng cao chất lượng giảng dạy Vật lý ở trường phổ thông

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Các thí nghiệm vật lý ảo được thiết kế nhờ phần mềm crocodile Physics

sử dụng trong dạy học chương Dao động cơ – Vật í 12 CB.

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

Trong đề tài sáng kiến kinh nghiệm tôi đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp nghiên cứu xây dựng cơ sở lí thuyết

Nghiên cứu sách giáo khoa, tài liệu, giáo trình, các văn bản, chỉ thị, nghị quyết cơ bản liên quan đến nội dung đề tài Trên cơ sở đó phân tích, tổng hợp khái quát, rút ra những vấn đề cần thiết cho đề tài

- Phương pháp điều tra khảo sát thực tế, thu thập thông tin

Tìm hiểu thực tiễn dạy học của môn học thông qua việc giảng dạy trực tiếp trên lớp, tham gia dự giờ lấy ý kiến của đồng nghiệp trong nhóm chuyên môn ở trường Từ đó xác định những khó khăn, hạn chế trong việc sử dụng thiết

bị, đồ dùng dạy học môn Vật lí

Tham khảo ý kiến đồng nghiệp, thu thập thông tin phản hồi từ học sinh khi tiến hành xây dựng các tiết dạy có sử dụng thí nghiệm ảo

- Phương pháp thực nghiệm

Dựa trên kế hoạch môn học, khung giáo án chuẩn, soạn giáo án chi tiết các tiết dạy có áp dụng sáng kiến kinh nghiệm, thực hiện các tiết dạy tại nhà trường theo lịch học chính khoá nhằm kiểm chứng kết quả nghiên cứu của đề tài và đưa ra những đề xuất cần thiết

- Phương pháp thống kê, xử lí số liệu

Thông qua kết quả kiểm tra - đánh giá thường xuyên và định kì học sinh,

xử lí thống kê toán học trên cả hai nhóm đối chứng và thực nghiệm để rút ra những kết luận và đề xuất

2 NỘI DUNG CỦA SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

2.1 Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm

2.1.1 Vai trò của thí nghiệm trong dạy học vật lí

Thí nghiệm vật lý là yếu tố không thể thiếu được của quá tình vật lý Tùy theo mục đích sử dụng thí nghiệm vật lý trong dạy học, thí nghiệm vật lý có thể thực hiện những chức năng khác nhau trong tiến trình dạy học:

- Thí nghiệm vật lý là cơ sở để xây dựng, chứng minh kiến thức vật lý

- Thí nghiệm vật lý (thí nghiệm học sinh tự làm) có tác dụng bồi dưỡng cho học sinh phương pháp nghiên cứu vật lý, rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo, sử dụng các dụng cụ đo và các dụng cu thiết bị khác

- Thí nghiệm vật lý có tác dụng bồi dưỡng cho học sinh kiến thức, kỹ năng kỹ thuật tổng hợp

- Thí nghiệm vật lý có thể sử dụng những phương tiện để đề xuất vấn đề;

để học sinh vận dụng củng cố kiến thức, để kiểm tra kiến thức vật lý của mình

- Thí nghiệm vật lý có tác dụng bồi dưỡng một số đức tính tốt cho học sinh (tính chính xác, tính trung thực, cẩn thận, kiên trì)

Thí nghiệm là phương tiện thu nhận tri thức, kiểm tra tính đúng đắn của tri thức và là phương tiện để vận dụng tri thức đó vào thực tiễn Thí nghiệm là một bộ phận của các phương pháp nhận thức vật lí và có thể được sử dụng ở tất

cả các giai đoạn khác nhau của quá trình dạy học Thí nghiệm góp phần phát triển toàn diện nhân cách của học sinh, đơn giản hóa và trực quan các hiện tượng trong dạy học vật lí

2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm

Phục vụ cho việc đổi mới phương pháp dạy học Vật lý, ở các trường phổ thông hiện nay đều có phòng thiết bị được trang bị khá đầy đủ các thiết bị dạy học, Các bộ thí nghiệm được chế tạo sẵn, có thể dùng cho nhiều thí nghiệm khác nhau Thế nhưng, việc tiến hành thí nghiệm thật không phải lúc nào cũng dễ dàng và đem lại hiệu quả như mong muốn, để thực hiện một thí nghiệm thành công phụ thuộc vào nhiều yếu tố khách quan cũng như chủ quan, ví như các thí nghiệm quang học muốn quan sát được dễ dàng phải tiến hành trong phòng tối trong khi điều kiện cơ sở vật chất trường học chưa cho phép, nhiều thí nghiệm chỉ với mục đích biểu diễn, minh họa nhưng nếu làm thí nghiệm thật thì mất thời gian và khó thành công, có thể gây phản tác dụng Một thực tế hiện nay là mặc dù các bộ thí nghiệm trong phòng thiết bị khá đầy đủ nhưng ít được giáo viên dùng đến do chất lượng kém, độ chính xác không cao dẫn đến tình trạng dạy

“chay” vẫn còn khá phổ biến So sánh với việc dạy “chay” thì sử dụng các thí nghiệm ảo ít nhiều vẫn mang lại những kết quả nhất định và trong một số trường hợp cách làm này tỏ ra khá hiệu quả, có thể dùng kết hợp để khắc phục những hạn chế, khó khăn mà thí nghiệm thật mắc phải:

- Học sinh quan sát dễ dàng

- Đảm bảo an toàn

- Tính khả thi, cho kết quả chính xác

- Tính kinh tế, không tốn công sức vào việc chuẩn bị dụng cụ thí nghiệm Với cách thức tổ chức thi THPT quốc gia như hiện nay, học sinh sẽ chọn cho mình những môn chủ đạo mà các em say mê, có năng lưc để các em ôn luyện sao cho kết quả thi đạt cao nhất, nhưng điều đó vẫn gây ra ở một bộ phận học sinh tình trạng học lệch Nếu các em không chọn môn Vật lí làm mục tiêu theo đuổi thì các em sẽ không tích cực trong quá trình học, dần dần sẽ mất

“gốc”, không còn hứng thú với môn học nữa Mặt khác, Ở các lớp học chương trình Vật lí cơ bản, khả năng tư duy của các em có nhiều hạn chế, nhiều em cảm thấy rằng môn Vậ lí lớp 12 khó học, trừu tượng, mơ hồ, khó nhớ Nguyên nhân của những tình trạng này một phần là do các em không tìm thấy hứng thú trong môn học, hoặc với kiểu dạy “chay” kiến thức hàn lâm khiến các em cảm thấy

“chán ngán” Cần phải có những giải pháp để kích thích hứng thú, gợi trí tò mò,

óc khám phá của các em là điều trước tiên và bài dạy của giáo viên phải sinh động, trực quan mới khiến các em bị thu hút

Có thể nói rằng dù là thí nghiệm mô phỏng thì cũng mang tính trực quan, kích thích tính tò mò khoa học, gây hứng thú học tập cho học sinh Tất nhiên hiệu quả mà thí nghiệm ảo đem lại không thể so sánh với thí nghiệm thật đặc biệt là các thí nghiệm với mục đích khảo sát, thực hành, nếu có đủ điều kiện thì tốt nhất giáo viên nên sử dụng các thí nghiệm thật

Từ thực trạng nêu trên, để các tiết dạy có thí nghiệm thành công hơn tôi mạnh dạn sử dụng một giải pháp là dùng thí nghiệm ảo hỗ trợ hoặc thay thế thí nghiệm thật (khi cần thiết), sử dụng máy vi tính, máy chiếu, để thực hiện các thí nghiệm, khai thác các ưu điểm mà thí nghiệm ảo mang lại Hiện nay, có rất nhiều phần mềm thí nghiệm vật lí ảo Với giải pháp đưa ra, tôi đã lựa chọn phần mềm Crocodile Physics là một phần mềm ứng dụng đang được dùng khá phổ biến

2.3 Giải pháp thực hiện

2.3.1 Thiết kế thí nghiệm ảo nhờ phần mềm ứng dụng.

- Qua nghiên cứu tôi thấy phần mềm Crocodile Physic phù hợp với trình

độ tin học của bản thân cũng như đa số giáo viên Ngay trong SGK Vật lý 12 cũng gợi ý giáo viên có thể sử dụng phần mềm này trong thí nghiệm thực hành Khai thác phần mềm Crocodile Physic có thể thiết kế các thí nghiệm biểu diễn, thí nghiệm khảo sát trong các bài học và cũng có thể thiết kế các thí nghiệm dùng trong các tiết thực hành vật lý

 Tiến hành thiết kế thí nghiệm theo các bước cơ bản sau::

 Phác thảo sơ đồ thí nghiệm trước bằng giấy

 Tạo một không gian làm việc riêng cho thí nghiệm (space, ground)

 Đưa các thiết bị cần sử dụng từ kho vào không gian làm việc

 Sắp xếp, lắp ráp các thiết bị theo sơ đồ thích hợp

 Thiết lập các thuộc tính cần thiết cho từng đối tượng

 Kiểm tra lại sơ đồ, tiến hành thí nghiệm, quan sát, đo đạc

Tiếp theo, phải lên kế hoạch sử dụng thí nghiệm trong bài dạy một cách hợp lí, đạt hiệu quả mà không lạm dụng Cuối cùng là lồng ghép các thí nghiệm này vào trong các tiết dạy để thực hiện các mục tiêu bài học

Trong phạm vi của một sáng kiến kinh nghiệm tôi chỉ đưa ra một số thí nghiệm ảo tiêu biểu thay thế, hỗ trợ các thí nghiệm thật khi các thí nghiệm này không có trong phòng thiết bị hoặc gặp khó khăn khi tiến hành

2.3.2 Thí nghiệm biểu diễn sự lan truyền sóng mặt nước

Khó khăn khi tiến hành thí nghiệm thật: Thí nghiệm này có trong kho

thiết bị dạy học của nhà trường, được sử dụng chung với thí nghiệm giao thoa và nhiễu xạ sóng, Qua nhiều lần sử dụng bộ thí nghiệm này tôi nhận thấy: bộ thiết

bị này phần nhiều mang tính hình thức, cồng kềnh nhưng chât lượng thiết bị kém, sau một vài lần sử dụng đã “xộc xệch” Trước khi lên lớp giáo viên phải mất nhiều thời gian lắp ghép, tiến hành thử, điều chỉnh tần số sóng cho phù hợp, thậm chí phải mắc thêm 1 bóng đèn dây tóc 200W nhưng khi cho học sinh quan sát trên lớp vẫn rất mờ, hơn nữa do không gian mặt nước hẹp, học sinh chưa kịp quan sát thì hình ảnh sóng đã nhoè do sự phản xạ sóng khi gặp thành bình

Sử dụng thí nghiệm ảo: với phiên bản mới nhất của phần mềm Crocodile

Physics 605, chúng ta có thể quan sát sóng ở dạng 2D, tức là có thể quan sát được hình ảnh sự lan truyền của sóng theo mọi hướng và thể hiện được cả biên

độ sóng tại mọi điểm trong môi trường

Ở hình phía trên ta đang quan sát hình ảnh động của một sóng mặt nước

theo phương thẳng đứng nhìn từ trên xuống, nhận thấy được sự lan truyền của sóng, gợn sóng là những vòng tròn đồng tâm đang lan rộng ra, các gợn lồi, gợn lõm được phân biệt theo màu sắc đậm, nhạt Ở hình bên dưới thể hiện một lát cắt dọc qua nguồn sóng giống như ta đang quan sát sóng theo phương ngang Ta quan sát thấy mặt cắt có dạng hình sin thể hiện được biên độ sóng tại mọi điểm trong môi trường cũng như sự thay đổi pha, li độ của từng điểm theo thời gian

Trong thí nghiệm, ta có thể tuỳ chọn các thông số của sóng như biên độ, tần số sóng, thay đổi môi trường truyền sóng

Ta có thể biểu diễn sự lan truyền của sóng cơ trong không khí, sóng trên

lò xo (sóng dọc), trên sợi dây (sóng ngang),… Những thí nghiệm này không thể hoặc rất khó quan sát nếu dùng thí nghiệm thật

Một ưu điểm rất nổi trội của thí nghiệm ảo trong phần này đó là ta có thể

dùng nút “tua chậm” quá trình truyền sóng, với chức năng này học sinh sẽ quan

sát được dễ dàng, cụ thể hơn

Thí nghiệm này tôi sử dụng trong dạy học bài “Sóng cơ và sự truyền sóng cơ” (Bài 7 – SGK Vật lí 12 CB) như sau:

- Biểu diễn sự lan truyền sóng cơ: hướng dẫn học sinh quan sát thí nghiệm sóng mặt nước để rút ra định nghĩa sóng cơ, nhận biết nhưng đặc điểm cơ bản nhất của sóng cơ

- Phân biệt sóng dọc sóng ngang: tiến hành thí nghiệm sóng cơ truyền trong không khí, so sánh với sóng mặt nước (hoặc sóng trên sợi dây) để rút ra điểm khác biệt

- Xác định các đặc trưng của một sóng hình sin: Sử dụng thí nghiệm sóng mặt nước với lát cắt dọc (hoặc sóng trên sợi dây), phân tích giúp học sinh khái quát được các đặc trưng: biên độ, chu kì (tần số), tốc độ truyền sóng, bước sóng

Đây là bài đầu tiên của chương, vì thế học sinh thường cảm thấy lúng túng, khó hiểu, trừu tượng với kiến thức mới Với thí nghiệm ảo này giáo viên không mất quá nhiều thời gian của tiết học vào khâu chuần bị đồ dùng và tiến hành thí nghiệm, phần thời gian này để dành để học sinh quan sát, phân tích hiện tượng Hơn nữa, thí nghiệm này khá trực quan giúp học sinh quan sát hiện tượng

dễ dàng Thí nghiệm thiết kế linh hoạt, đa dạng, sử dụng được cho nhiều phần trong bài học Hình ảnh của sóng quan sát được sống động giống như thật, tạo ra

sự hứng thú học tập cho học sinh

2.3.3 Thí nghiệm về giao thoa sóng cơ

Khó khăn khi tiến hành thí nghiệm thật: Như đã nói ở trên, khó khăn

chung đó là thiết bị kém chất lượng, thí nghiệm khó quan sát, với một nguồn sóng đã khó thì với hai nguồn khi xảy ra giao thoa càng khó quan sát hơn

Trong khoảng giữa hai nguồn, khi các gợn sóng bắt đầu đan xen vào nhau, phải có khả năng quan sát tốt và thực hiện quan sát nhiều lần mới có thể nhận ra các vân giao thoa hypebol Tuy nhiên, chỉ vài giây sau do sự phản xạ sóng khi gặp thành bình, hình ảnh giao thoa bị nhiễu loạn không thể quan sát được các vân giao thoa nữa

Sử dụng thí nghiệm ảo: Trong không gian thí nghiệm sóng 2D của phần

mềm ta chọn môi trường truyền sóng nước, chọn 2 nguồn sóng, thiết đặt thông

số cho 2 nguồn (cùng tần số, cùng pha, cùng biên độ), sử dụng lát cắt dọc qua hai nguồn để quan sát biên độ dao động của các điểm

Mô hình thí nghiệm như hình trên, ta quan sát được hiện tượng giao thoa một cách trực diện nhìn từ trên xuống, ban đầu các gợn sóng của hai nguồn lan rộng dần rồi trộn vào nhau, sau khi hình ảnh giao thoa ổn định ta nhận thấy trong khoảng giữa hai nguồn sóng, các gợn sóng không có dạng đường tròn mà

là các đường hypebol Ở hình bên dưới quan sát thấy trên đường nối giữa hai nguồn có những điểm dao động mạnh xen kẽ với những điểm dao động yếu (không dao động – nếu ta chọn 2 nguồn có cùng biên độ) đó chính là các cực đại

và cực tiểu giao thoa

Thí nghiệm này tôi sử dụng trong dạy học bài “giao thoa sóng” (Bài 8 –

SGK Vật lí 12 CB) như sau:

- Tiến hành thí nghiệm, hướng dẫn học sinh quan sát, rút ra kết luận về hình ảnh các vân giao thoa là những đường hypebol

- Sử dụng lát cắt dọc, định hướng học sinh quan sát, phân biệt các cực đại, cực tiểu giao thoa Từ đó gợi ý để học sinh giải thích hiện tượng giao thoa Cuối cùng rút ra định nghĩa về hiện tượng giao thoa sóng

- Ở bài này SGK vật lí 12 cơ bản đã giảm tải, không yêu cầu học sinh xây dựng phương trình giao thoa sóng, chỉ lưu ý mình công thức vị trí cực đại, cực tiểu giao thoa Vì thế, hoạt động tiến hành thí nghiệm tìm hiểu hiện tượng giao thoa sóng càng đóng vai trò quan trọng Để nâng cao hiệu quả dạy học phần này, tôi kết hợp cả thí nghiệm thật và ảo: thí nghiệm ảo để bổ trợ cho những hạn chế của thí nghiệm thật và ngược lại dựa trên thí nghiệm thật để học sinh có niềm tin hơn vào thí nghiệm ảo

2.3.4 Thí nghiệm về sóng dừng

Hạn chế của thí nghiệm thật: Trong kho thiết bị dạy học của nhà trường,

có đầy đủ bộ thí nghiệm về sóng dừng trên sợi dây đàn hồi, thí nghiệm sử dụng

dễ dàng, cho kết quả tốt Nhưng có một số hạn chế, đó là: do tốc độ của quá trình sóng diễn ra nhanh, do khả năng quan sát của mắt người có hạn, do hiện

tượng lưu ảnh ở mắt, học sinh chỉ quan sát được “vẻ bề ngoài” của hiện tượng,

có khi còn hiểu nhầm rằng sợi dây bị “tách đôi, phình ra” tạo thành các bó

sóng mà không hiểu được bản chất của hiện tượng, không nhìn ra được rằng tại mỗi thời điểm sợi dây vẫn có dạng hình sin Đặc biệt đối với các lớp học chương trình cơ bản, các em có những hạn chế nhất định về kiến thức, kỹ năng, năng lực học tập, hiện tượng này vẫn rất trừu tượng, mơ hồ Ở một số em còn xảy ra tình trạng học máy móc định nghĩa, công thức để làm bài tập

Khắc phục hạn chế nhờ thí nghiệm ảo: Trong môi trường thí nghiệm sóng

1D, chọn sóng truyền trên sợi dây bị giới hạn bởi 2 đầu cố định, thiết lập các thông số như chiều dài sợi dây, tần số sóng, kích thích để có sóng truyền trên sợi dây Hình bên là mô hình thí nghiệm: cho thấy dồng thời hình ảnh sóng tới, sóng phản xạ và sóng tổng hợp (phân biệt nhờ màu sắc các đường) Ta có thể sử dụng thêm một không gian sóng bên cạnh chỉ thể hiện mình sóng tổng hợp (chình là hình ảnh thật của sợi dây) để học sinh dễ dàng so sánh

Với thí nghiệm này, tôi sử dụng trong dạy học bài “Sóng dừng” (Bài 9 –

SGK Vật lí 12 CB) để bổ trợ cho thí nghiệm thật, làm rõ bản chất hiện tượng:

- Sau khi tiến hành thí nghiệm thật để học sinh quan sát, rút ra những kết luận sơ bộ Tôi sử dụng thí nghiệm ảo để chỉ rõ vị trí các điểm nút, bụng trên sợi dây, các điểm dao động đồng pha, ngược pha ,… học sinh có thể nhận ra được

điều này dễ dàng nhờ sử dụng nút “tua chậm”

- Để học sinh hiểu rõ được bản chất của hiện tượng, tôi sử dụng không

gian thí nghiệm tiếp theo có đồng thời sóng tới, sóng phản xạ và sóng tổng hợp, định hướng học sinh quan sát, liên hệ kiến thức của bài giao thoa sóng, học sinh

dễ dàng nhận thấy: tại điểm nút hai sóng thành phần ngược pha triệt tiêu nhau, nên điểm này không dao động, tại điểm bụng hai sóng đồng pha tăng cường lẫn nhau làm cho nó dao động mạnh, do hiện tượng lưu ảnh của mắt, ta có cảm giác sợi dây bị phình ra về hai phía