Một số phần mềm thiết kế thí nghiệm ảo dùng trong dạy học vật lý

Khi dạy học đến một đơn vị kiến thức liên quan đến thí nghiệm mà nhà trường không có dụng cụ hoặc những thí nghiệm mà với điều kiện nhà trường phổ thông không thực hiện được hay để mô tả

MỤC LỤC

Chương 1 Thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử 5 Chương 2 Sự cần thiết của thí nghiệm ảo trong dạy học hiện đại 7

1 Vai trò của thí nghiệm trực quan trong đổi mới giáo dục 7

2 Vai trò của thí nghiệm ảo trong dạy học vật lý 8

4 Một số phần mềm thiết kế thí nghiệm ảo dùng trong dạy học

I PHẦN MỞ DẦU

1 Lý do chọn đề tài:

- Việc dạy và học trong xã hội hiện đại ngày nay không cho phép chúng ta dạy chay, học chay, học theo kiểu thầy giáo giảng bài, học sinh chép Khi dạy học đến một đơn vị kiến thức liên quan đến thí nghiệm mà nhà trường không có dụng cụ hoặc những thí nghiệm mà với điều kiện nhà trường phổ thông không thực hiện được hay để mô tả một quá trình nào đó: bên trong nguyên tử hoặc bên trong mạch máu chẳng hạn thay vì mô tả suông, hoặc thậm chí có sử dụng tranh ảnh để mô tả thì cũng không gây sự hứng thú và trực quan bằng phương pháp sử dụng thí nghiệm ảo

- Thí nghiệm ảo được tạo ra và trình diễn bởi máy tính, máy chiếu và một số thiết bị kĩ thuật khác có thể mô tả bằng hình ảnh 3D, mô tả chuyển động và diễn biến một số hiện tượng, quá trình và thậm chí có thể tương tác vào hiện tượng

và quá trình đó

- Việc phối hợp sử dụng thí nghiệm thật và thí nghiệm ảo trong dạy học hiện nay là nhiệm vụ hết sức cần thiết

2 Mục đích nghiên cứu:

- Đề tài này chỉ nhằm mục đích nêu rõ sự cần thiết của việc sử dụng thí nghiệm

ảo trong giảng dạy bộ môn vật lý, ưu nhược điểm của thí nghiệm ảo và cách sử dụng thí nghiệm ảo phù hợp với đơn vị kiến thức cần truyền đạt cho học sinh

mà không lạm dụng thí nghiệm ảo

- Giới thiệu một số phần mềm thiết kế thí nghiệm ảo, kinh nghiệm sử dụng và thiết kế một bài giảng điện tử có sử dụng thí nghiệm ảo

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Thí nghiệm ảo và các phần mềm thiết kế thí nghiệm ảo trong giảng dạy vật lý

4 Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Tìm ưu điểm, nhược điểm của thí nghiệm ảo, sử dụng thí nghiệm ảo đúng mục đích

- Giới thiệu cơ bản một số phần mềm thiết kế thí nghiệm ảo

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Sử dụng Internet, kinh nghiệm bản thân và đồng nghiệp, học hỏi từ các nguồn khác

II NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Chương 1: Thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử

Thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử là những thuật ngữ ngày càng trở nên quen thuộc với chúng ta, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và truyền thông, cùng với internet và học tập điện tử, thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử trở nên một thành phần thiết yếu trong giáo dục hiện đại

Phạm vi của thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử, không chỉ giới hạn trong lĩnh vực giáo dục và đào tạo mà mở rộng trong mọi ngành, mọi lĩnh vực của đời sống từ quảng bá sản phẩm, dịch vụ trên web, đến trong các hình thức đa phương tiện dùng trong doanh nghiệp, dịch vụ tư vấn, chăm sóc khách hàng, làm việc cộng tác

Bài giảng điện tử : là tập hợp những tài nguyên số dưới hình thức các đối tượng độc lập, xâu chuỗi với nhau theo một cấu trúc nội dung, định hướng theo chiến lược giáo dục của người thiết kế, bài giảng điện tử còn được gọi là khóa học hay cua học

Thí nghiệm ảo: là tập hợp các tài nguyên số đa phương tiện dưới hình thức đối tượng học tập, nhằm mục đích mô phỏng các hiện tượng vật lí, hóa học, sinh học xảy ra trong tự nhiên hay trong phòng thí nghiệm, có đặc điểm

là có tính năng tương tác cao, giao diện thân thiện với người sử dụng và có khả năng mô phỏng những quá trình, điều kiện tới hạn khó xảy ra trong tự nhiên hay khó thu được trong phòng thí nghiệm Thí nghiệm ảo giúp giảm thiểu việc học chay, dạy chay thường gặp do thiếu phương tiện, điều kiện thí nghiệm giúp người học chủ động học tập phù hợp với tinh thần người học là trung tâm của giáo dục hiện đại

Thực và ảo: bài giảng điện tử giống bài giảng truyền thống đều nhằm giải quyết một hay một số mục tiêu học tập cụ thể, tuân thủ những nguyên tắc sư phạm Tuy nhiên có nhiều nét đặc thù là bài giảng truyền thống thường được nhấn mạnh vai trò của người thầy, bài giảng điện tử là hình thức học tập khai thác các tính năng hỗ trợ của công nghệ thông tin nên vai trò của người thầy dường như “mờ”đi, chủ yếu qua các phương tiện giao tiếp điện tử như diễn đàn, chat, công cụ làm việc nhóm, audio, video confrerence Thời gian và địa lí cũng bị xóa nhòa, người học tự học theo nhu cầu và năng lực của mình và được

hỗ trợ bởi các công cụ học tập

Trong việc thiết kế bài giảng điện tử cũng có nhiều vai trò so với thiết kế bài giảng truyền thống, cách thiết kế cũng khác biệt với thiết kế bài giảng truyền thống Với bài giảng điện tử, người học được phép tự chọn một lộ trình học tập phù hợp nhất với khả năng của mình, do vậy bài giảng điện tử có thể hỗ trợ hình thức học tập thích nghi đòi hỏi phải thiết kế một cách cẩn thận và cần nhưng chương trình đặc biệt để chạy được những bài giảng thiết kế kiểu này (phần mềm quản trị học tập, trình điều khiển khóa học )

Thí nghiệm ảo cũng giống với bài giảng điện tử, ngoài ra, một ưu điểm của thí nghiệm ảo trên máy tính là có thể giả lập những tình huống, điều kiện tới hạn, khó xảy ra trong thế giới thực giúp người học nắm được bản chất của vấn đề

Tuy nhiên, thí nghiệm ảo không thể thay thế được kinh nghiệm thực tiễn, hãy thử tưởng tượng phi công lái máy bay hạ cánh khi chỉ toàn thực tập trên mô hình ảo, hay một bác sĩ phẫu thuật mỗ tim trong khi lại chỉ toàn kinh nghiệm với dao mổ ảo trên máy tính

Quan hệ giữa thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử: Thí nghiệm ảo và bài giảng điện tử gắn bó chặt chẽ với nhau, không thể tách rời, thí nghiệm ảo giúp tăng hiệu quả giáo dục, huấn luyện của bài giảng điện tử qua tính năng tương tác cao với người tiến hành thí nghiệm, với hệ thống trong khi bài giảng điện tử giúp xâu chuỗi các thí nghiệm ảo theo một trình tự logic, mang tính giáo dục

Thí nghiệm ảo cùng với bài giảng điện tử giúp áp dụng được cả 3 yếu tố giáo dục hiện đại trong phần mềm dạy học như HỌC + THỰC HÀNH + KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ, cần thiết hiệu quả học tập đạt được cao

Trò chơi giáo dục: Theo quan điểm giáo dục hiện đại, không có sự phân biệt giữa một đơn vị học tập điện tử (đối tượng học tập hay Learning Object còn gọi là LO) với một thí nghiệm ảo, hay một đơn vị kiểm tra đánh giá, vì thực chất các đơn vị này đều có tính năng tương tác người học, khả năng đánh giá tiến độ người học theo mức độ đáp ứng các yêu cầu đề ra, cũng trên quan điểm như vậy, thí nghiệm ảo về thực chất không khác một game giáo dục tuy nhiên

để làm được điều này cần đảm bảo tính chất độc lập, hay mỗi thí nghiệm ảo phải có khả năng hoạt động độc lập như một đối tượng học tập, được thiết kế để giải quyết một hay một số mục tiêu (nhiệm vụ học tập cụ thể).Trò chơi giáo dục giúp tăng hiệu quả học tập qua việc khuyếnh khích người học chủ động học tập thể hiện tinh thần "học mà chơi, chơi mà học"

Chương 2: Sự cần thiết của thí nghiệm ảo trong dạy học hiện đại

1 Vai trò của thí nghiệm trực quan trong đổi mới giáo dục

Việc đổi mới nền giáo dục nước nhà đã và đang được triển khai trên toàn quốc từ rất lâu nay, tuy nhiên không thể nói đến đổi mới giáo dục mà không nói đến vai trò của thí nghiệm trực quan trong đổi mới giáo dục

Trước đây, nền giáo dục của nước ta rất nặng về lý thuyết, rất nhiều học sinh do không hình dung được thí nghiệm xảy ra như thế nào nên không thể tiếp thu kiến thức được, việc hiểu bài nhớ bài là rất khó khăn Lại có em em có thể nói thông vanh vách kiến thức lý thuyết nhưng đến khi cho thực nghiệm thì các

em lại hoàn toàn lúng túng Không chỉ có học sinh bình thường mà có thể thấy ngay cả các học sinh đi tham dự các kỳ thi Olympic quốc tế về một số môn cần thực hành như vật lý, hoá học, sinh học của những năm trước đây, khi mà điểm

lý thuyết rất cao thì điểm thực hành lại gần như không có, …

Trong khi đó sử dụng thí nghiệm trực quan lại có rất nhiều ưu điểm có thể kể ra như: thí nghiệm góp phần làm cho học sinh huy động được tất cả các giác quan tham gia vào quá trình nhận thức, gây hứng thú học tập cho học sinh, kiến thức thu được chắc chắn và sâu sắc, đồng thời lớp học sôi nổi, hăng hái Thí nghiệm giúp làm sáng tỏ lý thuyết, giáo dục tính tò mò khoa học cho học sinh, rèn kỹ năng thực hành và nghiên cứu khoa học, rèn thói quen giải quyết các vấn đề bằng khoa học, …

Trước tình hình đó các nhà làm công tác đổi mới giáo dục đã quyết định phải đưa các thí nghiệm trực quan vào giảng dạy trong các trường phổ thông Chỉ có minh hoạ bằng thí nghiệm trực quan thì mới làm cho các em hiểu kiến thức sâu sắc và nhớ lâu Có thể đưa vào chương trình các hình ảnh minh hoạ, các tiết học thực hành thí nghiệm, các mô hình thí nghiệm làm trên máy vi tính…

Hiện nay với chương trình đổi mới giáo dục thì ở bậc PTCS đã đưa vào rất nhiều các thí nghiệm dưới dạng làm sẵn thí nghiệm và chụp lại hình cho học sinh quan sát và bài học nào cũng có thí nghiệm dưới dạng này, ở bậc PTTH có hạn chế hơn

Ngoài ra với sự phát triển của máy vi tính, của công nghệ thông tin như ngày nay thì còn có các phần mềm hỗ trợ cho giảng dạy và học tập, đó là các

mô hình hoá các thí nghiệm, các mô hình minh hoạ trực quan,… cũng không kém phần quan trọng

2 Vai trò của thí nghiệm ảo trong dạy học vật lý

2.1 Khái niệm

- Thí nghiệm thật: là các thí nghiệm được thực hiện bằng các dụng cụ thí

nghiệm thật, các hoá chất thật

- Thí nghiệm ảo: là các thí nghiệm được thực hiện trên máy vi tính, thí nghiệm

ảo thực chất là mô hình của thí nghiệm thật trên máy vi tính

2.2 So sánh thí nghiệm ảo và thí nghiệm thật

Có thể nói rằng thí nghiệm ảo hay thí nghiệm thật thì cũng đều được xếp vào dòng là thí nghiệm trực quan, cùng làm sáng tỏ lý thuyết, gây hứng thú học tập cho các em, giáo dục tính tò mò khoa học, làm cho học sinh nhận thức dễ dàng hơn, kiến thức thu được của các em rõ ràng và sâu sắc, đồng thời lớp học sôi nổi, hào hứng, … Tuy nhiên mỗi cách đều có ưu nhược điểm của nó

Có thể nói rằng với công nghệ hiện đại như ngày nay, với sự hỗ trợ đắc lực của máy vi tính thì cuộc sống ảo vô cùng phong phú, đôi khi nó còn lấn át cuộc sống thực tại của chúng ta, tuy nhiên không thể nói thí nghiệm ảo hoàn toàn tốt hơn thí nghiệm thật nhưng nó lại có rất nhiều ưu điểm có thể đánh bại thí nghiệm thật Có thể đưa ra dưới đây một số điểm cơ bản mà thí nghiệm ảo khắc phục được nhược điểm của thí nghiệm thật:

Trong trường hợp giáo viên làm thí nghiệm thật trên lớp cho học sinh quan sát thì hầu như các dụng cụ thí nghiệm đều nhỏ, lớp học đông, phòng học rộng Như vậy khi làm thí nghiệm thì không phải tất cả các học sinh trong lớp đều có thể quan sát dễ dàng được, các em ở cuối lớp chỉ có thể nghe giáo viên nói mà không thể nhìn được thí nghiệm giáo viên làm như thế nào và chỉ có một

số học sinh ở bàn trên mới có thể quan sát rõ thí nghiệm Trong khi đó thí nghiệm ảo được thực hiện trên một màn chiếu, mà thông thường màn chiếu được đặt sao cho tất cả học sinh trong lớp học có thể nhìn rõ tất cả những gì thực hiện trên đó, đồng thời giáo viên hoàn toàn có thể chỉnh kích cỡ của dụng

cụ thí nghiệm cho đủ lớn để cho cả lớp đều có thể quan sát rõ ràng kể cả các em ngồi ở cuối lớp học

Tiếp theo nói tới vấn đề an toàn của thí nghiệm, với một số thí nghiệm hoá học nếu làm với các hoá chất thật, đôi khi do sơ xuất để xảy ra cháy nổ không mong muốn, nhưng với thí nghiệm ảo thì các thí nghiệm hoàn toàn an toàn, không lo cháy nổ ngoài dự định của giáo viên và học sinh, nếu có hiện tượng nhầm hoá chất diễn ra trên máy vi tính thì hiện tượng xảy ra chỉ là mô hình cháy nổ trong máy chứ không phải là thật nên rất an toàn

Hơn nữa thí nghiệm thực tế không phải thí nghiệm nào cũng thành công

mỹ mãn, nhưng với thí nghiệm ảo do đã được lập trình sẵn nên có thể nói gần như tất cả các thí nghiệm đều chuẩn xác, thực hiện thí nghiệm đem lại hiệu quả như mong đợi

Một vấn đề nữa là công tác chuẩn bị công cụ thí nghiệm, với chương trình đổi mới giáo dục như hiện nay thì trong chương trình phổ thông cơ sở, hầu như tiết học nào cũng có thí nghiệm Với một thí nghiệm đơn giản, ít dụng cụ thì giáo viên có thể dễ dàng chuẩn bị dụng cụ, dễ dàng chuyển từ lớp học này sáng lớp học khác Tuy nhiên với một thí nghiệm mà các dụng cụ kồng kềnh thì đây lại không phải là một điều đơn giản Còn với thí nghiệm ảo thì giáo viên hoàn toàn không phải lo lắng gì về vấn đề này, các dụng cụ có sẵn trong máy vi tính giáo viên chỉ cần một lần thực hiện đưa phần mềm thiết kế thí nghiệm vào trong máy và cài đặt chương trình, như thế lần sau sẽ hoàn toàn yên tâm về dụng cụ thí nghiệm…

Như vậy có thể thấy khá nhiều ưu điểm của thí nghiệm ảo như trên đây, hơn nữa hiện nay, khi mà tin học được ứng dụng nhiều vào trong trường học thì việc sử dụng các thí nghiệm ảo hỗ trợ cho giảng dạy các môn học là hoàn toàn hợp lý

Chương 3: Bài toán và công việc cần làm

1 Bài toán

Từ việc so sánh thí nghiệm thật và thí nghiệm ảo như trên đây thì bài toán đặt ra là làm thế nào để cho học sinh vẫn quan sát được các thí nghiệm trực quan mà giáo viên không phải lo lắng tới vấn đề chuẩn bị phương tiện thí nghiệm, lựa chọn phương tiện thí nghiệm phù hợp, thực hiện thí nghiệm an toàn

và đạt hiệu quả như mong muốn, đồng thời tất cả học sinh đều có thể quan sát

dễ dàng, cùng theo dõi cùng tranh luận bài dễ dàng, các thí nghiệm sống động

và bắt mắt với học sinh…

2 Giải pháp

Khi mà tin học phát triển và đi vào tất cả các ngõ ngách của đời sống con người như hiện nay thì một giải pháp được đưa ra là xây dựng thí nghiệm ảo thay thế thí nghiệm thật, sử dụng máy vi tính, máy chiếu, để thực hiện các thí nghiệm, để phát huy các ưu điểm của thí nghiệm ảo mang lại và hạn chế các

nhược điểm của thí nghiệm thật

3 Các công việc cần phải làm

Có thể thấy giải pháp đưa ra là khả quan, tuy nhiên để có được các thí nghiệm ảo thay thế cho thí nghiệm thật thì còn rất nhiều công đoạn nữa, các công đoạn này đều không dễ dàng gì Cụ thể phải kể ra một số công việc quan trọng đó là:

Cần phải lựa chọn một phần mềm phù hợp với bộ môn giảng dạy, phần mềm phải có sẵn và đầy đủ các dụng cụ thí nghiệm ảo, các dụng cụ được sử dụng để thiết kế thí nghiệm trên máy vi tính Yêu cầu các dụng cụ phải chuẩn, thí nghiệm khi thực hiện phải đưa ra kết quả chính xác như thí nghiệm thật

Với một phần mềm đã chọn lựa, cần phải thiết kế được các thí nghiệm phù hợp với chương trình sách giáo khoa đang được giảng dạy trên lớp ở tất cả các trường phổ thông trong cả nước Thí nghiệm phải chuẩn, phải đưa ra kết quả như mong đợi Đồng thời thí nghiệm phải bắt mắt, phải tạo tính tò mò cho học sinh, gây hứng thú cho học sinh, …

Với trình độ tin học của tất cả các giáo viên trên toàn quốc như hiện nay thì không phải tất cả các giáo viên đều có thể xây dựng thành thạo các thí nghiệm đạt yêu cầu như trên, như vậy cần thiết phải có một hệ thống các thí nghiệm sẵn có, kèm theo hướng dẫn sử dụng để giáo viên dễ dàng sử dụng vào bài giảng của mình mà không tốn thời gian thiết kế…

4 Một số phần mềm thiết kế thí nghiệm ảo dùng trong dạy học vật lý

4.1 Crocodile Physics

Crocodile Physics là phần mềm thiết kế các TNVL ảo trên máy tính, ứng dụng vào các tiết học trong trường phổ thông Phần mềm này đã được sử dụng rộng rãi tại nước Mỹ, và ở Việt Nam hiện nay thì phần mềm này cũng được sử dụng khá nhiều, nhiều giáo viên đã đưa các TN ảo này vào trong từng tiết học nhằm nâng cao chất lượng giảng dạy Ưu điểm của phần mềm này là ngoài

những TN có sẵn của chương trình thì ta có thể tự thiết kế ra những TN khác phù hợp với chương trình giảng dạy Giao diện của chương trình rất trực quan nên việc thiết kế TN ảo là tương đối dễ dàng đối với phần lớn giáo viên

Hình 1 Phần mềm Crocodile Physics

4.2 GeoGebra

GeoGebra là phần mềm cho phép vẽ và thiết kế các hình dùng để học tập Hình học trong chương trình môn Toán phổ thông Phần mềm không những có khả năng tạo được các hình vẽ chính xác tuyệt đối mà còn có chức năng làm cho các hình này chuyển động trên màn hình Khả năng chuyển động các hình hình học trên màn hình được gọi là “hình học động”

GeoGebra được sử dụng trong vật lí để mô tả chuyển động của các vật trong cơ học như: ném ngang, ném xiên, quỹ đạo hành tinh

Hình 2 Phần mềm GeoGebra

4.3 Interactive physics

Hình 3 Phần mềm Interactive physics