(SKKN 2022) phát triển toàn diện năng lực học sinh THPT thông qua dạy học vật lý sử dụng PhET colorado simulation

Để phát triển năng lực của học sinh trong học tập môn Vật lý, học sinh phảichủ động, tích cực tham gia vào các hoạt động học ở trên lớp lẫn thực hiện cácnhiệm vụ học tập mà giáo viên gia

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT ĐẶNG THAI MAI

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

PHÁT TRIỂN TOÀN DIỆN NĂNG LỰC HỌC SINH THPT THÔNG QUA DẠY HỌC VẬT LÝ SỬ

DỤNG PhET COLORADO SIMULATION

Người thực hiện: Nguyễn Xuân Tuấn Chức vụ: Giáo viên

SKKN thuộc lĩnh vực (môn): Vật lý

THANH HOÁ NĂM 2022MỤC LỤC

2.1 Sử dụng PhET Colorado simulation trong dạy học Vật lý THPT 22.2 Thực trạng sử dụng mô phỏng trong dạy học Vật lý THPT 52.3 Xây dựng hoạt động học Vật lý phát triển năng lực học sinh THPT

dùng PhET Colorado trong tiết học

1 Mở đầu

1.1 Lí do chọn đề tài.

Chương trình giáo dục phổ thông 2018 bắt đầu áp dụng cho cấp THPT từ nămhọc 2023-2024 yêu cầu hình thành và phát triển các năng lực học sinh gồm: nănglực tự chủ và tự học, năng lực giao tiếp và hợp tác, năng lực giải quyết vấn đề vàsáng tạo [1] Trong đó bộ môn Vật lý ngoài yêu cầu hình thành các năng lực chungnày còn yêu cầu hình thành các năng lực riêng của môn Vật lý bao gồm: nhận thứcvật lí, tìm hiểu thế giới tự nhiên dưới góc độ vật lí, vận dụng kiến thức, kĩ năng Vật

lý đã học [2] Mục tiêu của chương trình mới so với chương trình cũ là chuyển từdạy học đạt được kiến thức sang dạy học phát triển năng lực học sinh Vì vậy,phương pháp, phương tiện và kĩ thuật dạy học cũng phải thay đổi để đáp ứng cácmục tiêu của chương trình giáo dục mới [1]

Để phát triển năng lực của học sinh trong học tập môn Vật lý, học sinh phảichủ động, tích cực tham gia vào các hoạt động học ở trên lớp lẫn thực hiện cácnhiệm vụ học tập mà giáo viên giao ở nhà và tự khám phá Các hoạt động học tập

và rèn luyện phổ biến bao gồm: quan sát rồi nhận xét và đặt câu hỏi, dự đoán quátrình và kết quả, đề xuất các giải pháp, trả lời câu hỏi và làm bài tập…Yêu cầudạy học trên đòi hỏi giáo viên phải thiết kế chuỗi hoạt động học tập, lựa chọnphương pháp, tìm kiếm phương tiện phục vụ dạy học lấy học sinh làm trung tâm[3,4] Bên cạnh đó, mục tiêu của dạy học Vật lý còn yêu cầu phát triển năng lựcthực hành thí nghiệm cho học sinh

Trong khoảng hơn chục năm gần đây việc sử dụng các chương trình môphỏng trong dạy học nói chung, dạy học Vật lý nói riêng ngày càng phổ biến vàđạt được nhiều kết quả tích cực [8] Việc sử dụng các mô phỏng Vật lý phù hợpvới nhiều yêu cầu dạy học trong tiết học chính thức do giới hạn thời gian và dễdàng triển khai do hầu hết các phòng học hiện nay ở trường phổ thông đã có máychiếu hoặc ti vi kết nối với máy tính Các chương trình mô phỏng cũng giúp họcsinh chủ động trong học tập và tương tác với các bạn cùng lớp, cùng nhóm họctập Hơn nữa chúng giúp học sinh có thể sáng tạo những giải pháp, thực hiện cáckhám phá mới so với các phương tiện học tập khác Đặc biệt các mô phỏng hỗtrợ tốt cho học sinh tự học ở nhà và tương tác với bạn bè thông qua kết nốiInternet [9]

PhET Colorado simulation cung cấp các mô phỏng Vật lý cho việc dạy học vàhọc tập Vật lý có quy mô và sáng tạo nhất thế giới hiện nay Dự án do nhà Vật lýCarl Wieman đoạt giải Nobel 2001 người Mỹ lãnh đạo cùng các cộng sự ở đạihọc Colorado Boulder thực hiện và sự đóng góp, hiến tặng của rất nhiều ngườitrên khắp thế giới [5] Trình mô phỏng có mã nguồn mở cho phép các nhà pháttriển có thể bổ xung các mô phỏng và dịch sang ngôn ngữ của quốc gia mình.PhET đã có Tiếng

Trang 1

“Phát triển toàn diện năng lực học sinh THPT thông qua dạy học Vật lý sử

dụng PhET Colorado Simulation”

1.2 Mục đích nghiên cứu.

Sáng kiến kinh nghiệm nghiên cứu xây dựng các chuỗi hoạt động dạy học sửdụng PhET Colorado nhằm khám phá - nhận thức – vận dụng các hiện tượng, đạilượng, định luật Vật lý để phát triển toàn diện năng lực học sinh THPT

1.3 Đối tượng nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu của sáng kiến là hoạt động dạy học Vật lý sử dụng các

mô phỏng PhET Colorado để phát triển toàn diện năng lực học sinh THPT

1.4 Phương pháp nghiên cứu.

Sáng kiến kinh nghiệm ứng dụng tâm lý học nhận thức hiện đại và sử dụngphương pháp thực nghiệm để đánh giá sự phát triển năng lực con người thông quacác hoạt động khám phá – nhận thức – vận dụng Vật lý dùng mô phỏng

1.5 Những điểm mới của SKKN.

Điểm mới của sáng kiến kinh nghiệm này bao gồm:

 Thiết kế được chuỗi hoạt động dạy học Vật lý để khám phá - nhận thức – vậndụng hiện tượng Vật lý sử dụng PhET Colorado, từ đó chỉ ra được các hoạtđộng và quá trình tư duy để phát triển năng lực của học sinh THPT

 Thiết kế được chuỗi hoạt động dạy học Vật lý để khảo sát - nhận thức – vậndụng đại lượng Vật lý sử dụng PhET Colorado, từ đó chỉ ra được các hoạtđộng và quá trình tư duy để phát triển năng lực của học sinh THPT

 Thiết kế được chuỗi hoạt động dạy học Vật lý để thiết lập - nhận thức – vậndụng định luật Vật lý sử dụng PhET Colorado, từ đó chỉ ra được các hoạt động

và quá trình tư duy để phát triển năng lực của học sinh THPT

2 Nội dung sáng kiến kinh nghiệm

2.1 Cơ sở lí luận sử dụng PhET Colorado trong dạy học Vật lý.

PhET Colorado là một dự án mô phỏng tương tác trên nền web cho dạy học

Toán học và Khoa học do nhà Vật lý Mỹ đoạt giải Nobel Vật lý năm 2001 CarlWeiman sáng lập Sáng kiến tạo ra các mô phỏng miễn phí với mã nguồn mở chotất cả các giáo viên và học sinh trên khắp thế giới sử dụng Nhờ sự hảo tâm vàđóng góp của rất nhiều tổ chức, công ty, các cộng tác viên trên toàn thế giới, đặcbiệt là các nhà khoa học, giảng viên từ đại học Colorado Boulder, Hoa Kì mà dự

án này sẽ tiếp tục phát triển trong tương lai Ý tưởng của Carl Wienman là dạyhọc khoa học phỏng theo các hoạt động nghiên cứu của các nhà khoa học mà mọigiáo viên và học sinh ở khắp nơi trên thế giới có thể tiếp cận được Sáng kiến giáodục này đã giúp cho Carl Weiman đoạt giải thưởng Yidan về giáo dục năm 2020.PhET Colorado đã được một số cộng tác viên người Việt Nam hào phóng, đặcbiệt là Cao Sĩ Sơn chuyển ngữ sang Tiếng Việt, nên thuận tiện cho học sinh vàgiáo viên sử dụng Để sử dụng PhET Colorado bạn có thể truy cập trực tiếp vàolink sau trên trình duyệt https://phet.colorado.edu/ để sử dụng Tiếng Anh hoặclink sau https://phet.colorado.edu/vi/ nếu muốn sử dụng Tiếng Việt trên bất cứtrình duyệt nào chạy trên hệ điều hanh Window Bạn cũng có thể download các

mô phỏng về để sử dụng mà không cần kết nối internet Đây là giao diện củaPhET Colorado trên máy vi tính với ngôn ngữ Tiếng Việt Một số mô phỏng cóthể chưa được chuyển ngữ sang Tiếng Việt và chúng ta có thể phải dùng TiếngAnh nhưng chúng đều dựng dưới dạng đồ họa nên dễ hiểu Trong mô phỏng vẫntồn tại một số thuật ngữ Tiếng Anh nhưng không gặp khó khăn nhiều trong họctập và giảng dạy vì giáo viên và học sinh có thể dễ dàng hiểu được chúng nhờtương tác với chúng hoặc sử dụng từ điển Anh – Việt để tra cứu

Hình 1 Giao diện của PhET Colorado trên trình duyệt chạy hệ điều hành Window

PhET Colorado cũng có thể dùng trên các thiết bị di động như điện thoạithông minh hay máy tính bảng bằng cách cài PhET Simulations trong App Storehoặc CH play Đây là giao diện của PhET Colorado trên hệ điều hành Android sửdụng trên

điện thoại hoặc máy tính bảng Các mô phỏng sử dụng Tiếng Anh nhưng chúng rấttrực quan nên học sinh và giáo viên cũng dễ dàng sử dụng [5].

Hình 2 Giao diện của PhET trên ứng dụng di động chạy hệ điều hành Android

a) Với PhET Colorado trong học tập Vật lý, học sinh THPT có thể thực hiện cáchoạt động sau:

 Quan sát các hiện tượng, quá trình Vật lý xảy ra

 Dự đoán các hiện tượng và kết quả Vật lý

 Kiểm tra các giả thiết và ý tưởng

 So sánh các quá trình, kết quả với nhau

 Đo đạc các thông số, đại lượng để thu thập dữ liệu

 Xây dựng các thí nghiệm Vật lý dựa trên mô phỏng

 Thiết kế các mạch điện, sơ đồ

 Xác định mối quan hệ nguyên nhân – kết quả

 Trình bày vấn đề, kết quả Vật lý bằng sơ đồ, véc tơ, đồ thị

b) Với PhET Colorado giáo viên Vật lý trong dạy học Vật lý THPT có thể thực hiện các hoạt động sau:

 Trình bày các hiện tượng, quá trình Vật lý bằng mô phỏng

 Thực hiện các thí nghiệm, quá trình Vật lý

 Đo các thông số, đại lượng Vật lý

 Xây dựng các thí nghiệm Vật lý

 Thiết kế mạch điện, thiết bị, sơ đồ

 Kiểm tra các dự đoán

 So sánh các kết quả

 Thu thập dữ liệu từ thí nghiệm, đo đạc

 Trình bày các kiến thức, nội dung Vật lý bằng hình vẽ, sơ đồ véc tơ…

c) PhET Colorado là công cụ dạy học Vật lý và tự học Vật lý có nhiều ưu điểmvượt trội so với các ứng dụng và phần mềm giảng dạy và học tập Vật lý khácnhờ những yếu tố sau:

 Có thể đưa ra dự đoán và kiểm tra chúng được ngay

 Đo đạc được luôn các thông số và đại lượng của quá trình, hiện tượng

 Tự xây dựng các thí nghiệm với các mục tiêu khác nhau

 Thiết kế các sơ đồ, mạch điện, thiết bị linh hoạt theo nhu cầu

 Mô hình hóa sự biến đổi của các đại lượng, thông số một cách trực quan hay theo đồ thị và biểu đồ

 Thúc đẩy việc dạy học nhóm để học sinh tự tương tác

 Khuyến khích giáo viên và học sinh cùng cộng tác

 Tạo dựng môi trường giảng dạy - học tập sáng tạo lấy học sinh làm trung tâm

 Hầu hết mô phỏng được dịch ra Tiếng Việt trên nền Web

 Có thể sử dụng trực tuyến hoặc không trên cả máy tính và thiết bị di động

 Tương tác không giới hạn khi có kết nối Internet

 Phát triển dạy học STEM khi tích hợp cả Toán và Khoa học trong một

 Hoàn toàn miễn phí

2.2 Thực trạng sử dụng mô phỏng trong dạy học Vật lý THPT

Trong thời gian vừa qua một số giáo viên Vật lý ở Việt Nam đã sử dụng PhETtrong dạy học ở các cấp Đã có một số nghiên cứu sử dụng PhET trong dạy họcVật lý phổ thông [8] Tuy nhiên, việc khám phá và sáng tạo PhET trong dạy học

ở Việt Nam nói chung, dạy học Vật lý nói riêng còn ít và hạn chế, đặc biệt là sửdụng PhET dạy học STEM còn chưa được áp dụng Việc sử dụng PhET chủ yếutập trung ở các trường quốc tế sử dụng các chương trình dạy học của Anh, Mỹ.PhET chủ yếu được dùng trong các tiết giảng dạy Vật lý trên lớp với các minhhọa, chưa được dùng như một công cụ học tập sáng tạo của học sinh Nguyênnhân chủ yếu là do cách đo lường và đánh giá của Việt Nam khác biệt với cácnước phát triển trên thế giới khiến việc sử dụng PhET trở thành một rào cản Bêncạnh đó các thành tựu nghiên cứu ứng dụng PhET trong dạy học lại bằng TiếngAnh khiến cho đa phần các giáo viên phổ thông ở Việt Nam không dễ dàng tiếpcận được Vì vậy, thực tế dạy học phát triển năng lực khi triển khai chương trình

2018 đòi hỏi áp dụng PhET là vấn đề cần thiết và cấp thiết đối với dạy học Vật lýViệt nam chúng ta

2.3 Xây dựng chuỗi hoạt động dạy học Vật lý phát triển năng lực học sinh THPT dùng PhET Colorado.

Yêu cầu cần đạt trong chương trình Vật lý 2018 là bên cạnh hình thành vàphát triển các năng lực chung như: tự chủ và tự học, giao tiếp và hợp tác, giảiquyết vấn

đề và sáng tạo, thì bộ môn Vật lý còn phải phát triển các năng lực riêng bao gồm:năng lực nhận thức Vật lý, năng lực khám phá thế giới Vật lý và năng lực vậndụng Vật lý vào đời sống và kĩ thuật.

PhET hỗ trợ việc phát triển năng lực khám phá - nhận thức Vật lý bao gồmnhận thức:

Khám phá, nhận thức các hiện tượng Vật lý như: va chạm, cân bằng, khúc xạ,khuếch tán…

Khảo sát và nhận thức các đại lượng Vật lý như: lực, điện dung, điện trở…

Thiết lập các định luật Vật lý như: định luật Húc, định luật Ôm, định luật Cu lông…

PhET hỗ trợ việc phát triển năng lực vận dụng Vật lý vào thực tế và kĩ thuậtthông qua các hoạt động:

 Giải thích các hiện tượng, hiệu ứng Vật lý

 Đánh giá các ý kiến, ý tưởng Vật lý

 Thiết kế các thí nghiệm, hệ thống, mô hình

2.3.1 Hoạt động dạy học khám phá - nhận thức Vật lý dùng PhET Colorado

a Hoạt động dạy học khám phá - nhận thức hiện tượng Vật lý

PhET cung cấp cho khả năng khám phá – nhận thức hiện tượng Vật lý trong dạyhọc thông qua nhiều hoạt động đa dạng như:

 Đặt câu hỏi

 Dự đoán hiện tượng và kết quả

 Đo đạc và kiểm chứng hiện tượng

 So sánh kết quả và thảo luận nhóm

Các mô phỏng của PhET cung cấp cho học sinh nhận thức các hiện tượng Vật

lý như: va chạm, hấp dẫn, sóng, khuếch tán, giao thoa sóng cơ, giao thoa sóngánh sáng, khúc xạ ánh sáng, ma sát, cảm ứng điện từ…Sáng kiến kinh nghiệm

trình bày hoạt động khám phá-nhận thức hiện tượng “Khúc xạ ánh sáng” sử dụng

PhET theo lô gic của tâm lý nhận thức kiến tạo thông qua các hoạt động sau:

i Quan sát và so sánh hướng của tia sáng truyền trong môi trường không khí vàtruyền từ không khí vào nước Nhận xét về hướng ở bề mặt phân cách (hình3)

Hình 3 Sự truyền tia sáng đỏ trong không khí (trái), từ không khí sang nước (phải).

ii Hiển thị pháp tuyến và rồi so sánh góc hợp bởi của tia sáng với tia pháp tuyếnkhi truyền trong môi trường không khí và truyền từ không khí vào nước Kếtluận về tia sáng truyền tới bề mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốtkhác nhau (hình 4).

Hình 4 Sự truyền tia sáng của ánh sáng đỏ trong không khí (trái), sự truyền tia sáng từ không

khí sáng nước (phải), bao gồm góc khúc tới và góc khúc xạ.

iii Thay đổi chiết suất của hai môi trường tới và môi trường khúc xạ để ánh sángtruyền từ môi trường chiết quang kém sang môi trường chiết quang hơn, từmôi trường chiết quang hơn sang kém hơn Nhận xét về hướng của tia sáng tại

bề mặt phân cách (hình 5)

Hình 5 Sự truyền tia sáng từ nước sang thủy tinh (trái), và sự truyền tia sáng từ thủy tinh sang

nước (phải).

iv. Thay đổi bước sóng (màu sắc) của tia sáng rồi quan sát sự truyền tia sáng tại

bề mặt phân cách rồi rút ra kết luận (hình 6)

Hình 6 Sự truyền tia sáng từ không khí vào thủy tinh với ánh sáng xanh (trái), ánh sáng tím (phải).

v Định nghĩa hiện tượng khúc xạ ánh sáng

Như vậy, sử dụng PhET Colorado học sinh khám phá – nhận thức hiện tượng khúc xạ ánh sáng để phát triển năng lực thông qua chuỗi hoạt động và tư duy sau:

 Quan sát sự truyền tia sáng giữa các môi trường trong suốt.

 Dự đoán sự đổi hướng của tia sáng tại bề mặt phân cách của hai môi trườngchiết quang khác nhau

 So sánh giữa góc tới và góc khúc xạ của tia sáng để khẳng định sự đổi hướngcủa tia sáng khi truyền qua hai môi trường chiết quang khác nhau

 Ngoại suy sự truyền tia sáng giữa hai môi trường trong suốt có chiết quang khácnhau (ngoài các môi trường đã quan sát) và sự truyền tia sáng có bước sóng (màu sắc)khác nhau

 Tổng hợp các quan sát và kết luận định nghĩa hiện tượng khúc xạ ánh sáng

b Hoạt động dạy học khám phá - nhận thức đại lượng Vật lý

Trong khuôn khổ dạy học chính thức với thời gian quy định của một tiết học,PhET cho phép giáo viên và học sinh có thể khảo sát các đại lượng Vật lý thôngqua các hoạt động:

 Đo đạc các đại lượng

 Xác định mối liên hệ nguyên nhân – kết quả của đại lượng

 Thu thập dữ liệu từ mô phỏng

 Xác định mối liên hệ giữa các đại lượng Vật lý

 Vẽ đồ thị - biểu đồ của các đại lượng vật lý

 Làm khớp dữ liệu của các đại lượng từ dữ liệu đo được

Các mô phỏng của PhET cho phép học sinh nhận thức các đại lượng Vật lýbao gồm: mật độ, điện tích, cường độ điện trường, lực, áp suất, động lượng, điệntrở, điện áp, cường độ dòng điện…Sáng kiến kinh nghiệm trình bày chuỗi hoạt

động dạy học khám phá - nhận thức đại lượng “Động lượng” Đây là đại lượng

khó nhận thức bằng các phương tiện dạy học khác, trong khi đó PhET phát huynhiều ưu điểm Trong tiết học Vật lý, giáo viên và học sinh có thể tổ chức các hoạt

động nhận thức đại lượng “động lượng” dùng PhET như sau:

Hình 7 Trạng thái động lực của các vật chuyển động; (1) khối lượng m, vận tốc v; (2) khối lượng

2m, vận tốc v, (3) khối lượng 0,5m, vận tốc 2v.

i Quan sát hai vật chuyển động cùng khối lượng cùng vận tốc, hai vật có khốilượng m1 = 2m2 chuyển động cùng vận tốc, hai vật khối lượng m1 = 2m2

chuyển động với vận tốc v1 = 0.5v2 Nhận xét về trạng thái động lực giữa haivật trong các trường hợp trên (hình 7)

ii Quan sát chuyển động của vật khối lượng m’ sau khi chịu tác dụng của hai vậtcùng khối lượng m, nhưng chuyển động với vận tốc khác nhau Nhận xét vềvận tốc của vật m’ sau khi chịu tác dụng (hình 8)

Hình 8 Chuyển động của vật chịu tác dụng của các vật cùng khối lượng nhưng vận tốc khác nhau.

iii Quan sát chuyển động của vật khối lượng m’ sau khi chịu tác dụng của hai vậtkhối lượng khác nhau nhưng chuyển động cùng vận tốc Nhận xét về vận tốccủa vật m’ sau khi chịu tác dụng (hình 9)

Hình 9 Chuyển động của vật chịu tác dụng của hai vật khối lượng khác nhau cùng vận tốc.

iv Quan sát chuyển động của vật khối lượng m’ sau khi chịu tác dụng của hai vậtvới khối lượng là m1 = 2m2, vận tốc là v1 = 0.5v2 Nhận xét về độ lớn tích số

mv của hai vật trước và sau va chạm (hình 10)

Hình 10 Trạng thái động lực của vật chịu tác dụng của hai vật với tích số m.v có cùng độ lớn.

v Quan sát chuyển động của vật khối lượng m’ sau khi chịu tác dụng của vậtkhối lượng m chuyển động với vận tốc v nhưng theo hai hướng vuông góc vớinhau Nhận xét về hướng chuyển động của vật m’ sau khi chịu tác dụng (hình11)

Hình 11 Trạng thái động lực của vật chịu tác dụng của hai vật có hướng khác nhau.

vi Định nghĩa đại lượng “động lượng”.

Như vậy, sử dụng PhET Colorado giáo viên và học sinh khám phá và nhận

thức đại lượng“động lượng” để phát triển năng lực thông qua chuỗi hoạt động và

tư duy như sau:

 Quan sát sự chuyển động của các vật khối lượng khác nhau, vận tốc khác nhaurồi nhận xét về trạng thái động lực của vật

 Quan sát sự chuyển động của vật do bị va chạm bởi vật khác, các vật này cókhối lượng khác nhau, vận tốc khác nhau rồi nhận xét về trạng thái động lựccủa vật

 Tổng hợp các kết luận từ các quan sát trên suy đoán về giá trị tích số m.v đặctrưng cho trạng thái động lực của vật chuyển động.