Sử dụng bộ cảm biến addestation để thực hiện một số thí nghiệm trong chương trình vật lý 10

PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ Lí chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4 Nhiệm vụ nghiên cứu Thời gian nghiên cứu Đóng góp đề tài PHẦN II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Cơ sở lý luận thí nghiệm vật lý 1.1 Dạy học Vật lý theo tiếp cận lực 1.2 Sử dụng phương tiện dạy học Vật lý 1.3 Thí nghiệm dạy học Vật lý 10 1.4 Thí nghiệm ghép nối máy vi tính sử dụng cảm biến Addestation 12 2.1 Giới thiệu cảm biến Addestation 13 2.2 Thí nghiệm xác định vận tốc gia tốc vật rơi tự 15 2.3 Thí nghiệm khảo sát định luật II Niuton 20 2.3.3 Tiến hành thí nghiệm 21 2.3.4 Xử lý số liệu 25 2.4 Thí nghiệm kiểm chứng định luật Huc 26 Bảng Kết thu sau lần đo 31 2.5 Thí nghiệm khảo sát va chạm đàn hồi va chạm không đàn hồi 34 Bảng Kết thu qua lần đo 38 2.5.1.5 Kết luận 38 2.5.2 Va chạm không đàn hồi 38 2.5.2.4 Kết luận 42 2.6 Thí nghiệm kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng 43 2.6.5 Kết luận 46 2.7 Thí nghiệm đo hệ số ma sát 46 2.8 Thí nghiệm kiểm chứng định luật Boyle – Mariotte 49 PHẦN III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57 Kết luận 57 Hướng mở đề tài 57 Một số kiến nghị đề xuất 57 3.1 Đối với Bộ Giáo dục Đào tạo 57 3.2 Đối với trường phổ thông 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ Lí chọn đề tài Hội nghị lần thứ Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam (khố XI) thơng qua Nghị số 29/NQ-TW ngày tháng 11 năm 2013 đổi bản, toàn diện giáo dục đào tạo đáp ứng u cầu cơng nghiệp hố, đại hoá điều kiện kinh tế thị trường định hướng xã hội chủ nghĩa hội nhập quốc tế; Quốc hội ban hành Nghị số 88/2014/QH13 ngày 28 tháng 11 năm 2014 đổi chương trình, sách giáo khoa giáo dục phổ thơng, góp phần đổi bản, toàn diện giáo dục đào tạo Ngày 26/12/2018, Bộ trưởng Bộ GD-ĐT ban hành Thông tư số 32/2018/TT-BGD&ĐT Chương trình giáo dục phổ thơng, nêu rõ: “Giáo dục khoa học tự nhiên giúp học sinh dần hình thành phát triển lực khoa học tự nhiên qua quan sát thực nghiệm, vận dụng tổng hợp kiến thức, kĩ để giải vấn đề sáng tạo sống; đồng thời với mơn Tốn, Vật lí, Hố học, Sinh học, Cơng nghệ, Tin học thực giáo dục STEM, xu hướng giáo dục coi trọng nhiều quốc gia giới quan tâm thích đáng đổi giáo dục phổ thơng Việt Nam” Vật lí với đặc thù mơn khoa học thực nghiệm có tính công nghệ kỹ thuật nên việc giảng dạy cần thực thí nghiệm biễu diễn, thí nghiệm khảo sát thí nghiệm thực hành nhằm mục đích giúp học sinh sáng tỏ, khẳng định vấn đề lý thuyết mà giáo viên trình bày Qua củng cố, đào sâu tri thức mà họ lĩnh hội vận dụng lý luận để nghiên cứu vấn đề thực tiễn đề Đồng thời biến tri thức thành niềm tin, hình thành kỹ năng, kỹ xảo làm công tác thực nghiệm khoa học; kỹ năng, kỹ xảo thực hành động trí tuệ - lao động; kích thích hứng thú học tập môn bồi dưỡng phẩm chất cần thiết người lao động óc quan sát, tính xác, tính cẩn thận, tính cần cù, tiết kiệm, tổ chức lao động có khoa học Trong q trình đổi phương pháp dạy học, phương tiện dạy học đóng vai trị quan trọng Chức chủ yếu phương tiện dạy học tạo điều kiện để học sinh nắm vững xác, sâu sắc kiến thức, phát triển lực nhận thức hình thành nhân cách học sinh Theo lí luận dạy học đại, phương tiện dạy học hỗ trợ hoạt động giáo viên học sinh tất pha tiến trình giải nhiệm vụ nhận thức Phương tiện dạy học chứng tỏ vai trò việc tăng cường tính trực quan thí nghiệm, thực hành q trình dạy học nói chung dạy học Vật lý nói riêng Hiện nay, việc trang bị phương tiện dạy học cho trường phổ thông bước tăng cường Trước yêu cầu đổi giáo dục nước ta theo hướng phát triển lực học sinh, việc sử dụng đa dạng phối hợp phương tiện dạy học để nâng cao hiệu học tập môn học quan trọng cần thiết Các phương tiện dạy học số ngày phổ biến áp dụng rộng rãi trường phổ thông Đối với môn Vật lý, việc sử dụng thí nghiệm ghép nối máy vi tính giúp nâng cao khả tiến hành phương án thí nghiệm mà dụng cụ truyền thống không thực hạn chế thời gian khó khăn kĩ thuật Thí nghiệm sử dụng cảm biến ghép nối máy vi tính cho phép tự động thu thập nhiều số liệu thời gian ngắn Học sinh sử dụng phần mềm để lập bảng, đồ thị thực nghiệm; phân tích, xử lí số liệu thu từ cảm biến cách nhanh chóng xác Các kết phân tích số liệu hiển thị hình rõ ràng, khoa học có tính trực quan cao Trên sở lí trình bày trên, với mong muốn nâng cao hiệu sử dụng thiết bị thí nghiệm, tăng cường hoạt động thực nghiệm cho học sinh học tập môn Vật lý theo hướng tích cực, chủ động, sáng tạo tơi nghiên cứu đề tài “Sử dụng cảm biến Addestation để thực số thí nghiệm chương trình Vật lý 10” Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đề tài tập trung nghiên cứu khả ứng dụng cảm biến Addestation để làm số thí nghiệm chương trình Vật lý 10 Qua góp phần đổi phương pháp dạy học Vật lý theo hướng tiếp cận lực Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: HS lớp 10 trường THPT Tương Dương Phạm vi nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu trình dạy học trường THPT Tương Dương Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu lí luận dạy học Vật lý theo tiếp cận lực Nghiên cứu khả hỗ trợ phương tiện dạy học số, thí nghiệm ghép nối máy vi tính cơng cụ mơ hình hóa dạy học Vật lý theo tiếp cận lực Thực số thí nghiệm chương Vật lý lớp 10 với cảm biến Addestation Thời gian nghiên cứu Trong năm học 2021 – 2022, từ tháng 9/2021 đến tháng 3/2022 Đóng góp đề tài Áp dụng công nghệ để thực thí nghiệm nhằm thu thập, xử lý số liệu xác phân tích kết nhanh dạy học vật lý Đề giải pháp việc giảng dạy tiết thực nghiệm có hiệu trường THPT Tương Dương PHẦN II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Cơ sở lý luận thí nghiệm vật lý 1.1 Dạy học Vật lý theo tiếp cận lực 1.1.1 Quan niệm lực Có nhiều cách quan niệm khác lực Trong Chương trình giáo dục phổ thơng tổng thể, lực quan niệm thuộc tính cá nhân hình thành, phát triển nhờ tố chất sẵn có q trình học tập, rèn luyện, cho phép người huy động tổng hợp kiến thức, kỹ thuộc tính cá nhân khác hứng thú, niềm tin, ý chí, thực thành cơng loại hoạt động định, đạt kết mong muốn điều kiện cụ thể 1.1.2 Thành phần cấu trúc lực Theo quan điểm nhà sư phạm Đức, cấu trúc chung lực hành động mô tả kết hợp lực thành phần sau: - Năng lực chuyên môn (Professional competency): Là khả thực nhiệm vụ chuyên môn khả đánh giá kết chun mơn cách độc lập, có phương pháp xác mặt chun mơn Trong bao gồm khả tư lơ gic, phân tích, tổng hợp, trừu tượng hoá, khả nhận biết mối quan hệ hệ thống trình Năng lực chuyên môn hiểu theo nghĩa hẹp lực “nội dung chuyên môn”, theo nghĩa rộng bao gồm lực phương pháp chuyên môn - Năng lực phương pháp (Methodical competency): Là khả hành động có kế hoạch, định hướng mục đích việc giải nhiệm vụ vấn đề Năng lực phương pháp bao gồm lực phương pháp chung phương pháp chuyên môn Trung tâm phương pháp nhận thức khả tiếp nhận, xử lý, đánh giá, truyền thụ trình bày tri thức - Năng lực xã hội (Social competency): Là khả đạt mục đích tình xã hội xã hội nhiệm vụ khác phối hợp phối hợp chặt chẽ với thành viên khác - Năng lực cá thể (Induvidual competency): Là khả xác định, đánh giá hội phát triển giới hạn cá nhân, phát triển khiếu cá nhân, xây dựng thực kế hoạch phát triển cá nhân, quan điểm, chuẩn giá trị đạo đức động chi phối ứng xử hành vi Trong chương trình dạy học nước thuộc OECD, người ta sử dụng mơ hình lực đơn giản hơn, phân chia lực thành hai nhóm chính, lực chung lực chuyên mơn - Nhóm lực chung bao gồm: + Khả hành động độc lập thành công; + Khả sử dụng công cụ giao tiếp công cụ tri thức cách tự chủ; + Khả hành động thành cơng nhóm xã hội khơng đồng - Năng lực chuyên môn liên quan đến mơn học riêng biệt Ví dụ nhóm lực chun mơn mơn Tốn bao gồm lực sau đây: + Giải vấn đề toán học; + Lập luận tốn học; + Mơ hình hóa tốn học; + Giao tiếp toán học; + Tranh luận nội dung tốn học; + Vận dụng cách trình bày tốn học; + Sử dụng ký hiệu, cơng thức, yêu tố thuật toán 1.1.3 Dạy học theo tiếp cận lực Từ năm 90 kỉ trước, so sánh quốc tế thiết kế chương trình giáo dục, người ta thường nêu lên hai cách tiếp cận chính: thứ nhất, tiếp cận dựa theo nội dung chủ đề (content or topic based approach), thứ hai tiếp cận dựa vào kết đầu (outcome based approach) Tiếp cận dựa vào nội dung cách nêu danh mục đề tài, chủ đề lĩnh vực, môn học Tức tập trung xác định trả lời câu hỏi: Chúng ta muốn học sinh biết gì? Cách tiếp cận chủ yếu dựa vào yêu cầu nội dung học vấn môn nên thường mang nặng lí thuyết tính hệ thống, người thiết kế ý đến tiềm năng, giai đoạn phát triển, nhu cầu, hứng thú điều kiện người học Tiếp cận kết đầu cách tiếp cận nêu rõ kết quả, khả kĩ mà học sinh mong muốn đạt vào cuối giai đoạn nhà trường mơn học cụ thể Nói cách khác, cách tiếp cận nhằm trả lời câu hỏi: Chúng ta muốn học sinh biết làm gì? Bước sang kỉ 21, tốc độ phát triển kinh tế - xã hội nhanh chóng với biến đổi liên tục khôn lường, vai trò giáo dục ngày trọng đầu tư hết Xu thiết kế chương trình giáo dục theo tiếp cận lực nhiều quốc gia quan tâm vận dụng việc thay đổi, sửa sang, cải tiến chương trình cải cách giáo dục Tên gọi cách tiếp cận có khác thuật ngữ dùng phổ biến Competency-based Curriculum (Chương trình dựa sở lực- gọi tắt tiếp cận lực) Chương trình tiếp cận lực thực chất cách tiếp cận kết đầu Đầu cách tiếp cận tập trung vào hệ thống lực cần có người học Việc dạy học thay dừng hướng tới mục tiêu dạy học hình thành kiến thức, kĩ thái độ tích cực học sinh cịn hướng tới mục tiêu xa sở kiến thức, kĩ hình thành, phát triển khả thực hành động có ý nghĩa người học Học sinh ghi nhớ kiến thức mà thực hoạt động cụ thể, vận dụng tri thức học để giải tình đặt sống 1.2 Sử dụng phương tiện dạy học Vật lý 1.2.1 Thế phương tiện dạy học số Khi dạy học số nội dung, để tổ chức trình hoạt động học tập vật lý cách tích cực, chủ động, sáng tạo, sử dụng phương tiện dạy học truyền thống, gặp khó khăn để đạt mục đích dạy học Chính vậy, cơng nghệ thông tin phát triển, để hỗ trợ việc thực tốt mục tiêu dạy học, người ta tạo phương tiện dạy học số - phương tiện mà phần hay toàn tạo nên hoạt động dựa công nghệ số Theo định nghĩa phương tiện dạy học số thuộc phương tiện dạy học bao gồm phương tiện thiết bị cứng như: máy chiếu Projector, đầu đĩa Camera…- gọi tắt phương tiện dạy học số cứng; phương tiện liệu số, phần mềm hay thiết bị tích hợp thiết bị cứng phần mềm như: hình ảnh, video, mơ hình, thiết bị thí nghiệm ghép nối máy vi tính…- gọi tắt phương tiện dạy học số mềm 1.2.2 Phân loại phương tiện dạy học số dạy học Vật lý PHƯƠNG TIỆN DẠY H ỌC (VẬT LÝ) Phương tiện dạy học (Vật lý) n th Phương tiện dạy học (Vật lý) 1.2.3 Khả hỗ trợ phương tiện dạy học số dạy học Vật lý Việc tổ chức hoạt động nhận thức học sinh theo đường tìm tịi nhà khoa học theo chu tình hoạt động nhận thức sáng tạo thường gặp khó khăn giai đoạn như: đề xuất mơ hình - giả thuyết trừu tượng, xây dựng phương án thực nghiệm tiến hành thực nghiệm để kiểm tra hệ Chính thơng qua hoạt động giai đoạn này, mà tính tích cực, tự lực sáng tạo học sinh phát triển Tuy nhiên, nhiều trường hợp, sử dụng phương tiện dạy học truyền thống việc yếu cầu tính tích cực, tự lực học sinh tham gia vào việc phát vấn đề cần giải giải vấn đề Như vậy, với thiết bị thí nghiệm ghép nối máy vi tính, ta tự động thu thập số liệu thực nghiệm, lập bảng số liệu, vẽ đồ thị thực nghiệm Sau ta nghiên cứu, phân tích số liệu đồ thị thực nghiệm để dự đốn mối quan hệ có tính quy luật đại lượng tượng, q trình vật lý nghiên cứu, ta nhờ máy vi tính kiểm tra dự đốn hay sai cách vẽ điều chỉnh hàm số chuẩn cho đồ thị trùng khít với đồ thị thực nghiệm 1.4.2 Khả hỗ trợ ưu điểm việc sử dụng thí nghiệm ghép nối máy vi tính dạy học Vật lý theo tiếp cận lực So với thiết bị truyền thống, thí nghiệm hỗ trợ máy vi tính có số ưu điểm sau: - Có tính trực quan cao việc trình bày số liệu đo, hiển thị kết - Tiết kiệm nhiều thời gian thu thập xử lí số liệu hoàn toàn tự động - Cho phép thu thập nhiều liệu thực nghiệm thời gian ngắn (đó yêu cầu quan trọng nghiên cứu thực nghiệm) - Độ xác cao số liệu đo kết tính tốn cuối sử dụng thiết bị đại phương pháp tính đại - Tiết kiệm thời gian lắp đặt thí nghiệm - Để sử dụng thí nghiệm có ghép nối với thiết bị vi tính khơng địi hỏi người sử dụng biết kiến thức đặc biệt kĩ thuật vi tính, khơng cần biết ngơn ngữ lập trình Tóm lại, sử dụng thí nghiệm ghép nối cảm biến máy vi tính khắc phục nhược điểm nêu thí nghiệm truyền thống có mở khả thí nghiệm Cảm biến cho phép tự động hóa việc thu thập liệu thực nghiệm thời gian ngắn Thiết bị ghép tương thích chuyển đổi liệu dạng tín hiệu tương tự sang liệu dạng số đưa vào máy vi tính có cài đặt phần mềm chun dụng Học sinh sử dụng phần mềm để lập bảng, đồ thị thực nghiệm; phân tích, xử lí số liệu thu từ cảm biến cách nhanh chóng xác Các kết phân tích số liệu hiển thị hình rõ ràng, khoa học có tính trực quan cao Sử dụng cảm biến Addestation để thực số thí nghiệm chương trình vật lý 10 2.1 Giới thiệu cảm biến Addestation Bộ cảm biến Addestation thiết bị thí nghiệm sử dụng cơng nghệ cảm biến Addestation kết hợp hoàn hảo thiết bị thí nghiệm truyền thống (có chọn lọc thiết kế đặc trưng) với phần mềm chuyên dụng, có tính khoa học, tính sư 13 phạm cao bảo đảm tính kinh tế Phục vụ chức nghiên cứu nâng cao, địi hỏi độ xác cao thí nghiệm chuyên sâu học sinh giáo viên Bộ thiết bị cảm biến Addestation bao gồm: Các loại cảm biến gọi thiết bị thu thập liệu như: cảm biến chuyển động, cảm biến áp suất, cảm biến dòng điện, cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ, cảm biến từ trường Thiết bị aMixer MGA thiết bị thu nhận, xử lý hiển thị liệu đo cảm biến hiển thị hình cảm ứng Đây thiết bị cầm tay tiện cho việc thực đo đạc trực tiếp trường Ngoài ra, để việc xác định xử lý số liệu xác, nhanh gọn trình chiếu để học sinh dễ dàng quan sát ta kết nối thiết bị với máy vi tính thơng qua cổng kết nối thiết bị aMixer MGA Lưu ý: máy vi tính phải cài đặt phần mềm hỗ trợ Addestation v5.0 (Vie) 14 Hình 2.1.1 Thiết bị aMixer MGA cổng kết nối thiết bị Hình 2.1.2 Sơ đồ khối thiết bị cảm biến Addestation 2.2 Thí nghiệm xác định vận tốc gia tốc vật rơi tự 2.2.1 Mục đích thí nghiệm - Đo vận tốc thước nhựa thời điểm khác 15 - Xác định gia tốc rơi tự 2.2.2 Dụng cụ thí nghiệm - aMixer MGA, máy vi tính - cổng quang điện - thước nhựa có vạch đen - giá chân kẹp đa - khăn vải 2.2.3 Tiến hành thí nghiệm * Chuẩn bị thiết lập thí nghiệm Bước 1: Mở aMixer MGA, kết nối cổng quang điện vào CH1 aMixer MGA Kết nối thiết bị aMixer MGA với máy vi tính chạy phần mềm hỗ trợ Addestation v5.0 (Vie) Bước 2: Đặt giá chân lên bàn, gắn cổng quang điện vào trụ sắt điểu chỉnh độ cao cho vị trí thấp Điều chỉnh giá chân cho cổng quang điện nhô khỏi cạnh bàn Đảm bảo cổng quang điện nằm mặt phẳng song song với mặt bàn Đặt miếng vải lên mặt sàn cổng quang điện * Thu thập liệu Ý tưởng phương pháp ta cho thước nhựa rơi qua cổng quang điện lần từ thu vận tốc trung bình thước nhựa thời điểm vạch đen thước che tia hồng ngoại (xem bảng 1) Gia tốc g thu công thức Bước 3: Kích vào biểu tượng phần mềm hỗ trợ để bắt đầu thu thập liệu Giữ cho thước nhựa thẳng đứng đặt cho vị trí vạch đen thấp thước nhựa bên cổng quang điện Thả tay cho thước nhựa rơi qua cổng quang điện Chú ý: Khi thả không thước nhựa rơi chạm vào cổng quang điện Nếu thước nhựa chạm vào cổng quang điện rơi ta phải lặp lại bước Bước 4: Khi thước nhựa chạm sàn, kích vào biểu tượng để dừng thu thập liệu ta thấy đồ thị với đường dọc đậm (Hình 2.2.1) 16 Hình 2.2.1 Bước 5: Kích vào biểu tượng kích vào vùng trũng để phóng đại lên Một đồ thị chứa vùng trũng bên xuất Chú ý: Nếu phóng to đồ thị ta khơng kích vào vùng trũng đồ thị bị lệch Khi đó, kích vào biểu tượng kích vào vùng rìa để dịch chuyển đồ thị vị trí mong muốn Nếu kích q nhiều lần phóng to ta kích vào biểu tượng thu nhỏ đồ thị Bước 6: Kích vào biểu tượng sau kích vào vùng trũng Một dấu ‘+’ xuất Giá trị x (khoanh tròn) cho biết thời gian bắt đầu vùng trũng (Hình 2.2.2) Ghi lại giá trị vào Bảng 17 Hình 2.2.2 - Bước 7: Tiếp tục kích vào cạnh lên vùng trũng 1, dấu ‘+’ khác xuất Giá trị x lúc cho biết thời gian kết thúc vùng trũng Trên hình xuất giá trị (Hình 2.2.3) Ghi lại giá trị “Độ lệch thời gian” vào Bảng 18