skkn cấp tỉnh ứng dụng công nghệ thông tin thiết kế thí nghiệm khảo sát sự rơi của vật trong không khí giúp phát triển năng lực học sinh

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT CHUYÊN LAM SƠN

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN THIẾT KẾ THÍNGHIỆM KHẢO SÁT SỰ RƠI CỦA VẬT TRONGKHÔNG KHÍ GIÚP PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC HỌC

MỤC LỤC

Trang1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 1

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2

2.1 Cơ sở lý luận 2

2.2 Thực trạng của vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 3

2.3 Biện pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề 5

1 MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Chương trình giáo dục nước ta đang bước vào giai đoạn đổi mới mạnhmẽ Đặc biệt chương trình giáo dục phổ thông 2018 hướng đến giáo dục toàndiện, phát triển năng lực, phẩm chất cho học sinh, và nhấn mạnh đến nănglực áp dụng kiến thức, kỹ năng đã học được vào giải quyết vấn đề của thựctiễn Để đạt được mục đích đó, việc dạy học nói chung và dạy học môn Vậtlí nói riêng phải gắn liền với thực tiễn đời sống

Chương trình Vật lý từ trước đến giờ vẫn luôn chú trọng liên hệ thực tế,tuy nhiên không tránh khỏi những khó khăn khi nghiên cứu những hiệntượng đời sống Những khó khăn này bắt nguồn từ việc thiếu phương tiệngiảng dạy thích hợp, hoặc phương tiện đang có không đáp ứng được nhu cầunghiên cứu của giáo viên và học sinh Tuy nhiên, sự phát triển của côngnghệ thông tin đã mở ra con đường giải quyết vấn đề này, sự xuất hiện củacác phương tiện dạy học số đã hướng dạy học đến gần hơn với thực tiễn đờisống.Việc ứng dụng công nghệ thông tin (CNTT) giúp các thí nghiệm trởnên đơn giản hơn, giải quyết vấn đề thiếu phương tiện nghiên cứu thựcnghiệm.

Đối với nước ta, Đảng và Nhà nước đã xác định rõ vai trò, tầm quan trọngvà hiệu quả của ứng dụng CNTT trong dạy học, cần thiết phải có những biệnpháp cụ thể tác động đến hoạt động ứng dụng CNTT trong đội ngũ giáo viên,đặc biệt là hoạt động ứng dụng CNTT trong dạy học, tạo ra động lực, tìm racách tổ chức hoạt động ứng dụng CNTT một cách khoa học và hiệu quả, để từđó góp phần nâng cao chất lượng dạy học ở trường học, đáp ứng yêu cầu giáodục trong thời kì mới.

Nghiên cứu tập trung vào một hiện tượng thường gặp trong cuộc sốngnhưng lại tránh đề cập trong chương trình vật lí phổ thông Đó là sự rơi củavật trong không khí Bằng việc sử dụng điện thoại thông minh và phần mềmgiáo dục Coach 7, học sinh có thể tự thiết kế thí nghiệm để khảo sát sự rơicủa một vật

Do vậy, tôi đã chọn và nghiên cứu đề tài: “Ứng dụng công nghệ thôngtin thiết kế thí nghiệm khảo sát sự rơi của vật trong không khí giúp pháttriển năng lực học sinh”

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu lí luận dạy học hiện đại về dạy học gắn với thực tiễn, thực tếmức độ gắn với thực tiễn của chương trình Vật lí phổ thông hiện nay.

- Nghiên cứu về dạy học chuyển động vật rơi trong chương trình Vật lí phổthông, những hạn chế và khó khăn khi sử dụng phương tiện dạy học truyềnthống.

- Nghiên cứu phương tiện dạy học số, môi trường làm việc Coach 7, khảnăng của Coach trong dạy học gắn với thực tiễn.

- Nghiên cứu phần mềm Coach để xây dựng thí nghiệm khảo sát chuyểnđộng rơi có tính đến sức cản không khí, sử dụng phân tích băng hình và xâydựng mô hình.

- Xây dựng thí nghiệm khảo sát vận tốc tới hạn của vật rơi chịu tác dụngcủa lực cản không khí.

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lí luận: nghiên cứu lí luận dạy học hiện đại về dạy học gắnvới thực tiễn đời sống.

- Nghiên cứu thực tiễn:

+ Nghiên cứu thực tiễn dạy học chủ đề Sự rơi thông qua kinh nghiệm họctập của bản thân và nghiên cứu chương trình Vật lí 10.

+ Nghiên cứu tính năng của môi trường làm việc Coach thông qua tài liệuhướng dẫn.

2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM2.1 Cơ sở lý luận

Coach 7 là một môi trường làm việc linh hoạt với hai chế độ Học tập(Learning) và Tác giả (Authoring), sử dụng hiệu quả cho các môn Khoa học(Science), Công nghệ (Technology), Engineering (Kỹ thuật) và Toán học(Mathematics), hay còn gọi là giáo dục STEM Coach tích hợp các công cụ côngnghệ thông tin (ICT) như ghi chép dữ liệu, điều khiển, đo đạc video và hình ảnh,mô hình hóa,… Nhờ sự tương đồng với những công cụ được dùng bởi các nhàkhoa học, Coach hỗ trợ tốt trong giảng dạy để giải quyết các vấn đề thực tiễn.

Môi trường làm việc Coach bao gồm các hỗ trợ về cả phần cứng và phầnmềm, các chế độ làm việc khác nhau ứng dụng linh hoạt trong dạy học vật lí,trong đó, chế độ Author giúp người dạy xây dựng các hoạt động dạy học(Activity) trên mô hình một hoạt động với đầy đủ các văn bản hướng dẫn, hìnhảnh, video, dữ liệu,…

Về phần cứng, sản phẩm của Coach gồm các cảm biến ghép nối máy tínhsử dụng cho thực nghiệm nhiều môn học như vật lí, hóa học, sinh học.

Về phần mềm, Coach phát triển phần mềm Coach 6, Coach 7, cung cấp các côngcụ như phân tích hình ảnh, video; xây dựng mô hình; đo đạc nhờ ghép nối cảmbiến.

Cùng với đó là hệ thống những ví dụ, hoạt động được xây dựng sẵn cho mỗiphần, giúp người học có thể tự nghiên cứu sử dụng Coach mà không cần quánhiều sự hướng dẫn từ người khác.

Với hệ thống các phương tiện cả phần cứng và phần mềm, Coach đem đếncho người sử dụng một môi trường học tập, làm việc linh hoạt và hiệu quả.

Công cụ xây dựng mô hình (Modeling) cung cấp cho người dạy và ngườihọc phương tiện khảo sát các hiện tượng bằng con đường lý thuyết, và so sánhkết quả thực nghiệm với kết quả lý thuyết từ mô hình Thay vì sử dụng công cụthuần túy toán học, Modeling có thể được sử dụng dưới nhiều chế độ: mô hìnhđồ họa (chuyển dữ liệu về dạng các kí hiệu mô hình), dùng phương trình, dùngngôn ngữ viết Trong đó minh họa bằng kí hiệu mô hình giúp người học có cáinhìn tổng quan hơn nhờ sơ đồ sự tác động qua lại giữa các đại lượng vật lí

Công cụ đo đạc ghép nối máy tính (Measurement), là phương tiện giúp thuthập số liệu nhờ cảm biến, giúp ta thu được nhiều số liệu trong thời gian ngắnvới độ chính xác cao Cảm biến ghép nối máy tính chính là giải pháp cho các bàitoán mà chúng ta đang gặp khó khăn để lấy số liệu đã nói ở mục trước Coachcung cấp số lượng phong phú các loại cảm biến đáp ứng nhu cầu dạy học vớinhiều chủ đề, nhiều môn học và hiệu quả cao.

Một công cụ khác khá quen thuộc là phân tích video, ngoài Coach, chúngta có các phần mềm Tracker, Video Analysis (phần mềm do các giảng viêntrường Đại học Sư phạm Hà Nội phát triển) Phân tích video cũng giúp ta khảosát được chuyển động theo nhiều hướng khác nhau, thu thập được nhiều số liệutrong thời gian ngắn giải quyết được bài toán về va chạm không xuyên tâm vàchuyển động của vật ném xiên Coach cung cấp một giao diện thân thiện với cáccông cụ lấy số liệu tự động (Point Tracking), xử lý số liệu như: tính độ dốc, diệntích, khớp hàm, làm mịn đồ thị,…

So với sử dụng cảm biến, phân tích băng hình có độ chính xác thấp hơn,hạn chế về nội dung, thường chỉ sử dụng nhiều trong phân tích các quá trìnhđộng học Tuy nhiên, phân tích video có ưu điểm là chi phí thấp hơn, quá trìnhthu thập số liệu trực quan, bố trí đơn giản học sinh có thể tự thực hiện ở nhà Dođó, khi áp dụng vào chương trình Vật lý phổ thông nước ta, sử dụng phần mềmphân tích video sẽ phù hợp để áp dụng trên diện rộng.

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

Trong chương trình Vật lý lớp 10 có xét đến chuyển động của vật rơi tự dotrong điều kiện lý tưởng, theo đó, chuyển động của vật rơi tự do là “sự rơi của

một vật chỉ chịu tác động của trọng lực” Để tiếp cận chủ đề này, sách giáo khoacó đưa ra một tình huống: “Mọi vật thả ra đều rơi xuống đất Thả một hòn đá vàmột lông chim đồng thời, ta thấy hòn đá rơi nhanh hơn, chạm đất trong khi lôngchim còn bay lượn trên không Có phải vì hòn đá nặng hơn nên nó rơi nhanhhơn lông chim? ” Bài học đã đưa ra lý giải, chuyển động của hòn đá là chuyểnđộng rơi tự do, chuyển động của lông chim là chuyển động mà lực cản khôngkhí có tác động đáng kể nên nó không rơi tự do

Như vậy mặc dù bài học có đề cập đến hai loại chuyển động, rơi tự do vàkhông rơi tự do, chương trình chỉ tập trung nghiên cứu chuyển động rơi tự do.Chương trình Vật lí mới cũng đã đề cập đến chuyển động rơi có sức cản khôngkhí ở phần Một số lực trong thực tiễn của Chương Động lực học, chương trìnhcó đề cập đến lực cản khi một vật chuyển động trong nước hoặc trong khôngkhí Tuy nhiên, giáo viên và học sinh gặp nhiều khó khăn khi khảo sát sự rơi củavật trong các trường hợp này bởi kiến thức toán phổ thông chưa đủ để khảo sátbằng con đường lý thuyết trong khi các dụng cụ thí nghiệm chưa đáp ứng đủ yêucầu để khảo sát bằng con đường thực nghiệm.

a, Khảo sát bằng con đường lý thuyết:

Khi một vật rơi không vận tốc đầu, lực cản không khí ⃗D có chiều hướnglên, độ lớn tăng dần từ 0 cùng với độ tăng của vận tốc rơi của vật Lực ⃗D ngượcchiều với trọng lực ⃗Fg. Áp dụng định luật II Newton theo phương thẳng đứng tacó:

Nếu quãng đường rơi đủ dài, D dần bằng Fg, khi đó, gia tốc của vật bằng 0,

vật không tăng tốc nữa mà rơi với vận tốc không đổi, gọi là vận tốc tới hạn.

Giả sử, sức cản không khí tỉ lệ với vận tốc rơi là kv (t).Ta có: mg−kv=ma hay m ´x + k ´x−mg=0.

Học sinh trung học phổ thông chưa trang bị đủ kiến thức toán để giảiphương trình này.

b, Khảo sát bằng con đường thực nghiệm:

Để khảo sát chuyển động rơi có tính đến sức cản không khí, cần thu thậpnhiều số liệu trong thời gian ngắn Với bộ thí nghiệm sử dụng cổng quang, sốliệu thu được là rất ít, bộ thí nghiệm này chỉ dùng để kiểm chứng, không dùngđể khảo sát chuyển động vật rơi Với bộ thí nghiệm cần rung, vị trí của vật đượcghi lại trên băng giấy sau mỗi 0.02s, tuy nhiên việc này dẫn đến sai số khi gắnvật rơi với băng giấy, đặc biệt là những vật nhẹ Đặc điểm của vật rơi chịu tácdụng của lực cản không khí là sự biến đổi của vận tốc theo độ cao, đầu tiên vậtrơi nhanh dần sau đó dần đạt đến vận tốc tới hạn Đồ thị của vận tốc theo độ caolà đồ thị của hàm mũ cơ số e, với công cụ toán học và xử lý số liệu thủ công, ta

cũng không kiểm chứng được đồ thị này Ngoài ra, giáoviên và học sinh còn gặp khó khăn khi xử lý đồ thị phứctạp

c, Kết luận:

Chuyển động vật rơi khi gắn với thực tiễn đời sốngkhông thể bỏ qua lực cản không khí.

Không thể sử dụng kiến thức toán học phổ thông để

khảo sát bằng con đường lý thuyết cũng như không thể sử dụng các bộ thínghiệm truyền thống để khảo sát bằng con đường thực nghiệm.

2.3 Biện pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề.

Sau đây tôi xin đề xuất giải pháp khảo sát sự rơi tính đến sức cản không khísử dụng phần mềm Coach

2.3.1 Lựa chọn đối tượng nghiên cứu

Sự rơi của vật có dạng hình nón

Khi một vật chuyển động dưới tác dụng của lực cản không khí, nó thườngcó xu hướng chuyển động theo các hướng ngẫu nhiên khó dự đoán, ví dụ nhưkhi thả rơi một tờ giấy ta giấy nó chao đảo theo nhiều hướng trước khi rơi xuốngđất Điều này gây khó khăn khi thu thập số liệu Ta cần lựa chọn một vật rơi cóquỹ đạo đơn giản dễ dự đoán và có tính ổn định hơn.

Vật hình nón có hình dạng khí động học, chóp nón giúp sự định hướng khichuyển động tốt hơn do đó khi thả rơi vật hình nón sẽ rơi theo phương thẳngđứng Việc chế tạo vật hình nón từ giấy cũng rất đơn giản và có thể thay đổi cácthông số dễ dàng, thuận tiện cho việc khảo sát.

Công cụ:

Giấy A4TapeKéoCom-paThước kẻ

Bút, bút chỉ, tẩy,…

Hình 1.2 Làm hình nón bằng giấy

Hình 1.1 Vật rơi hình nón

Thao tác:

Vẽ một hình tròn trên giấy và cắt ra.

Cắt một phần hình tròn để được một hình quạt tròn.Ghép hai đường cắt với nhau bằng băng keo.

Sử dụng hạn chế băng keo dán để giảm sự thay đổi về khối lượng của nón.

2.3.2 Phương án nghiên cứu: Sử dụng công cụ Phân tích băng hình

a, Mục đích: Khảo sát chuyển động của vật rơi hình nón bằng con đường thực

nghiệm nhờ phần mềm phân tích băng hình.

Ghi lại số liệu và phân tích đồ thị của chuyển động vật rơi có tính sức cảnkhông khí.

b, Dụng cụ và bố trí:

- Dụng cụ:Nón giấyCamera

Giá đỡ cameraThang hoặc ghế cao

2 tờ giấy với màu sắc tương phản dùng để làmthước đo chuẩn trên video, ở đây sử dụng giấy trắngvà đỏ.

- Bố trí:

Lắp camera với giá đỡ và đặt cách nơi thả nón 3– 4m, sử dụng giá đỡ hoặc đặt camera cố định trênbàn để tránh rung lắc khi quay hình.

Đứng trên thang hoặc ghế, thả rơi nón từ độ cao2 – 3m.

Để đo đạc được chính xác, cần có thước đochuẩn khi hiệu chỉnh độ dài trong video Cắt giấy màutrắng và đỏ thành các hình chữ nhật kích thước3*10cm và nối chúng xen kẽ với nhau bằng băngdính, ta được thước đo với độ dài mỗi khoảng bằng10cm Dán thước chuẩn này lên tường nơi thả vật.

c, Tiến hành

Ghi hình:

Bật camera và bắt đầu ghi hình.

Đứng trên thang, đặt nón ở độ cao xác định (trong khoảng độ cao 2 – 3m),giữ cho mũi nhọn của nón hước thẳng đứng xuống, thả nón rơi nhẹ nhàng và dứtkhoát

Có thể chuẩn bị nhiều nón để thả rơi liên tục sau khi nón trước chạm đất

Lưu ý:

Ghi hình dưới ánh sáng tự nhiên để tránh hiện tượng nhấp nháy ở đènhuỳnh quang (trong một số video quay trước đây dưới đèn huỳnh quang, một sốkhung hình bị tối đi).

Tốc độ khung hình (số khung hình/giây, thường kí hiệu là fps), là số khunghình máy quay ghi lại được trong mỗi giây Ghi hình với tốc độ khung hình caocho khả năng thu thập nhiều số liệu hơn Thí nghiệm này sử dụng hai loại máyquay là điện thoại iPhone 11 – tốc độ khung hình 30fps và máy quay hành độngGopro 7 – tốc độ khung hình tối đa 240fps.

Khi làm thí nghiệm, ta giả sử vận tốc gió rất nhỏ có thể bỏ qua Để có đượcđiều này, cần ghi hình ở không gian ít gió, tốt nhất là ghi hình trong phòng cócửa kính để hạn chế gió và vẫn nhận được ánh sáng mặt trời Không gian lớphọc thường phù hợp với tiêu chí này.

Để thuận tiện khi quay hình và phân tích băng hình, quay nhiều lần nón rơitrong cùng một video sau đó sử dụng phần mềm Format Factory để chia nhỏvideo, mỗi video nón rơi thường có độ dài từ 2 – 3 giây.

Giao diện làm việc hiện ra với các cửa sổ, để nhập video, nhấp chuột phải

vào cửa sổ Data Video, chọn Open>Video , nhấp Add Video để nhập video

vào phần mềm, chọn video cần phân tích và nhấp OK Màn hình sẽ hiển thịkhung hình đầu tiên của video và các nút điều chỉnh.

Hiệu chỉnh video: Ta cần khớp thời gian và khoảng cách thực với thời gianvà khoảng cách trong video.

Với thời gian, nhấp chuột phải vào video và chọn Time Calibration…,

nhập tốc độ khung hình vào mục Frame rate.

Với hiệu chỉnh khoảng cách, nhấp chuột phải vào video và chọn Change

scale Hệ trục tọa độ (màu vàng) và thước hiệu chỉnh (màu đỏ hiện lên màn hình

video Di chuyển hai đầu thước khớp với thước trên tường, ghi độ dài thước vào

ô hội thoại Di chuyển hệ trục tọa độ đến vị trí thích hợp Ở đây, chọn gốc tọa độlà vị trí thả vật, chiều dương của trục y hướng xuống.

* Một số tùy chỉnh khác: Giới hạn khoảng video cần đo: di chuyển mũi têntam giác màu xanh ở thanh điều chỉnh video phía dưới cửa sổ video.

Adjust: điều chỉnh thông số video: độ sáng, độ tương phản, xoay video.Frames…: lựa chọn khung hình đo và số khung hình đo Đối với video tốc độ

30fps, có thể giữ nguyên số khung hình Đối với video tốc độ khung hình caonhư Gopro 5, quá trình rơi của vật có thể được ghi đến 600 khung hình, để tránhmất thời gian khi thu số liệu bằng cách click chuột thủ công, ta điều chỉnh sốkhung hình cần đo xuống còn từ 50-100 khung hình.

Thêm bảng số liệu, đồ thị:

+ Thêm bảng số liệu: Nhấp vào biểu tượng Data Table trên thanhcông cụ, thả vào một cửa sổ trống trên giao diện Đầu tiên, bảng số liệu có 3 cộtlà thời gian, tọa độ x và y Để thêm cột số liệu vận tốc, nhấp chuột phải vào cửa

sổ, chọn Add a New Variable > into Data series > Formula Trên ô hội thoạihiện lên, nhập tên, đơn vị, màu sắc của biến số vận tốc Nhấp Edit ở Formula

và nhập hàm Derivative(time;P1Y), tức là đạo hàm của tọa độ y theo thời gian.

Nhấp OK khi hoàn thành.

+ Thêm đồ thị: nhấp biểu tượng Graph , chọn Add new và di chuột

đến click vào một cửa sổ còn trống Nhấp vào trục tung và trục hoành để lựachọn biến số cho đồ thị Ở đây, ta khảo sát đồ thì tọa độ y theo thời gian và vậntốc v theo độ cao, tức tọa độ y.

Sau khi thiết kế xong các bảng biểu hiển thị dữ liệu, ta tiến hành thu dữ liệu

từ video, có hai cách là lấy số liệu tự động (Point Tracking) và lấy số liệu thủ

+ Để lấy số liệu tự động, nhấp chuột phải vào video, chọn Point

Tracking… màn hình video hiển thị kí hiệu P1, kéo thả P1 vào vị trí của vật.

Sau đó bấm Start để bắt đầu, phần mềm sẽ tự động xác định vị trí vật vàkhi lại số liệu.

+ Để lấy số liệu thủ công, nhấp Start và kích chuột vào vị trí vật trêntừng khung hình, sau mỗi lần nhấp chuột, phần mềm sẽ tự động chuyển đếnkhung hình tiếp theo.

+ Thu số liệu đến hết video hoặc chọn Stop để dừng lại Số liệu sẽđược ghi lại và biểu diễn trên đồ thị ngay trong quá trình ta thu thập.