Sử Dụng Một Số Mô Hình Dao Động Và Sóng Điện Từ Được Xây Dựng Bằng Ngôn Ngữ Lập Trình Matlab Để Giảng Dạy Chương Dao Động Và Sóng Điện Từ Vật Lý Lớp 12 Ban Nâng Cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC TRẦN THỊ THANH VÂN SỬ DỤNG MỘT SỐ MÔ HÌNH DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ ĐƢỢC XÂY DỰNG BẰNG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB ĐỂ GIẢNG DẠY CHƢƠNG DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ VẬT LÝ LỚP 12 BAN NÂNG CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ SƢ PHẠM VẬT LÝ Chuyên ngành: Lý luận và phƣơng pháp dạy học (Bộ môn Vật lý) HÀ NỘI - 2011 MỤC LỤC MỞ ĐẦU . Error! Bookmark not defined. 1. Lì do chọn đề tài 2. Mục đìch nghiên cứu 3. Đối tƣợng nghiên cứu 4. Giả thuyết khoa học 5. Nhiệm vụ nghiên cứu 6. Phạm vi nghiên cứu 7. Phƣơng pháp nghiên cứu 8. Đóng góp của đề tài 9. Cấu trúc luận văn CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI. 1.1. Xu hƣớng đổi mới phƣơng pháp dạy học 1.1.1. Đổi mới phương pháp dạy học – xu hướng chung của thế giới 1.1.2. Định hướng đổi mới phương pháp dạy học Vật lý hiện nay 1.2. Dạy học tìch cực 1.2.1. Tính tích cực của học sinh trong dạy học Vật lý 1.2.2. Phương pháp dạy học tích cực 1.2.3. Một số kĩ thuật dạy học tích cực cần được sử dụng để nâng cao chất lượng dạy học 1.3. Ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học vật lý 1.3.1.Giáo dục và công nghệ 1.3.2. Vai trò của CNTT&TT trong giảng dạy nói chung và trong giảng dạy vật lý 1.3.3. Tình hình sử dụng máy tính và khai thác phần mềm để dạy học ở nước ta hiện nay 1.3.4. Ưu nhược điểm của ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học vật lý 1.4. Mục đích giảng dạy chương dao động và sóng điện từ cho học sinh phổ thông với sự hỗ trợ của phần mền Matlab 1.4.1 Kết hợp phương pháp dạy học tích cực với một số mô hình Matlab trong giảng dạy chương “Dao động và sóng điện từ ” 1.4.2 Các bước kết hợp hiệu quả giữa phương pháp dạy học tích cực với phần mềm Matlab trong giảng dạy chương “Dao động và sóng điện từ ” CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MATLAB VÀ ỨNG DỤNG . 2.1 Tổng quan về mô hính 2.1.1 Định nghĩa mô hình 2.1.2 Chức năng của mô hình trong Vật lý học 2.1.3 Các loại mô hình Vật lý 2.1.4 Phương pháp mô hình trong nghiên cứu vật lý và các giai đoạn của của nó 2.1.5 Phương pháp mô hình trong dạy học Vật lý 2.2 Tổng quan về Matlab 2.2.1. Quá trình hình thành và phát triển của Malab 2.2.2 Matlab là ngôn ngữ lập trình 2.2.3 Các đặc điểm chính của ngôn ngữ lập trình Matlab 2.2.4 Các lệnh trong Matlab 2.2.5 Đồ hoạ trong Matlab 2.3 Ứng dụng Matlab xây dựng mô hính vật lý học ứng dụng trong giảng dạy . CHƢƠNG 3: SỬ DỤNG MỘT SỐ MÔ HÌNH MATLAB TRONG DẠY HỌC PHẦN DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ . 3.1. Đặc điểm, cấu trúc, nội dung chƣơng “dao động và sóng điện từ” vật lì 12 Ban nâng cao 3.1.1. Đặc điểm, cấu trúc chương “dao động và sóng điện từ” trong chương trình vật lí phổ thông lớp 12 chương trình nâng cao . 3.1.2. Nội dung kiến thức chươn g: “Dao động và sóng điện từ” 3.1.3. Mục tiêu về kiến thức và kĩ năng học sinh cần đạt khi học chương “Dao động và sóng điện từ” 3.2.1. Mạch dao động 3.2.2. Chu kỳ và tần số dao động riêng của mạch LC 3.2.3. Mạch chọn sóng LC 3.2.4. Sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian 3.3. Thực nghiệm sƣ phạm 3.3.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm: 3.3.2. Lựa chọn đối tượng thực nghiệm 3.3.3. Phương pháp thực nghiệm sư phạm 3.3.4. Thời điểm thực nghiệm 15/10/2010 đến 17/11/2010 . 3.3.5. Diễn biến thực nghiệm sư phạm 3.3.6. Đánh giá kết quả thực nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO . 1 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Cuộc cách mạng về công nghệ thông tin bắt đầu từ những năm cuối Thế kỷ 20 đã đem lại vô số những thành tựu góp phần to lớn phát triển mọi mặt của xã hội loài ngƣời. Hoạt động dạy học cùng với những hoạt động khác của xã hội đƣợc tin học hóa mạnh mẽ. Điều này không chỉ thể hiện ở việc tiến hành xây dựng một kết cấu hạ tầng thông tin mà bản chất của nó nằm ở sự thay đổi về nội dung, hình thức tổ chức dạy học và thay đổi tƣ duy của ngƣời dạy và ngƣời học ở tất cả các cấp bậc giáo dục. Việc phát triển năng lực tƣ duy, năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học phổ thông là một trong những mục tiêu của công cuộc đổi mới phƣơng pháp dạy học. Đây là nhiệm vụ khó khăn khi nội dung dạy học khá nặng nề và chế độ thi cử còn cồng kềnh chƣa định hƣớng mục đích học tập. Học sinh tại các trƣờng Trung học phổ thông ít có điều kiện để đƣợc rèn luyện tƣ duy khoa học, kĩ năng thu thập và xử lý thông tin. Việc tiếp cận với tin học một cách thƣờng xuyên sẽ dần hình thành cho học sinh kinh nghiệm về thu thập và xử lý thông tin, nhƣng chừng đó là chƣa đủ. Vai trò tổ chức hoạt động học tập ứng dụng công nghệ tin học đòi hỏi ngƣời giáo viên phải hiểu và sử dụng máy tính một cách thuần thục. Việc mô phỏng, mô hình hóa các hiện tƣợng Vật lý bằng phần mềm giúp học sinh nhận thức hiện tƣợng một cách trực quan. Dạy học Vật lý với sự hỗ trợ của mô hình tiết kiệm thời gian tổ chức hoạt động nhận thức, tăng thời lƣợng thảo luận và giải quyết các vấn đề thuộc bản chất hiện tƣợng. Hiện nay mạng xã hội ảo trở nên phổ biến và sẽ còn phát triển mạnh mẽ trong nhiều năm tới. Việc tìm kiếm, chia sẻ thông tin trên mạng internet đã trở nên phổ biến, điều này đòi hỏi ngƣời giáo viên thế hệ mới có những hiểu biết sâu hơn về máy tính, kĩ thuật mạng và kĩ thuật số Trao đổi thông tin trong cộng đồng mạng xã hội ảo phát triển mạnh mẽ khiến cho lƣợng thông tin của loài ngƣời tăng lên nhanh chóng. Việc lựa chọn những thông tin có ích cho công tác 2 của giáo viên là hết sức quan trọng. Với các giáo viên giảng dạy môn Vật lý thì họ cần các tiện ích, phần mềm, tài liệu liên quan về bộ môn của họ. Nhƣ vậy, các giáo viên cần đến một công cụ nào đó có thể dễ dàng thiết kế, xây dựng mô hình Vật lý, có cộng đồng phát triển đông đảo, đồng thời tính tƣơng thích và kế thừa cao. Matlab là phần mềm có thể thỏa mãn đa số các yêu cầu đó, nhất là khi nó đƣợc kết hợp với các phƣơng pháp dạy học tích cực sẽ thu đƣợc những thành công lớn. Xuất phát từ các vấn đề trên, tác giả chọn đề tài: “Sử dụng một số mô hình dao động và sóng điện từ được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Matlab để giảng dạy chương dao động và sóng điện từ Vật lý lớp 12 ban nâng cao” làm đề tài nghiên cứu luận văn của mình. 2. Mục đích nghiên cứu Sử dụng mô hình biểu diễn quá trình dao động và sóng đƣợc xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Matlab trong quá trình giảng dạy để giúp học sinh hình thành tƣ duy logic, giải quyết vấn đề. Kết hợp với các phƣơng pháp dạy học tích cực để quá trình dạy học đạt hiệu qủa cao. Rèn luyện tƣ duy phê phán, phân tích, đối thoại và sáng tạo cho học sinh. 3. Đối tƣợng nghiên cứu Các khái niệm cơ bản trong phần dao động và sóng điện từ. Hoạt động của giáo viên và học sinh khi dạy và học các kiến thức trên. 4. Giả thuyết khoa học Việc học chay đôi khi làm cho học sinh không hiểu đƣợc bản chất của vấn đề, nắm kiến thức không sâu, tiếp thu một cách thụ động do đó không gây hứng thú cho học sinh. Sử dùng phần mềm Matlab mô hình hóa một số khái niệm cơ bản, các hiện tƣợng và mối quan hệ giữa các đại lƣợng trong phần dao động và sóng điện từ và các mô hình này kết hợp với phƣơng pháp dạy học tích cực giúp học sinh nhận thức sâu sắc hơn về bản chất Vật lý của vấn đề, làm cho học sinh tiếp thu kiến thức một cách tích cực, ghi nhớ một cách logic và vận dụng sáng 3 tạo hơn. Việc mô hình hóa trên góp phần đẩy mạnh quá trình đổi mới phƣơng pháp giảng dạy bộ môn Vật lý ở trƣờng phổ thông. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở lý luận của phƣơng pháp mô hình hóa, trong đó tập trung vào các mô hình lý tƣởng, mô hình kí hiệu, đồ thị, hình ảnh, quy luật vận động của đối tƣợng vật lý. Nghiên cứu cơ sở lý luận của các phƣơng pháp dạy học tích cực. Nghiên cứu nội dung dạy học thuộc phần dao động và sóng điện từ trong chƣơng trình Vật lý phổ thông. Nghiên cứu phƣơng pháp xây dựng mô hình bằng phần mềm Matlab. Thực nghiệm sƣ phạm để đánh giá hiệu quả của phƣơng pháp giảng dạy sử dụng mô hình đƣợc thiết kế bằng Matlab. 6. Phạm vi nghiên cứu Luận văn nghiên cứu quá trình dạy học nói chung, dạy vật lý nói riêng trong trƣờng THPT khi có sự hỗ trợ bởi phầm mền Matlab trong việc giảng dạy vật lý, cụ thể là dạy và học vật lý trong phần dao động và sóng điện từ. Với mục đích nâng cao khả năng ứng dụng công nghệ thông tin, khả năng giải quyết vấn đề, khả năng làm việc nhóm, năng lực nhận thức của học sinh, giúp ngƣời học chủ động giải quyết vần đề khi gặp phải trong quá trình dạy học và giúp ngƣời dạy có thêm công cụ trong việc dạy vật lý. 7. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu lý luận: Dựa vào tài liệu lý luận dạy học làm sáng tỏ các quan điểm trong tổ chức, điều khiển diễn biến quá trình dạy học vật lý. Từ đó học sinh biết cách gải quyết những vấn đề gặp phải trong quá trình nhận thức. Dựa vào tài liệu lý luận về các phƣơng pháp day học tích cực, lựa chọn và xây dựng pƣơng pháp dạy học tích cực vận dụng trong phần dao động và sóng điện từ. 4 Sử dụng phần mềm Matlab và những tài liệu liên quan trong việc thiết kế, mô phỏng các hiện tƣợng dao động và sóng điện từ phục vụ quá trình dạy học. Nghiên cứu chƣơng trình, nội dung sách giáo khoa, sách giáo viên, sách tham khảo, từ đó xác định chính xác nội dung, các khái niệm, các cách giải bài tập vật lý mà học sinh cần phải nắm đƣợc khi học phần dao động và sóng điện từ. - Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu quá trình dạy học trong trƣờng THPT nói chung và trƣờng THPT Cổ Loa, Đông Anh Hà Nội nói riêng thông qua các hoạt động: giảng dạy, dự giờ, thảo luận với các đồng nghiệp và đánh giá kết quả học tập của học sinh. Trên cơ sở kết quả thu đƣợc tiến hành đánh giá tình hình dạy, học phần dao động và sóng điện từ của học sinh phổ thông. Nghiên cứu quá trình sử dụng máy tính trong việc ứng dụng phần mềm Matlab mô phỏng, giải các bài tập vật lý bằng các mô hình, phục vụ công tác giảng dạy ở trƣờng THPT 8. Đóng góp của đề tài Góp phần làm sáng tỏ vai trò phƣơng pháp mô hình hóa bằng phần mềm máy tính trong dạy học Vật lý trong trƣờng phổ thông. Cung cấp những hiểu biết cơ bản về phần mềm Matlab và ứng dụng của nó. Tạo ra một số mô hình có giá trị thực tiễn. Kết hợp đƣợc phƣơng pháp mô hình với phƣơng pháp dạy học tích cực để đạt hiệu quả cao trong dạy học. 9. Cấu trúc luận văn Trên cơ sở nội dung đề tài đã lựa chọn, ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn đƣợc chia thành 3 chƣơng sau: Chƣơng 1: Cơ sở lý luận và thực tiễn của đề tài. Chƣơng 2: Tổng quan về Matlab và các ứng dụng 5 Chƣơng 3: Sử dụng một số mô hình Matlab trong dạy học phần dao động và sóng điện từ 6 CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.1. Xu hƣớng đổi mới phƣơng pháp dạy học 1.1.1. Đổi mới phương pháp dạy học – xu hướng chung của thế giới 1.1.2. Định hướng đổi mới phương pháp dạy học Vật lý hiện nay Các kết quả nghiên cứu tâm lí về khả năng lƣu giữ thông tin của học sinh và của cho thấy bằng cách đọc chỉ đạt 5%, bằng nghe chỉ đạt 10%, bằng các phƣơng tiện nghe nhìn đạt 20%, bằng thảo luận đạt 50%. Thu nhận bằng kinh nghiệm thực hành đạt đƣợc 75%, khi dạy lại cho ngƣời khác có thể đạt 90%. (Nghiên cứu do National Training Laboratories tiến hành ở Bethel, bang Maine, Hoa Kỳ). Trên cơ sở các nghiên cứu, định hƣớng đổi mới phƣơng pháp dạy học ngày nay là hƣớng tới ngƣời học, phát huy tính tích cực, chủ động của ngƣời học. Để đáp ứng nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực cho sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập quốc tế, nƣớc ta cần nhanh chóng chuyển từ mô hình dạy học thụ động sang mô hình dạy học tích cực. 1.1.2.1. Xây dựng cơ sở lý thuyết 1.1.2.2. Hoàn thiện phương pháp dạy học hiện có 1.1.2.3. Sáng tạo các phương pháp mới 1.2. Dạy học tích cực 1.2.1. Tính tích cực của học sinh trong dạy học Vật lý Tính tích cực, tự giác trong quá trình dạy học Vật lý đƣợc tạo ra do mối liên hệ giữa hoạt động của giáo viên và học sinh trong giờ học môn Vật lý , học sinh cần hiểu rằng sau mỗi định luật, một tính chất là các thông tin lớn về thực tế ứng dụng để giải thích các hiện tƣợng trong đời sống hàng ngày. Thông thƣờng học sinh không có khái niệm đầy đủ về tính chất và đặc điểm của chúng, mà cần [...]... CHƢƠNG 3: SỬ DỤNG MỘT SỐ MÔ HÌNH MATLAB TRONG DẠY HỌC PHẦN DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ 3.1 Đặc điểm, cấu trúc, nội dung chƣơng dao động và sóng điện từ vật lí 12 Ban nâng cao 3.1.1 Đặc điểm, cấu trúc chương dao động và sóng điện từ trong chương trình vật lí phổ thông lớp 12 chương trình nâng cao 3.1.2 Nội dung kiến thức chươn g: Dao động và sóng điện từ 3.1.2.1 Về mạch dao động 3.1.2.2 Về điện từ trường... Về sóng điện từ 3.1.2.4 Về nguyên tắc thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến 3.1.3 Mục tiêu về kiến thức và kĩ năng học sinh cần đạt khi học chương Dao động và sóng điện từ 3.1.3.1 Mục tiêu về kiến thức chương Dao động và sóng điện từ 3.1.3.2 Kỹ năng của học sinh khi học chương Dao động và sóng điện từ 3.2 Xây dựng một số mô hình Matlab để giảng dạy chƣơng Dao động và sóng điện từ vật lý 12 nâng. .. mới và phát triển năng lực giải quyết vấn đề - Tiến hành thực nghiệm sƣ phạm theo tiến trình dạy học đã soạn thảo để đánh giá hiệu quả của qúa trình giảng dạy có sử dụng mô hình đƣợc xây dựng bằng phần mềm Matlab Nhƣ vậy, với việc sử dụng mô hình đƣợc xây dựng bằng phần mềm Matlab trong việc dạy vật lý chƣơng "Dao động và sóng điện từ sách giáo khoa Vật Lý 12 nâng cao, luận văn đã làm rõ đƣợc một số. .. sở lý luận về phƣơng pháp dạy học mô hình hóa, căn cứ vào nội dung dạy học và hoàn cảnh cụ thể Từ những nhận xét trên, ta có thể thấy quy trình xây dựng một mô hình (ảo) để ứng dụng trong giảng dạy nhƣ sau:  Xác định mục đích dạy học  Thiết kế, xây dựng mô hình  Thiết kế bài giảng có sử dụng mô hình  Thực nghiệm  Đánh giá kết quả  Chỉnh sửa hoặc xây dựng mô hình và bài giảng mới 13 CHƢƠNG 3: SỬ... khoa Vật Lý 12 nâng cao nhằm phát hiện những khó khăn của giáo viên và học sinh Từ đó đề xuất một số nguyên nhân của các khó khăn và nêu các biện pháp khắc phục - Xây dựng các mô hình bằng phần mềm Matlab vào việc tổ chức dạy học một số bài trong chƣơng "Dao động và sóng điện từ sách giáo khoa Vật Lý 12 nâng cao không những giúp học sinh vận dụng đƣợc kiến thức, kĩ năng đã biết, mà còn giúp học sinh hình. .. mô hình trong Vật lý học 2.1.3 Các loại mô hình Vật lý Mô hình Vật lý thông thƣờng đƣợc chia làm hai loại có chức năng khác nhau: mô hình vật chất và mô hình lý thuyết 2.1.4 Phương pháp mô hình trong nghiên cứu vật lý và các giai đoạn của của nó Phƣơng pháp mô hình trong vật nghiên cứu Vật lý có các giai đoạn nhƣ sau: Giai đoạn 1: Nghiên cứu những tính chất của đối tƣợng gốc Giai đoạn 2: Xây dựng mô. .. đoạn 2: Xây dựng mô hình Giai đoa ̣n 3: Thao tác trên mô hình, suy ra hệ quả lý thuyết Giai đoa ̣n 4: Thực nghiệm kiểm tra 2.1.5 Phương pháp mô hình trong dạy học Vật lý Vai trò của mô hình trong dạy học Vật lý Các mức độ sử dụng phƣơng pháp mô hình trong dạy học Vật lý 2.2 Tổng quan về Matlab 2.2.1 Quá trình hình thành và phát triển của Malab 2.2.2 Matlab là ngôn ngữ lập trình Matlab là phần mềm cho... chủ động của học sinh trong quá trình học tập 1.3.3 Tình hình sử dụng máy tính và khai thác phần mềm để dạy học ở nước ta hiện nay 1.3.3.1 Tình hình sử dụng máy tính ở nước ta hiện nay 1.3.3.2 Khai thác sử dụng một số phần mềm để dạy học môn vật lý 1.3.4 Ưu nhược điểm của ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học vật lý 1.3.4.1 Ưu điểm 1.3.4.2 Hạn chế 1.4 Mục đích giảng dạy chƣơng dao động và sóng điện. .. trong chƣơng Dao động và sóng điện từ Vật Lý 12 nâng cao, chúng tôi yêu cầu học sinh ôn tập lại chƣơng Dao động điều hoà” Ở bài học Dao động điện từ , đầu tiên giáo viên hƣớng dẫn học sinh sử dụng phiếu học tập KWL (phụ lục 2) để nhớ lại những kiến thức cũ và liên kết hình thành kiến thức mới với sự trợ giúp của mô hình Matlab Ở các bài tiếp theo với sự giúp đỡ của mô hình Matlab, học sinh hình thành... bằng ngôn ngữ Matlab Chạy chƣơng trình mô phỏng ta thu đƣợc kết quả nhƣ trên hình 3.14: Hình 3.14: Sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian 18 Trong không gian điện trƣờng và từ trƣờng dao động cùng pha với nhau Sóng điện từ cũng tuân theo các định luật phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ khi truyền từ môi trƣờng này sang môi trƣờng khác 3.5 Truyền thông bằng sóng điện từ 3.5.1 Nguyên lý thu, phát sóng