Thiết kế một số mô hình bằng phần mềm Matlab để giảng dạy chương Sóng ánh sáng vật lý lớp 12 nâng cao tt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC NGUYỄN THỊ NGA THIẾT KẾ MỘT SỐ MÔ HÌNH BẰNG PHẦN MỀM MATLAB ĐỂ GIẢNG DẠY CHƯƠNG “SÓNG ÁNH SÁNG” – VẬT LÝ 12 NÂNG CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

NGUYỄN THỊ NGA

THIẾT KẾ MỘT SỐ MÔ HÌNH BẰNG PHẦN MỀM MATLAB ĐỂ GIẢNG DẠY CHƯƠNG “SÓNG ÁNH SÁNG” – VẬT LÝ 12 NÂNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÝ

CHUYÊN NGÀNH: LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC

(BỘ MÔN VẬT LÝ)

Mã số: 60 14 10

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS BÙI VĂN LOÁT

HÀ NỘI – 2012

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn i

Danh mục viết tắt ii

Danh mục các bảng iii

Danh mục các hình iv

Mục lục v

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 6

1.1.Cơ sở về phương pháp dạy học 6

1.1.1.Phương pháp dạy học 6

1.1.2.Thực trạng của việc dạy và học hiện nay 7

1.1.3.Xu hướng đổi mới phương pháp dạy học 8

1.1.4.Phương pháp dạy học tích cực 9

1.2.Cơ sở lí luận về thiết kế phương án dạy học 12

1.2.1.Cơ sở khoa học để người giáo viên có thể thiết kế phương án dạy học 12

1.2.2.Thiết kế phương án dạy học một bài học bao gồm các bước như sau 13

1.3.Vai trò và ý nghĩa của công nghệ thông tin trong dạy học 21

1.4.Phương pháp mô hình 23

1.4.1.Các chức năng của mô hình 23

1.4.2.Tính chất của mô hình 24

1.4.3.Các loại mô hình sử dụng trong dạy học Vật lí 25

1.4.4 Các giai đoạn của phương pháp mô hình 26

1.4.5.Phương pháp mô hình trong dạy học vật lí 27

1.5.Một vài nét về phần mềm Matlab 27

1.5.1.Matlab và đặc điểm của Matlab 27

1.5.2.Một số câu lệnh cơ bản dùng trong Matlab 28

1.5.3.Ứng dụng Matlab xây dựng mô hình vật lí trong giảng dạy 30

Kết luận chương 1 32

Chương 2: THIẾT KẾ MỘT SỐ MÔ HÌNH BẰNG PHẦN MỀM MATLAB ĐỂ GIẢNG DẠY CHƯƠNG “SÓNG ÁNH SÁNG” – VẬT LÍ 12 NÂNG CAO 33

2.1.Nội dung sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao 33

2.2.Phân tích nội dung kiến thức chương “Sóng ánh sáng” – Vật lí 12

nâng cao 35

2.2.1.Tán sắc ánh sáng 35

2.2.2.Nhiễu xạ ánh sáng 36

2.2.3.Giao thoa ánh sáng 37

2.2.4.Máy quang phổ và các loại quang phổ 39

2.2.5.Tia hồng ngoại Tia tử ngoại Tia X 40

2.2.6.Thuyết điện từ ánh sáng Thang sóng điện từ 42

2.3.Kiến thức, kĩ năng học sinh cần có sau khi học chương “Sóng ánh sáng” – Vật lí 12 nâng cao 43

2.3.1.Kiến thức 43

2.3.2.Kĩ năng 44

2.4 Một số mô hình thiết kế bằng phần mềm Matlab để giảng dạy chương “Sóng ánh sáng” – Vật lí 12 nâng cao 44

2.4.1.Mô hình nhiễu xạ ánh sáng 44

2.4.2.Mô hình về giao thoa ánh sáng 48

2.5.Thiết kế một số bài giảng dạy trong chương “Sóng ánh sáng” 49

2.5.1.Bài 36: Nhiễu xạ ánh sáng Giao thoa ánh sáng 49

2.5.2.Bài 37: Khoảng vân Bước sóng và màu sắc ánh sáng (tiết 1) 54

Kết luận chương 2 61

Chương 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 62

3.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm 62

3.2.Nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm 62

3.3.Đối tượng thực nghiệm sư phạm 63

3.4.Thời gian thực nghiệm sư phạm 63

3.5.Phương pháp thực nghiệm sư phạm 63

3.6.Các bước tiến hành thực nghiệm 63

3.7.Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm 64

3.7.1.Đánh giá định tính kết quả thực nghiệm 64

3.7.2.Đánh giá định lượng kết quả thực nghiệm sư phạm 65

Kết luận chương 3 72

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 77

Trong những năm gần đây, phong trào đổi mới phương pháp giảng dạy nâng cao chất lượng và hiệu quả giáo dục đã diễn ra ở tất cả các cấp, các bộ môn.Sự phát triển của công nghệ thông tin đã góp phần không nhỏ trong việc đổi mới phương pháp giảng dạy, đem lại hiệu quả cao cho hoạt động giáo dục Hiện nay trên thị trường cũng như trong các trang mạng cung cấp rất nhiều phần mềm hỗ trợ cho việc dạy học như phần mềm Flash, phần mềm Crocodile, phần mềm Mathematical… Trong số những phần mềm được sử dụng hỗ trợ cho việc giảng dạy, phần mềm Matlab hỗ trợ rất hiệu quả cho việc giảng dạy Phần mềm Matlab

đã hỗ trợ giáo viên trong việc tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh, tăng cường tính tích cực của người học, tiết kiệm thời gian tổ chức hoạt động nhận thức, tăng cường thời gian thảo luận và giải quyết các vấn đề bản chất, giải phóng học sinh khỏi những thao tác không cần thiết…

Trong chương trình Vật lý 12 THPT, tôi nhận thấy chương “Sóng ánh sáng”

có nhiều ứng dụng trong khoa học kĩ thuật và thực tế đời sống Mặt khác, đây là một chương khó, nhiều kiến thức trong chương được xây dựng từ hiện tượng quan sát được trong thực tế và từ thí nghiệm Có nhiều hiện tượng, nhiều thí nghiệm không phải dễ dàng tiến hành được nên đã gây ra những khó khăn trong việc chiếm lĩnh tri thức của học sinh Hơn nữa, việc tiếp thu kiến thức theo kiểu áp đặt hoặc chấp nhận kiến thức gây ra cảm giác chán nản, không hứng thú, không hiểu rõ bản chất của vấn đề cho học sinh Do đó, gây ra những hạn chế cho học sinh trong việc vận dụng những kiến thức này để giải quyết những vấn đề trong thực tế có liên quan và không thể phát triển tư duy ở mức độ cao hơn

Từ những lí do trên, với mong muốn góp phần nâng cao chất lượng dạy và

học ở trường Trung học phổ thông, tôi chọn đề tài: “Thiết kế một số mô hình bằng

phần mềm Matlab để giảng dạy chương “Sóng ánh sáng” – Vật lí 12 nâng cao”

làm đề tài nghiên cứu luận văn của mình

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu thiết kế một số mô hình bằng Matlab để giảng dạy một số bài học trong chương “Sóng ánh sáng” – Vật lý 12 nâng cao nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh

- Rèn luyện tư duy lôgic, giải quyết vấn đề

3 Lịch sử nghiên cứu

Trong những năm gần đây đã có một số đề tài nghiên cứu sử dụng phần mềm Matlab trong dạy học Vật lý THPT như:

- Dạy học bài toán dao động và sóng sử dụng mô hình được xây dựng

bằng phần mềm Matlab (Luận văn Thạc sỹ Đinh Đức Chính)

- Sử dụng một số mô hình dao động và sóng điện từ xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Matlab để giảng dạy chương “ Dao động và sóng điện từ” – Vật lý 12 THPT ban

nâng cao (Luận văn Thạc sỹ Trần Thị Thanh Vân)

- Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlap trong dạy học bài tập phần Phóng xạ và

phản ứng hạt nhân sách giáo khoa Vật lý 12 nâng cao (Luận văn Thạc sỹ Nguyễn

Văn Hiền)

4 Đối tƣợng và khách thể nghiên cứu

- Nội dung một số bài học và bài luyện tập chương “Sóng ánh sáng” – Vật lý

12 nâng cao Cụ thể là các bài liên quan đến hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa ánh sáng

Thiết kế và sử dụng một số mô hình xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Matlab như thế nào để phát huy tính tích cực nhận thức của học sinh khi giảng dạy chương “Sóng ánh sang” – Vật lý 12 nâng cao?

6 Giả thuyết khoa học

Nếu thiết kế và sử dụng được một số mô hình xây dựng bằng phần mềm Matlab trong dạy học chương “Sóng ánh sáng” – Vật lý 12 nâng cao sẽ phát huy được tính tích cực hoạt động nhận thức của học sinh và nâng cao chất lượng kiến thức

7 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý luận của phương pháp mô hình hóa, trong đó tập trung vào các mô hình lý tưởng, mô hình kí hiệu, đồ thị, hình ảnh, quy luật vận động, biến đổi của đối tượng Vật lý

- Nghiên cứu nội dung dạy học chương “Sóng ánh sáng” – Vật lý 12 nâng cao, tập trung vào các bài giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng

- Nghiên cứu phương pháp xây dựng mô hình bằng phần mềm Matlab

- Thực nghiệm sư phạm để đánh giá hiệu quả của phương pháp giảng dạy sử dụng mô hình được thiết kế bằng Matlab

9 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý luận

Nghiên cứu cơ sở lí luận về tâm lí học, giáo dục học và lí luận dạy học bộ môn theo hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh

Nghiên cứu mục tiêu, nội dung và nhiệm vụ dạy học của bộ môn vật lí ở trường THPT hiện nay nói chung, và của chương “Sóng ánh sáng” nói riêng Cụ thể là nội dung kiến thức phần giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng Từ đó, xác định

chính xác nội dung, các khái niệm, các cách giải bài tập vật lý mà học sinh cần phải tiếp thu được

Nghiên cứu phần mềm Matlab và những tài liệu liên quan trong việc thiết

kế, mô phỏng các hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng phục vụ quá trình dạy học

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Tiến hành thực nghiệm sư phạm ở các trường THPT có đối chứng để kiểm tra tính khả thi của luận văn, cụ thể là làm nổi bật vai trò của việc sử dụng các mô hình trong việc nâng cao nhận thức của học sinh THPT trong các giờ học vật lí

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 trường THPT

- Phương pháp thống kê toán học

Sử dụng phương pháp thống kê mô tả và thống kê kiểm định để đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm

10 Đóng góp của đề tài

Góp phần làm sáng tỏ vai trò phương pháp mô hình hóa bằng phần mềm máy tính trong dạy học Vật lý trong trường 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

11 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục, nội dung chính của luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Cơ sở lý luận và thực tiễncủa đề tài

Chương 2: Phân tích nội dung kiến thức chương “Sóng ánh sáng” và ứng dụng phần mềm Matlab xây dựng một số mô hình dạy học

Chương 3: Thực nghiệm sư phạm

Mỗi phương pháp dạy học bao gồm các yếu tố [5]:

 Mục đích dạy học được xác định trước

 Hệ thống những hành động liên tiếp tương ứng

 Phương pháp hành động tương ứng

 Quá trình biến đổi của đối tượng bị tác động, kết quả thu được

1.1.2 Thực trạng của việc dạy và học hiện nay

Thực tế dạy học ở trường phổ thông của chúng ta hiện nay vẫn mang nặng tính chất độc thoại, thông báo, giảng giải, áp đặt, làm mẫu cho học sinh bắt chước của sự dạy và tính chất thụ động theo dõi, chấp nhận ghi nhớ, thừa hành, bắt chước của sự học Kiểu dạy học này chưa khích lệ được tính tích cực, chủ động tìm tòi sáng tạo của học sinh trong quá trình chiếm lĩnh tri thức

1.1.3 Xu hướng đổi mới phương pháp dạy học

Mục đích của đổi mới phương pháp dạy học là nhằm đào tạo thế hệ trẻ năng động, sáng tạo, có khả năng làm việc độc lập, làm việc theo nhóm, có khả năng hoạch định và giải quyết vấn đề,… Do đó, nét đặc trưng của hoạt động dạy là: tổ chức tình huống học tập, kiểm tra định hướng hành động học độc lập tự chủ, sáng

tạo, trao đổi, tranh luận của học sinh… Nét đặc trưng của hoạt động học là ý thức được vấn đề hay nhiệm vụ cần phải giải quyết, độc lập suy nghĩ kết hợp với ghi nhận thông báo có kiểm tra phê phán để xác định giải pháp, tự chủ hành động giải quyết nhiệm vụ học, …[13]

Việc đổi mới dạy học như vậy đã chuyển từ vị trí tôi học thuộc, tôi làm mẫu sang vị trí tôi tự hỏi, tôi tự tìm tòi giải quyết vấn đề

1.1.4 Phương pháp dạy học tích cực

1.1.4.1 Tính tích cực học tập

Tính tích cực học tập biểu hiện ở những dấu hiệu như: hăng hái trả lời các câu hỏi của giáo viên, bổ sung các câu trả lời của bạn, thích phát biểu ý kiến của mình trước vấn đề được nêu ra; hay thắc mắc, đòi hỏi phải được giải thích cặn kẽ những vấn đề chưa đủ rõ, chủ động vận dụng kiến thức, kĩ năng vào vấn đề mới, có khả năng tập trung cao vào vấn đề đang học, không chán nản trước những tình huống khó khăn, luôn tìm cách khắc phục khó khăn để giải quyết vấn đề [10]

1.1.4.2 Phương pháp dạy học tích cực

Phương pháp dạy học tích cực là phương pháp khơi dậy, phát huy tính chủ động, tích cực của cả người dạy và người học nhằm trau dồi tư duy sáng tạo và rèn luyện trí thông minh trong quá trình chinh phục chân lí; là sự dạy và học mà trong

đó người dạy đóng vai trò là người tổ chức định hướng, tạo điều kiện và người học

là người thực hiện

1.1.4.3 Đặc trưng của phương pháp dạy học tích cực

Thứ nhất, dạy và học thông qua tổ chức các hoạt động học tập của học sinh Thứ hai, dạy và học chú trọng rèn luyện phương pháp tự học

Thứ ba, dạy học tích cực tăng cường học tập cá thể với học tập hợp tác

Thứ tư, dạy học tích cực kết hợp đánh giá của thầy với tự đánh giá của trò

1.2 Cơ sở lí luận về thiết kế phương án dạy học

1.2.1 Cơ sở khoa học để người giáo viên có thể thiết kế phương án dạy học

1.2.2 Thiết kế phương án dạy học một bài học bao gồm các bước như sau

1.2.2.1 Xác định các yếu tố cơ bản của nội dung kiến thức cần dạy trong bài 1.2.2.2 Lập sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức

1.2.2.4 Lựa chọn hình thức tổ chức dạy học

1.2.2.5 Lựa chọn phương pháp dạy học

1.2.2.6 Chuẩn bị cho bài giảng

1.2.2.7 Tổ chức hoạt động dạy học

1.3 Vai trò và ý nghĩa của công nghệ thông tin trong dạy học

Ứng dụng công nghệ thông tin vào giảng dạy, người giáo viên sẽ xây dựng bài học một cách sinh động, thu hút được sự chú ý của học sinh, làm cho người học thấy hứng thú hơn, giờ học trở nên sôi động hơn; người học tiếp thu bài nhanh hơn

và có cảm giác như tự mình đang tìm ra những điều mới lạ ở thế giới xung quanh bản thân mình Qua đó giúp cho học sinh thật sự tích cực chủ động học tập

1.4 Phương pháp mô hình

1.4.1 Các chức năng của mô hình

- Mô tả sự vật hiện tượng

- Giải thích các tính chất, hiện tượng có liên quan đến đối tượng

- Tiên đoán các tính chất và các hiện tượng mới

- Mô hình lí tưởng hay mô hình lí thuyết

1.4.4 Các giai đoạn của phương pháp mô hình

- Giai đoạn 1: Nghiên cứu những tính chất gốc của đối tượng

- Giai đoạn 2: Xây dựng mô hình

- Giai đoạn 3: Thao tác trên mô hình, suy ra hệ quả lí thuyết

- Giai đoạn 4: Thực nghiệm kiểm tra

1.4.5 Phương pháp mô hình trong dạy học vật lí

Trong nghiên cứu vật lí, mô hình và phương pháp mô hình có chức năng nhận thức, nó giúp ta phát hiện những đặc tính mới, hiện tượng mới, quy luật mới

1.5 Một vài nét về phần mềm Matlab

1.5.1 Matlab và đặc điểm của Matlab

Matlab là sản phẩm của công ty phần mềm MathWorks của Hoa Kỳ, có thể chạy được dưới nhiều hệ điều hành, trên nhiều loại máy tính, từ các máy vi tính đến các siêu máy tính Đây là phần mềm để giải các bài toán khoa học, kỹ thuật, kinh tế và tài chính trên máy tính một cách dễ dàng và tiện lợi

Khi sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab, ta có thể dễ dàng nhận thấy những đặc điểm chính sau của ngôn ngữ lập trình này:

- Dễ xử lý các cấu trúc ma trận thực và phức, các xâu ký tự

- Có thể xử lý các biểu thức toán và dễ dàng kết hợp với các tính toán số

- Khả năng đồ hoạ mạnh và dễ dàng kết hợp với các tính toán số

- Số lượng các hàm rất lớn,chúng luôn hoàn thiện, bổ sung và phát triển

- Cho phép ghép nối với các hàm viết bằng ngôn ngữ C và Fortran

- Có thể dịch để chạy độc lập ngoài môi trường MatLab

Dễ phát triển các ứng dụng trên các lĩnh vực khoa học và công nghệ riêng

1.5.2 Một số câu lệnh cơ bản dùng trong Matlab

1.5.3 Ứng dụng Matlab xây dựng mô hình vật lí trong giảng dạy

Luận văn đã xây dựng một số mô hình dưới dạng đồ họa với các tính năng

cơ bản như tương tác thay đổi các số liệu, vẽ đồ thị, hình động…tương ứng với nội dung và mục đích dạy học Mô hình thiết kế đã được dịch thành các ứng dụng độc lập, trực quan, sinh động và có tính hệ thống…

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MỘT SỐ MÔ HÌNH BẰNG PHẦN MỀM MATLAB ĐỂ GIẢNG

DẠY CHƯƠNG “SÓNG ÁNH SÁNG” – VẬT LÍ 12 NÂNG CAO

2.1 Nội dung sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao

Vật lí 12 đã trình bày một số vấn đề hiện đại phù hợp với xu thế chung của