Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm ảo hỗ trợ rèn luyện kỹ năng thí nghiệm trong dạy học bài thí nghiệm thực hành phần quang hình học vật lí 11

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC PHẠM VĂN BÌNH XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM THÍ NGHIỆM ẢO HỖ TRỢ RÈN LUYỆN KỸ NĂNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH PHẦN QUANG HÌNH HỌC VẬT LÍ 11 LUẬN VĂN THẠC SỸ SƯ PHẠM VẬT LÍ HÀ NỘI – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC PHẠM VĂN BÌNH XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM THÍ NGHIỆM ẢO HỖ TRỢ RÈN LUYỆN KỸ NĂNG THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC BÀI THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH PHẦN QUANG HÌNH HỌC VẬT LÍ 11 LUẬN VĂN THẠC SỸ SƯ PHẠM VẬT LÍ Chuyên ngành: Lí luận và phương pháp dạy học (bộ môn Vật lí) Mã số: 60 14 01 11 Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Kim Chung HÀ NỘI – 2014 i LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành: Trường Đại học Giáo dục-Đại học Quốc Gia Hà Nội, Các Khoa và các phòng chức năng đã tạo mọi điều kiện cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu, tiến hành luận văn. Thầy giáo hướng dẫn: TS. Phạm Kim Chung đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Gia đình và toàn thể anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm, động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Hà Nội, tháng 11 năm 2014 Tác giả ii DANH MỤC NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN CNTT Công nghệ thông tin CSVC Cơ sở vật chất DH Dạy học DHVL Dạy học vật lí ĐHQGHN Đại học Quốc gia Hà Nội GD&ĐT Giáo dục và Đào tạo HS Học sinh KHKT Khoa học - kỹ thuật MTĐT Máy tính điện tử PTDH Phương tiện dạy học SGK Sách giáo khoa SP Sư phạm TH Thực hành THPT Trung học phổ thông TLGK Tài liệu giáo khoa TN Thí nghiệm TNSP Thực nghiệm sư phạm TNVL Thí nghiệm vật lí TNVLPT Thí nghiệm vật lí phổ thông VL Vật lí iii MỤC LỤC Lời cảm ơn i Danh mục những chữ viết tắt trong luận văn ii Danh mục các bảng vi Danh mục các hình vii MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài 1 2. Mục đích nghiên cứu 3 3. Nhiệm vụ nghiên cứu 3 4. Khách thể và đối tượng nghiên cứu 4 5. Vấn đề nghiên cứu 4 6. Giả thuyết khoa học 4 7. Phạm vi nghiên cứu 4 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5 9. Phương pháp nghiên cứu 5 10. Cấu trúc của luận văn 5 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 7 1.1. Thí nghiệm Vật lí và vai trò trong dạy học ở trường phổ thông 7 1.1.1. Thí nghiệm Vật lí, các đặc điểm của thí nghiệm Vật lí 7 1.1.2. Vai trò của thí nghiệm trong dạy học Vật lí ở THPT 8 1.1.3. Các loại thí nghiệm Vật lí ở phổ thông 15 1.1.4. Một số yêu cầu đối với thí nghiệm Vật lí trong việc tổ chức hoạt động nhận thức tích cực, tự lực của học sinh THPT 17 1.1.5. Xu hướng đổi mới tổ chức hoạt động thực hành thí nghiệm 17 1.2. Hệ thống các kĩ năng thí nghiệm cần rèn luyện ở học sinh phổ thông trong dạy học Vật lí 20 1.2.1. Khái niệm kĩ năng 20 1.2.2. Kĩ năng thí nghiệm cần rèn luyện ở học sinh trong dạy học Vật lí ở trường THPT 20 1.2.3. Các cấp độ phát triển kĩ năng thí nghiệm của học sinh 25 iv 1.2.4. Các giai đoạn phát triển kĩ năng 28 1.3. Vai trò của thí nghiệm thực hành trong rèn luyện kĩ năng thí nghiệm cho học sinh trong dạy học vật lí ở trường THPT 29 1.3.1. Thí nghiệm thực hành Vật lí 29 1.3.2. Nội dung, hình thức tổ chức thí nghiệm thực hành trong dạy học Vật lí ở trường THPT 31 1.4. Sử dụng phần mềm thí nghiệm ảo trong dạy học Vật lí 35 1.4.1. Khái niệm phần mềm dạy học 35 1.4.2. Những yêu cầu chung đối với phần mềm dạy học 36 1.4.3. Phần mềm thí nghiệm ảo trong dạy học vật lí 39 1.5. Thực trạng của việc rèn luyện kĩ năng thí nghiệm cho học sinh trong dạy học vật lí ở trường THPT 43 1.5.1. Mục đích tìm hiểu 43 1.5.2. Nội dung tìm hiểu 43 1.5.3. Phương pháp tìm hiểu 43 1.5.4. Kết quả tìm hiểu 44 1.6. Kết luận chương 1 47 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM VẬT LÍ ẢO HỖ TRỢ THỰC HÀNH VẬT LÍ PHẦN QUANG HÌNH HỌC VẬT LÍ 11 CƠ BẢN THPT 48 2.1. Phân tích nội dung, mục tiêu dạy học bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học 48 2.1.1. Vị trí của bài thực hành trong phần Quang hình học 48 2.1.2. Mục tiêu bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học 49 2.1.3. Nội dung bài TH “Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì” 50 2.1.4. Những khó khăn khi làm thực hành phần Quang hình học 57 2.2. Đề xuất các giải pháp xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực hành phần Quang hình học 58 2.2.1. Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ quá trình tự học, tự nghiên cứu ở nhà của học sinh 58 2.2.2. Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ làm quen với các v thiết bị thí nghiệm thực và xây dựng quy trình thao tác tiến hành thực hành thí nghiệm thực 60 2.2.3. Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ quá trình kiếm tra, đánh giá 61 2.3. Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực hành Vật lí phần Quang hình học 63 2.3.1. Ý tưởng xây dựng phần mềm 63 2.3.2. Xây dựng bài thí nghiệm thực hành Vật lí ảo bằng Flash 65 2.4. Sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực hành Vật lí phần Quang hình học 74 2.4.1. Tổ chức thực hành TN với sự hỗ trợ của TN Vật lí ảo 74 2.4.2. Thiết kế tiến trình dạy học thực hành thí nghiệm “Xác định tiêu cự của thấu kính phân kỳ” 78 2.5. Kết luận chương 2 82 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 84 3.1. Mục đích, đối tượng, nội dung thực nghiệm sư phạm. 84 3.1.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm 84 3.1.2. Đối tượng và nội dung thực nghiệm sư phạm. 84 3.2. Phương pháp thực nghiệm sư phạm. 85 3.2.1. Chuẩn bị thực nghiệm. 85 3.2.2. Phương thức tổ chức quá trình thực nghiệm sư phạm. 86 3.3. Kết quả thực nghiệm sư phạm 89 3.3.1. Phân tích định tính 89 3.3.2. Phân tích kết quả định lượng 92 3.4. Hiệu quả của biện pháp đề tài đã đề xuất 96 3.5. Kết luận chương 3 97 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 PHỤ LỤC 1. CÁC CÂU HỎI KIỂM TRA SỬ DỤNG TRONG PHẦN MỀM 103 PHỤ LỤC 2. PHIẾU CHUẨN BỊ THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM 105 PHỤC LỤC 3. BẢNG TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ KĨ NĂNG THÍ NGHIỆM 110 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Đặc trưng của phòng thí nghiệm Tái tạo và phòng TN tìm tòi. 19 Bảng 1.2. Bảng các kĩ năng thí nghiệm cơ bản cần rèn luyện cho học sinh THPT trong dạy học vật lí . 21 Bảng 1.3. Các cấp độ mục tiêu nhận thức 25 Bảng 1.4. Các cấp độ mục tiêu kĩ năng tâm vận. 26 Bảng 1.5. Thang đánh giá sự thực hiện (PRS). 27 Bảng 1.6. Các cấp độ mục tiêu kĩ năng thí nghiệm của học sinh trong dạy học vật lí ở trường phổ thông. 27 Bảng 1.7. Thống kê phiếu khảo sát ở học sinh THPT Lý Tử Tấn. 45 Bảng 2.1. Mục tiêu bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học 49 Bảng 2.2. Bảng số liệu bài thực hành số 1 - phương án 1 55 Bảng 2.3. Bảng số liệu bài thực hành số 1 - phương án 2 57 Bảng 3.1 - Bảng thống kê điểm số 93 Bảng 3.2 - Bảng thống kê số hoc sinh đạt từ điểm xi trở xuống (Bảng tần suất luỹ tích hội tụ lùi) 93 Bảng 3.3 - Các tham số thống kê 94 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ Chu trình sáng tạo theo Razumôpxki. 10 Hình 2.1. Sơ đồ thiết kế phương án 1, bài thí nghiệm Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì 51 Hình 2.2. Sơ đồ thiết kế phương án 2, bài thí nghiệm Xác định tiêu cự của thấu kính phân kì 52 Hình 2.3. Hình ảnh bố trí thí nghiệm xác định ảnh của vật qua thấu kính hội tụ 53 Hình 2.4. Hình ảnh bố trí thí nghiệm xác định tiêu cự của thấu kính phân kì 54 Hình 2.5.Hình ảnh bố trí thí nghiệm xác định ảnh của vật qua thấu kính hội tụ 56 Hình 2.6. Hình ảnh bố trí thí nghiệm xác định tiêu cự của thấu kính phân kì 56 Hình 2.7. Màn hình lựa chọn dụng cụ thí nghiệm 59 Hình 2.9. Màn hình kiểm tra kiến thức trước khi thực hiện phần thí nghiệm 62 Hình 2.10. Màn hình kiểm tra kiến thức lí thuyết 66 Hình 2.11. Hình ảnh các dụng cụ thí nghiệm đưa vào phần mềm 66 Hình 2.12. Màn hình thực hiện thí nghiệm với menu lựa chọn 71 Hình 2.13. Màn hình giới thiệu phần thực hành các phương án thí nghiệm 73 Hình 2.14. Các phần màn hình hiển thị kết quả 74 Sơ đồ 2.1. Sơ đồ kết hợp thí nghiệm ảo và thí nghiệm thật trong thực hành thí nghiệm vật lí phổ thông 75 Hình 3.1. Đồ thị các đường phân bố tần suất luỹ tích hội tụ lùi 93 1 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Vật lí là một bộ môn khoa học thực nghiệm, vì vậy việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học vật lí ở trường phổ thông không chỉ là công việc bắt buộc, mà nó còn là một trong những biện pháp quan trọng giúp nâng cao chất lượng dạy học, góp phần tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh. Một trong những tác dụng của thí nghiệm vật lí là tạo ra sự trực quan sinh động trước mắt học sinh và cũng chính vì thế mà sự cần thiết của thí nghiệm trong dạy học vật lí còn được quy định bởi tính chất của quá trình nhận thức của học sinh dưới sự hướng dẫn của giáo viên. Thông qua thí nghiệm vật lí, có thể tạo ra những tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan, với sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của sự tác động, ta có thể thu nhận được tri thức mới. Hiện nay, mặc dù các phòng thí nghiệm ở các trường phổ thông đã được trang bị một cách đầy đủ về số lượng trong các năm gần đây, nhưng vẫn còn những khó khăn như: nhiều dụng cụ thí nghiệm chưa chính xác, nhân viên quản lí thí nghiệm thì không chuyên trách về môn học nên việc chuẩn bị thí nghiệm cho một tiết học trên lớp là rất khó khăn. Đồng thời, khi sử dụng các thí nghiệm dạy học trên lớp còn gặp trở ngại cho cả thầy và học trò vì mỗi tiết học ở trường phổ thông chỉ diễn ra trong thời gian 45 phút, một thời gian rất ngắn đối với bài thực hành Vật lí. Trong mỗi bài thực hành Vật lí, việc giới thiệu và lắp ráp thiết bị mất nhiều thời gian, thời gian thực tế để tiến hành thí nghiệm rất ít. Như vậy giáo viên phải mất rất nhiều thời gian cho việc chuẩn bị trước một giờ lên lớp. Hơn nữa số tiết dạy liền nhau ở các lớp khác nhau và điều này chỉ có thể thực hiện được bằng cách: một là, học sinh phải đi đến phòng chức năng thí nghiệm riêng biệt; hai là, các thầy cô phải di chuyển hệ [...]... kiến thức, kĩ năng thí nghiệm cần hình thành ở học sinh từ đó nâng cao trình độ kiến thức, kĩ năng thí nghiệm cho học sinh trong dạy học Vật lí 7 Phạm vi nghiên cứu - Sử dụng phần mềm Flash CS3 để xây dựng thí nghiệm ảo trong bài thí nghiệm thực hành của phần Quang hình học (Vật lí 11 Cơ bản THPT) - Sử dụng thí nghiệm ảo trong tiết dạy thực hành thí nghiệm phần Quang hình học, Vật lí 11 chương trình cơ... Chương 2: Xây dựng và sử dụng thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực hành Vật lí phần Quang hình học – Vật lí 11 Cơ bản THPT Chương 3: Thực nghiệm sư phạm 6 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Thí nghiệm Vật lí và vai trò trong dạy học ở trường phổ thông 1.1.1 Thí nghiệm Vật lí, các đặc điểm của thí nghiệm Vật lí Thí nghiệm Vật lí (TNVL) là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào... hình học Vật lí 11 2 Mục đích nghiên cứu Xây dựng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo, các công cụ, thiết kế tiến trình dạy học Vật lí nhằm rèn luyện kĩ năng thí nghiệm cho học sinh trong dạy học bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học - Vật lí 11 chương trình cơ bản 3 Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lí luận về vai trò của thí nghiệm Vật lí trong việc tổ chức hoạt động nhận thức của học sinh... Vật lí ảo hỗ trợ trong quá trình dạy bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học như thế nào để có hiệu quả và đúng mục đích? 6 Giả thuyết khoa học Xây dựng các phần mềm thí nghiệm vật lí ảo tương tự như thí nghiệm thật cả vể hình ảnh các thiết bị, quy trình, thao tác thí nghiệm và thiết kế tiến trình dạy học kết hợp thí nghiệm Vật lí ảo và thí nghiệm thật hướng tới các mục tiêu về kiến thức, kĩ năng. .. nhiều thí nghiệm mà học sinh có thể tự lực tiến hành, thậm chí có thể tự thiết kế, chế tạo các dụng cụ thí nghiệm nếu có sự hướng dẫn chi tiết của giáo viên và các công cụ hỗ trợ, đặc biệt là các phần mềm trên máy tính Với những lí do trên tôi chọn đề tài nghiên cứu: Xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm ảo hỗ trợ rèn luyện kỹ năng thí nghiệm trong dạy học bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học. .. dụng hiệu quả các thí nghiệm vật lí ảo đã xây dựng được trong quá trình dạy bài thực hành phần Quang hình học - Thực nghiệm sư phạm nhằm đánh giá tính khả thi và hiệu quả của các bài thí nghiệm thực hành Vật lí ảo và các tiến trình dạy học đã xây dựng 3 4 Khách thể và đối tượng nghiên cứu - Khách thể nghiên cứu: Quá trình dạy và học thực hành thí nghiệm của giáo viên và học sinh lớp 11 trường THPT Lý... cứu trong tiến trình thực hiện của một thí nghiệm, các kĩ năng thí nghiệm cần rèn luyện cho học sinh trong dạy học vật lí ở trường THPT có thể hai thành hai nhóm: kĩ năng thiết kế thí nghiệm và kĩ năng tiến hành thí nghiệm (Bảng 1.2) Bảng 1.2 Bảng các kĩ năng thí nghiệm cơ bản cần rèn luyện cho học sinh THPT trong dạy học vật lí STT 1 2 3 4 Các kĩ năng thiết kế thí nghiệm Các kĩ năng tiến hành thí nghiệm. .. cứu cơ sở lí luận, yêu cầu đối với thí nghiệm ảo - Ứng dụng công nghệ thông tin để xây dựng bài thí nghiệm thực hành Vật lí ảo trong phần Quang hình học (Vật lí 11 Cơ bản THPT) đáp ứng các yêu cầu cơ bản của thí nghiệm thực hành vật lí hiện nay (đòi hỏi nâng cao tính tích cực, tự lực của học sinh trong khi chuẩn bị, tiến hành và sử dụng các thí nghiệm vật lí phổ thông) - Nghiên cứu việc sử dụng hiệu... nghiệm ảo, các yêu cầu đối với thí nghiệm ảo - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: + Nghiên cứu thực tiễn việc dạy và học thí nghiệm thực hành trong phần Quang hình học + Tham khảo các ý kiến của các chuyên gia giáo dục, chuyên gia tin học về xây dựng và sử dụng thí nghiệm thực hành Vật lí ảo - Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Tiến hành dạy song song lớp thực nghiệm và lớp đối chứng Một lớp sử dụng các... khoa học và thực tiễn của đề tài - Về lí luận: Đề tài phát triển lí luận về rèn luyện kĩ năng thí nghiệm Vật lí cho học sinh THPT - Về thực tiễn : Kết quả nghiên cứu có thể được vận dụng vào việc rèn luyện kĩ năng thí nghiệm cho học sinh THPT môn Vật lí 9 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lí luận: Nghiên cứu lí luận về thí nghiệm trong dạy và học Vật lí ở trường THPT; lí luận về thí nghiệm . phần mềm thí nghiệm ảo hỗ trợ rèn luyện kỹ năng thí nghiệm trong dạy học bài thí nghiệm thực hành phần Quang hình học Vật lí 11 . 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo, . làm thực hành phần Quang hình học 57 2.2. Đề xuất các giải pháp xây dựng và sử dụng phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực hành phần Quang hình học 58 2.2.1. Xây dựng và sử dụng phần mềm thí. phần mềm thí nghiệm Vật lí ảo hỗ trợ thực hành Vật lí phần Quang hình học 63 2.3.1. Ý tưởng xây dựng phần mềm 63 2.3.2. Xây dựng bài thí nghiệm thực hành Vật lí ảo bằng Flash 65 2.4. Sử dụng