Tổ chức dạy học môn Vật lí ở trường trung học phổ thông với sự hỗ trợ của thí nghiệm kết nối máy tính

Bài viết đề cập đến quy trình xây dựng một thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học vật lí và minh họa bằng thí nghiệm chứng minh con lắc đơn dao động điều hòa với bộ cảm biến siêu âm Go! Motion và phần mềm kết nối Logger Pro của hãng Vernier.

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Educational Sci., 2015, Vol 60, No 8, pp 85-91 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn DOI: 10.18173/2354-1075.2015-0148 TỔ CHỨC DẠY HỌC MƠN VẬT LÍ Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH Mai Văn Trinh1 , Nguyễn Đăng Thuấn2 Cục khảo thí kiểm định chất lượng giáo dục, Bộ Giáo dục Đào tạo Khoa Sư phạm Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Sài Gòn Tóm tắt Thí nghiệm kết nối máy tính hiểu thí nghiệm mà liệu thu thập cảm biến, sau đưa lên máy tính nhờ thiết bị kết nối cuối phân tích phần mềm máy tính Với ưu điểm ghi số liệu nhanh, tự động, khả phân tích số liệu đa dạng, chuyên sâu, thí nghiệm kết nối máy tính mở hướng thực thí nghiệm dạy học vật lí Trong viết này, chúng tơi đề cập đến quy trình xây dựng thí nghiệm kết nối máy tính dạy học vật lí minh họa thí nghiệm chứng minh lắc đơn dao động điều hòa với cảm biến siêu âm Go! Motion phần mềm kết nối Logger Pro hãng Vernier Từ khóa: Thí nghiệm, kết nối máy tính, cảm biến, vật lí, lắc đơn, dao động điều hòa Mở đầu Các thí nghiệm dạy học vật lí khơng cơng cụ tổ chức dạy kiến thức vật lí mà cơng cụ rèn luyện kĩ tư duy, kĩ thao tác, khả sáng tạo khả làm việc nhóm Ngày nay, với xuất phát triển máy vi tính ghép nối mở hướng cải tiến thí nghiệm dạy học, số liệu đo đạc tự động nhờ cảm biến xử lí mạnh mẽ nhờ máy tính, thí nghiệm (TN) “thí nghiệm kết nối máy tính” (TNKNMT) [6] Một số nghiên cứu bước đầu xây dựng TNKNMT sử dụng dạy học vật lí tác giả Nguyễn Ngọc Lê Nam [5, 6] sử dụng ghép nối có sẵn GQY Trung Quốc, hay tác giả Cao Tiến Khoa [7] chế tạo thiết bị tạo dao động với tần số pha thay đổi từ máy tính Các nghiên cứu ưu điểm việc sử dụng TNKNMT dạy học vật lí, đặc biệt với TN xảy nhanh, khó đo đạc số liệu thiết bị đo thông thường Trong nghiên cứu đó, việc thiết kế thí nghiệm cho phù hợp với đặc điểm tâm sinh lí đặc thù môn học tác giả quan tâm chưa đưa quy trình xây dựng TNKNMT Trên sở đó, chúng tơi xây dựng quy trình thiết kế, xây dựng TNKNMT sử dụng dạy học minh họa qua thí nghiệm kiểm chứng dao động điều hòa – vật lí 12 trung học phổ thơng (THPT), thí nghiệm xảy nhanh khó thực với thiết bị đo thông thường Ngày nhận bài: 15/5/2015 Ngày nhận đăng: 17/10/2015 Liên hệ: Mai Văn Trinh, e-mail: mvtrinh@moet.edu.com 85 Mai Văn Trinh, Nguyễn Đăng Thuấn 2.1 Nội dung nghiên cứu Khái niệm thí nghiệm kết nối máy tính Thí nghiệm vật lí tác động có chủ định, có hệ thống người vào đối tượng thực khách quan Thơng qua phân tích điều kiện mà diễn tác động kết tác động, ta thu nhận tri thức [8] Thí nghiệm dạy học vật lí rõ ràng thí nghiệm vật lí, khác tri thức thu từ thí nghiệm đa phần “mới” học sinh Tùy vào tiêu chí khác nhau, ta có nhiều loại thí nghiệm vật lí dạy học Nếu vào mục đích lí luận dạy học TN, ta có loại sau: TN biểu diễn TN thực tập HS [8] Nếu dựa vào môi trường làm việc TN, ta lại chia TN thành hai loại TN thật TN ảo TN ảo TN xây dựng máy tính, kể thiết bị thí nghiệm lẫn chủ thể nghiên cứu, học sinh tương tác thơng qua hình hệ thống chuột, bàn phím TN thật TN học sinh thực trực tiếp, tương tác trực tiếp với chủ thể nghiên cứu thiết bị đo Với đời phát triển mạnh máy vi tính, ngày có nhiều cơng đoạn TN thực hỗ trợ nhờ máy vi tính cảm biến Nếu dựa vào tiêu chí này, ta lại chia TN thật làm hai loại: + TN truyền thống TN người học thực TN khơng có hỗ trợ máy vi tính + TN kết nối máy tính (hay thí nghiệm với hỗ trợ máy tính) TN việc tiến hành TN thực TN truyền thống có máy tính sử dụng cơng cụ hỗ trợ việc thu thập xử lí số liệu Như định nghĩa TNKNMT thí nghiệm vật lí tiến hành trực tiếp có kết nối với máy vi tính nhằm thu thập xử lí số liệu 2.2 Tổ chức dạy học Vật lí với thí nghiệm kết nối máy tính 2.2.1 Quy trình xây dựng thí nghiệm kết nối máy tính Sử dụng thí nghiệm dạy học vật lí vấn đề lí luận nhiều nhà nghiên cứu quan tâm, đề cập Trong tài liệu [3, 5], tác giả xây dựng quy trình chế tạo thiết bị thí nghiệm quy trình sử dụng thí nghiệm giai đoạn tiến trình dạy học Tuy nhiên, quy trình xậy dựng TNKNMT dạy học vật lí chưa đề cập đến Vì vậy, dựa sở lí luận tổ chức dạy học vật lí, nội dung chương trình dạy học vật lí THPT [1], sở lí luận việc sử dụng phương tiện thí nghiệm nói chung [3], máy tính dạy học vật lí nói riêng [2, 4], chúng tơi đề xuất quy trình xây dựng TNKNMT dạy học vật lí gồm bước sơ đồ Trước hết, thí nghiệm mà chúng tơi quan tâm xây dựng thí nghiệm dạy học khơng phải thí nghiệm nghiên cứu, việc xác định mục tiêu dạy học việc làm cần thiết phải làm trước Ở bước thứ hai, xác định thí nghiệm cần tiến hành bước quan trọng quy trình Việc xác định thí nghiệm cần tiến hành dạy học tùy vào mục tiêu dạy học, trọng tâm dạy, đặc điểm đối tượng học sinh, ý tưởng sư phạm người dạy học tính khả thi thiết bị thí nghiệm sẵn có Một thí nghiệm chọn thí nghiệm làm rõ trọng tâm kiến thức, góp phần thực mục tiêu dạy học, phù hợp với kiến thức học sinh, tạo dễ dàng cho phương án giảng dạy giáo viên rõ ràng phải khả thi Với ưu điểm khả đo đạc xử lí số liệu, TNKNMT cho phép người giáo viên lựa chọn nhiều thí nghiệm đáp ứng nhu cầu Sau xác định thí nghiệm cần tiến hành bước bước ba xây dựng phương án thí nghiệm lựa chọn thiết bị thí nghiệm Việc chọn lựa thiết bị TNKNMT cần đảm bảo tính khả thi, tính trực quan đảm bảo thể rõ chất tượng vật lí cần nghiên cứu 86 Tổ chức dạy học mơn Vật lí trường Trung học phổ thơng với hỗ trợ thí nghiệm Từ phương án thí nghiệm vạch ra, bước bốn giáo viên cần tiến hành làm thử để nhuần nhuyễn thao tác, lường trước thao tác khó, yếu tố gây nhiều sai số hiệu ứng phụ xảy q trình thí nghiệm Điều đảm bảo việc thực thí nghiệm lớp hỗ trợ HS thí nghiệm thành cơng hiệu Sau phương án thí nghiệm thiết kế đảm bảo mục tiêu dạy học, đảm bảo tính khả thi bước năm, giáo viên cần thiết kế tiến trình dạy học phù hợp, nhằm khai thác tốt thí nghiệm thiết kế, làm rõ chất vấn đề cần nghiên cứu Bước 1: Xác định nội dung kiến thức, kĩ mà học sinh (HS) cần có q trình học tập ⇓ Bước 2: Xác định thí nghiệm cần tiến hành ⇓ Bước 3: Xây dựng phương án thí nghiệm lựa chọn thiết bị thí nghiệm ⇓ Bước 4: Tiến hành thí nghiệm thử ⇓ Bước 5: Xây dựng tiến trình dạy học tương ứng Sơ đồ Sơ đồ quy trình bước xây dựng TNKNMT dạy học vật lí 2.2.2 Tổ chức dạy học phần kiến thức Vật lí có sử dụng thí nghiệm kết nối máy tính Để thực hóa quy trình đề xuất trên, chúng tơi tiến hành xây dựng thí nghiệm kiểm chứng dao động điều hòa lắc đơn với cảm biến siêu âm Go! Motion phần mềm Logger Pro hãng Vernier, từ đề xuất tiến trình dạy học phần kiến thức “Con lắc đơn” – Vật lí 12 THPT Cụ thể sau: Bước 1: Xác định nội dung kiến thức, kĩ mà HS cần có q trình học tập Bài “Con lắc đơn” thuộc chương trình vật lí12 THPT, đề cập đến kiến thức: cấu tạo lắc đơn chứng minh dao động lắc đơn dao động điều hòa [1] Như vậy, mục tiêu kiến thức HS khẳng định dao động lắc đơn dao động điều hòa Để làm điều này, sách giáo khoa vật lí 12 tổ chức cho HS phân tích lực tác dụng lên vật dao động, sau khảo sát gia tốc chuyển động trường hợp góc nhỏ, từ khẳng định chuyển động lắc đơn dao động điều hòa Phương án có ưu điểm đảm bảo tính logic mặt suy luận, dễ dàng có biểu thức chu kì, lại thiếu tính thực tế suy luận lí tưởng Vì vậy, thiết kế thí nghiệm nhằm mục đích chứng minh lắc đơn dao động với biên độ góc nhỏ điều hòa cần thiết Bước 2: Xác định thí nghiệm cần tiến hành dạy học Với phân tích trên, chúng tơi xác định cần thiết kế thí nghiệm kiểm chứng dao động lắc đơn điều hòa Bước 3: Xây dựng phương án thí nghiệm lựa chọn thiết bị thí nghiệm Việc xác định dao động lắc đơn điều hòa có nhiều phương án khác Tuy nhiên, chọn phương án sử dụng cảm biến vị trí để xác định tọa độ vật theo thời gian, sau dùng phần mềm máy tính vẽ đồ thị để tìm chất dao động Để thực phương án này, lựa chọn cảm biến Go! Motion hãng Vernier, với ưu điểm ổn 87 Mai Văn Trinh, Nguyễn Đăng Thuấn định, có sẵn phần mềm xử lí Pro Logger cung cấp hãng Vernier Trong TN ta dùng dây treo dây dù (hoặc dây chỉ) không co dãn nhẹ Cho nặng dao động mặt phẳng chứa cảm biến dây treo Lưu ý trình dao động, nặng phải cách cảm biến tối thiểu 15 cm Để dao động lắc dao động điều hòa biên độ góc phải nhỏ (< 100) chiều dài lắc đơn tính từ điểm treo đến trọng tâm (điểm giữa) nặng Bước 4: Tiến hành thí nghiệm thử Chúng tơi tiến hành thí nghiệm thử với trình tự bước sau: - Kết nối cảm biến Go! Motion với Hình 1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm máy tính cáp USB khởi động phần mềm Logger pro Hai hệ trục: li độ theo thời gian vận tốc theo thời gian xuất giao diện Logger pro Chọn thời gian thu thập liệu cho Logger pro 10 giây - Đẩy nút gạt cảm biến sang chế độ TN phù hợp hình - Đặt đầu dò cảm biến thẳng hàng với nặng lắc đơn, cho nặng vị trí cân cách cảm biến 30 cm - Vào thư mục “Experiment” Logger pro, nhấp chuột để Hình 1: Sơ đồ chọn chế độ đo “zero” Khi vị trí cân nặng trở thành gốc tọa độ - mốc để thu thập liệu ví trí Vị trí nặng bố trí thí nghiệm xác định q trình dao động li độ - Kéo nặng lệch khỏi vị trí cân góc nhỏ, thả nhẹ cho dao động Chú ý thao tác thả phải thật nhẹ nhàng, để nặng dao động mặt phẳng chứa dây treo cảm biến tránh cho nặng lệch khỏi mặt phẳng - Khi lắc lò xo dao động ổn định, nhấp chuột vào biểu tượng “Collect” cửa sổ phần mềm để bắt đầu trình thu thập liệu * Kết thí nghiệm - Quan sát đồ thị li độ, thấy đồ thị li độ hàm sin (cos) từ khẳng định dao động lắc đơn điều hòa - Để xác định chu kì dao động lắc, ta nhấp chuột vào biểu tượng cửa sổ phần mềm Logger pro Công cụ giúp ta xác định giá trị số liệu đồ thị, ta đưa chuột đến ví trí cần xác định Do đó, ta xác định khoảng thời gian hai lần liên tiếp lắc qua vị trí cân bằng, hai lần liên tiếp lắc qua vị trí biên dương (hoặc âm) Từ xác định chu kì lắc đơn kiểm chứng kết có phù hợp với cơng thức tính chu kì l T = 2π g - Ta thay đổi nặng khác nhau, hay thay đổi chiều dài dây treo trình TN tiến hành thu thập liệu để kiểm chứng ảnh hưởng khối lượng, chiều dài dây treo đến chu kì lắc Bước 5: Xây dựng tiến trình dạy học phần kiến thức có sử dụng thí nghiệm 88 Tổ chức dạy học mơn Vật lí trường Trung học phổ thông với hỗ trợ thí nghiệm Hình 2: Đồ thị li độ - thời gian (trên) vận tốc – thời gian (dưới) Với kết thí nghiệm khả quan trên, chúng tơi thiết kế tiến trình dạy học phần kiến thức “Con lắc đơn” sau: Thời gian Hoạt động giáo viên Hoạt động HS Hoạt động 1: Cấu tạo Con lắc đơn 2’ - Giới thiệu cấu tạo Con lắc đơn - Yêu cầu HS lắp Con lắc đơn thực dao động - Yêu cầu HS nhận xét khác biệt quỹ đạo dao động lắc đơn so với dao động lắc lò xo Từ đổi kí hiệu li độ x thành s - Tiến hành lắp Con lắc đơn thực dao động (theo nhóm) - Nhận xét trả lời câu hỏi Hoạt động 2: Con lắc đơn có dao động điều hòa khơng? 5’ - Giáo viên đặt vấn đề: “Làm để biết dao động lắc đơn có điều hòa hay khơng?” - Hướng dẫn HS tìm hai phương án - Làm việc theo nhóm, thảo luận gợi ý giáo viên để đề xuất hai phương án: + Phương án 1: Khảo sát hợp lực tìm gia tốc, kiểm chứng gia tốc có dạng a = −ω x + Phương án 2: Xác định tọa độ vật theo thời gian, vẽ đồ thị kiểm chứng tọa độ thay đổi theo quy luật hàm cos 89 Mai Văn Trinh, Nguyễn Đăng Thuấn Hoạt động 3: Khảo sát dao động lắc đơn 15’ - Giáo viên tiến hành cho HS thực phương án thí nghiệm trước sau hướng dẫn nhóm thực phương án để kiểm chứng - HS tiến hành phương án hỗ trợ giáo viên - Từ đưa kết luận, dao động lắc đơn có điều hòa hay khơng? Hoạt động 4: Khảo sát Con lắc đơn 10’ - Đặt vấn đề: “Con lắc đơn dao động có dạng lượng nào?” - Hướng dẫn HS nhớ lại biểu thức tính động đàn hồi - Hướng dẫn HS khảo sát thay đổi động năng, năng, Và khảo sát lại thực nghiệm - Thảo luận trả lời câu hỏi - Nhớ lại biểu thức - Làm việc theo nhóm nhằm trả lời câu hỏi: động năng, năng, thay đổi theo quy luật nào? Hoạt động 5: Củng cố 10’ - Hệ thống hóa lại kiến thức - Cho ví dụ minh họa - Phối hợp với giáo viên giải ví dụ giáo viên đưa Như vậy, thấy tiến trình dạy học đề xuất, giai đoạn đặt vấn đề, đề xuất phương án thí nghiệm quan tâm mức, nhằm góp phần tích cực hóa hoạt động tư người học Kết luận Tổ chức dạy học “Con lắc đơn” với phương án phối hợp thí nghiệm kết nối máy tính khơng góp phần giúp HS hiểu rõ chất điều hòa dao động lắc, mà giúp HS phát triển tư sáng tạo thông qua hoạt động đề xuất phương án kiểm tra tính điều hòa lắc đơn Với ưu điểm cảm biến ghép nối, nhiều thí nghiệm khác dạy học vật lí tiến hành để hiểu cách rõ ràng chất tượng vật lí, ví dụ thí nghiệm va chạm, dao động tắt dần, Tuy nhiên, khuôn khổ báo giới thiệu thí nghiệm để minh họa cho kết nghiên cứu nhóm thời gian qua TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] 90 Bộ Giáo dục đào tạo, 2007 Sách giáo khoa Vật lí 10, 11, 12 Nxb Giáo dục D.Scott Mackenzie, Duane G.Jasnen, 1996 Impact of Multimedia Computer – Based Intruction on Student Comprehension of Drafting Principles Clolorado Sate University Lê Cơng Triêm, 2005 Sử dụng máy vi tính dạy học Nxb Giáo dục Nguyễn Anh Thuấn, 2007 Xây dựng sử dụng thiết bị thí nghiệm dạy học chương “Sóng học” lớp 12 THPT theo hướng phát triển hoạt động nhận thức tự lực, sáng tạo học sinh Luận án tiến sĩ giáo dục học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Nguyễn Ngọc Lê Nam, 2011 Mơ thí nghiệm máy vi tính để sử dụng phối hợp với thí nghiệm thật dạy học chương “Dòng điện mơi trường” Vật lí 11 THPT Tạp chí Giáo dục, Số 10-2011, tr.55 - 56 Tổ chức dạy học mơn Vật lí trường Trung học phổ thông với hỗ trợ thí nghiệm [6] [7] [8] Nguyễn Quang Lạc, Nguyễn Ngọc Lê Nam, 2011 Thiết kế, lắp ráp sử dụng thí nghiệm ghép nối máy vi tính để thiết lập định luật ơm dòng điện chất điện phân Kỉ yếu hội thảo quốc gia giảng dạy vật lí, tháng 10/2011, tr - 11 Phạm Xuân Quế, Cao Tiến Khoa, 2011 Thiết kế, chế tạo thiết bị tạo dao động với tần số thích hợp để dạy “giao thoa sóng” Vật lí 12 (Nâng cao) Tạp chí Thiết bị Giáo dục Tháng 10 năm, số 2011, tr 48 Nguyễn Đức Thâm (chủ biên), Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế, 2003 Phương pháp dạy học Vật lí trường phổ thơng Nxb Đại học Sư phạm ABSTRACT Connected computer experiments to – aid the teaching of physics in upper secondary school In connected computer experiments, data is collected automatic by sensors, posted to a computer using a connected device and analyzed by software With this ability to record data quickly and automatically, and analyze diverse data, connected computer experiments have opened up a new direction in teaching physics experiments In this article, we look at the process of building a connected computer experiment in teaching physics using a simple pendulum harmonic oscillator with ultrasonic sensors Go! Motion and Logger Pro software, provided by Vernier Keywords: Experiments, computer connection, sensor, simple pendulum, harmonic oscillator 91 ... TNKNMT thí nghiệm vật lí tiến hành trực tiếp có kết nối với máy vi tính nhằm thu thập xử lí số liệu 2.2 Tổ chức dạy học Vật lí với thí nghiệm kết nối máy tính 2.2.1 Quy trình xây dựng thí nghiệm kết. .. đảm bảo tính khả thi, tính trực quan đảm bảo thể rõ chất tượng vật lí cần nghiên cứu 86 Tổ chức dạy học mơn Vật lí trường Trung học phổ thơng với hỗ trợ thí nghiệm Từ phương án thí nghiệm vạch... 56 Tổ chức dạy học môn Vật lí trường Trung học phổ thơng với hỗ trợ thí nghiệm [6] [7] [8] Nguyễn Quang Lạc, Nguyễn Ngọc Lê Nam, 2011 Thiết kế, lắp ráp sử dụng thí nghiệm ghép nối máy vi tính