Mô phỏng và xử lí số liệu mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác

Luận văn tốt nghiệp đại học Chơng I: Mở đầu 1.1. Lý do chọn đề tài. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển có tính bùng nổ của công nghệ thông tin đã đa đến việc tự động hóa rộng rãi các hoạt động kinh tế xã hội trong đó có giáo dục và đào tạo trên phạm vi toàn thế giới. Có thể nói công nghệ thông tin đã làm một cuộc cách mạng trong giáo dục và đào tạo nói chung và trong giảng dạy vật lý nói riêng. Bởi vì nó góp một phần rất lớn vào việc cải tiến nội dung, phơng pháp, phơng tiện dạy học và đặc biệt là trong việc tự động hóa các thí nghiệm vật lý. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thông tin trên thế giới cho thấy rằng máy tính đã và đang là một phần không thể thiếu đợc trong cuộc sống kinh tế và văn hóa xã hội của hầu hết các nớc trên thế giới. Trong khoa học giáo dục việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thông tin và máy tính điện tử nói riêng vào dạy học đã và đang phát triển mạnh mẽ. ở nớc ta đã có nhiều phần mềm dạy học đợc đa vào các trờng Đại học và Trung học phổ thông. Cùng với các quan điểm nh đo đạc, điều khiển, minh hoạ hay ôn tập kiểm tra, đánh giá . các phần mềm hỗ trợ các thí nghiệm vật lý là nhóm phần mềm không thể thiếu đợc và ngày càng trở nên quan trọng đối với việc dạy và học vật lý. Với một chiếc máy tính xách tay ngời ta đã có thể xây dựng các phòng thí nghiệm (thí nghiệm ảo và phòng thí nghiệm đợc hỗ trợ bởi máy tính). Trong những thí nghiệm tự động hoá, ngời ta thiết kế sao cho các thiết bị có thể nối với một máy vi tính thông qua một bộ biến đổi tơng tự số và đợc điều khiển từ máy tính nhờ các chơng trình tính toán, điều khiển thích hợp. ở các thí nghiệm này máy tính vừa đóng vai trò là một máy đo vạn năng (đo đ- ợc nhiều đại lợng vật lý) vừa đóng vai trò hiển thị phong phú đặc biệt là chức năng điều khiển, mô phỏng và minh hoạ các thí nghiệm vật lý. Hơn nữa khi sử dụng máy tính để tiến hành mô phỏng và xử lý số liệu thí nghiệm nó giúp chúng ta có thể mô phỏng đợc những thí nghiệm đắt tiền (không có điều kiện Mô phỏng và xử lý số liệu mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác 1 Luận văn tốt nghiệp đại học trang bị) hoặc các thí nghiệm nguy hiểm đối với ngời sử dụng, hay các thí nghiệm không thể thực hiện trong thực tế một cách chính xác. Ngoài ra khi sử dụng máy tính mô phỏng thí nghiệm có thể giúp cho những ngời không có điều kiện trực tiếp học vẫn có thể học qua các phơng tiên lu trữ hoặc qua mạng (nếu các máy tính nối mạng) Hay nói cách khác nó có thể giúp chúng ta đào tạo từ xa mà không phải vận chuyển bố trí thí nghiệm cồng kềnh, tốn kém nh thí nghiệm thực. Mặt khác, chúng ta biết vật lý là một môn khoa học thực nghiệm, nội dung của nó gắn liền với các hiện tợng và sự kiện thực tế và có ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống. Chính vì vậy trong quá trình giảng dạy vật lý có thể mở ra nhiều khả năng cho việc ứng dụng công nghệ thông tin vào làm ph- ơng tiện dạy học, đặc biệt nó góp phần trong việc tự động hóa các thí nghiệm vật lý. Thực hiện nghị quyết 240/ĐU của Đảng uỷ trờng Đại học Vinh cũng nh tinh thần của hội thảo khoa học quốc gia về đổi mới PPDH và đào tạo giáo viên Vật lý vừa diễn ra tại Đại học Vinh từ ngày 25 đến ngày 27/ 04 vừa qua. Một trong những định hớng hàng đầu về việc đổi mới PPDH đợc nhiều ngời quan tâm đó là ứng dụng CNTT vào đổi mới PPDH vật lý. Nhận thức đợc tình hình trên chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài "Mô phỏng và xử lý số liệu thí nghiệm mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác". Việc giải quyết vấn đề này sẽ góp phần vào việc cải tiến phơng pháp và phơng tiện dạy học, nâng cao đợc kết quả của quá trình dạy học. Đồng thời tạo tiền đề cho việc thiết kế và khai thác các phần mềm dạy học trong phạm vi rộng cho tất cả các môn học khác. 1.2. Mục đích nghiên cứu. Xây dựng cơ sở lý luận của việc sử dụng máy tính trong dạy học nói chung và trong dạy học vật lý nói riêng từ đó nêu lên u điểm và hạn chế của việc sử dụng máy tính trong dạy học và nêu lên các tiêu chuẩn cho việc thiết kế các chơng trình, phần mềm dạy học. Mô phỏng và xử lý số liệu mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác 2 Luận văn tốt nghiệp đại học 1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu. - Nghiên cứu cơ sở lý luận của việc ứng dụng máy tính và dạy học nói chung và dạy học vật lý nói riêng. - Đề xuất một số yêu cầu về việc thiết kế và xây dựng các phần mềm hổ trợ dạy học cũng nh việc sử dụng nó trong dạy học. - Thiết kế và xậy dựng phần mềm "Mô phỏng và xử lý số liệu thí nghiệm mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác". 1.4. Phơng pháp nghiên cứu. Về lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu về sử dụng máy vi tính trong dạy học nói chung và dạy học vật lý nói riêng và các tài liệu về mạch điện xoay chiều ba pha. Nghiên cứu các phơng pháp và kỹ thuật lập trình cho việc thiết kế các phần mềm hỗ trợ dạy học. Về thực ngiệm: Sử dụng máy vi tính để thiết kế và xây dựng các phần mềm "mô phỏng và xử lý số liệu thí nghiệm mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác". Cấu trúc của luận văn. Luận văn gồm: 5 chơng Chơng I. Mở đầu Chơng II. Vai trò của thí nghiệm vật lý trong dạy học vật lý phổ thông. Chơng III. Cơ sở lý luận của việc sử dụng máy tính trong dạy học. Chơng IV. Thiết kế, xây dựng phần mềm mô phỏng và xử lý số liệu mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác. ChơngV. Kết luận. Mô phỏng và xử lý số liệu mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác 3 Luận văn tốt nghiệp đại học Chơng II: Vai trò của thí nghiệm trong giảng dạy vật lý 2.1. Đặc điểm của thí nghiệm vật lý trong giảng dạy Vật lý học là một khoa học thực nghiệm. Các hiện tợng tự nhiên xảy ra xung quanh chúng ta rất phong phú và phức tạp. Không phải dễ dàng phân biệt đợc tính chất đặc trng và mối quan hệ lẫn nhau giữa các hiện tợng. Để hiểu rõ và phân biệt đợc bản chất của các hiện tợng cần phải tách rời và làm sáng tỏ các khía cạnh cụ thể của các sự vật hiện tợng trên cơ sở đó tổng hợp, khái quát hóa để có sự hiểu biết sâu sắc về sự vật hiện tợng đang nghiên cứu. Một trong những phơng pháp đáp ứng đợc yêu cầu này là sử dụng thí nghiệm vật lý. Thí nghiệm vật lý có thể đơn giản hóa đợc các sự vật, hiện tợng để làm nỗi bật các khía cạnh cần quan tâm của sự vật hiện tợng. Nhờ các thí nghiệm với sự nghiên cứu tỉ mỉ, sự phân tích, khái quát của nhà khoa học mà các hiện tợng, các quy luật đã đợc giải thích và làm sáng tỏ bằng các định luật, các học thuyết hay nói cách khác chúng đợc giải thích bằng lý thuyết một cách rõ ràng. Một điều nữa là ngay cả những quy luật xây dựng bằng con đờng lý thuyết đơn thuần cũng chỉ có ý nghĩa là một định luật vật lý thực sự khi đợc thực nghiệm kiểm chứng. Vì vậy khi học lý thuyết vật lý, để nắm bắt một cách sâu sắc và hiểu rõ bản chất hiện tợng thì phải gắn liền giảng dạy lý thuyết với thực nghiệm. Trớc khi học lý thuyết về sự vật, hiện tợng nếu học sinh đợc quan sát một thí nghiệm giới thiệu do giáo viên thực hiện sẽ kích thích sự tò mò, tìm tòi khám phá cái mới và nhu cầu hiểu biết chúng của học sinh. Học sinh sẽ đặt ra nhiều câu hỏi cần đợc giải quyết và liên tởng đến các hiện tợng xung quanh t- ơng tự hoặc có liên quan với hiện tợng đang đợc nghiên cứu bởi các thí nghiệm. Trong mỗi học sinh sẽ có những quá trình phân tích, giải thích theo hiểu biết của mình và khi vấn đề mà họ không tự giải thích đợc sẽ dẫn đến sự bức xúc Mô phỏng và xử lý số liệu mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác 4 Luận văn tốt nghiệp đại học cần đợc hiểu biết và khi vấn đề đó đợc giải thích một cách đơn giản bằng lý thuyết thì kiến thức đợc hiểu rõ và khắc sâu hơn. Hoặc là sau khi học lý thuyết học sinh có thể cha hiểu cặn kẽ đợc kiến thức, vì vậy nếu tổ chức thí nghiệm để học sinh đợc trực tiếp thực hiện các bớc đo đạc, xử lý, phân tích . và khi mà kết quả thí nghiệm phù hợp với những gì mà lý thuyết nêu ra sẽ tạo cho học sinh sự tin tởng và khắc sâu kiến thức cho mình. Hơn nữa khi học vật lý, thờng do kinh nghiệm sống, học sinh đã có hiểu biết nào đó về các hiện tợng vật lý. Nhng không có thể coi những hiểu biết ấy là cơ sở để cho họ tự nghiên cứu vật lý, bởi vì trớc một hiện tợng vật lý học sinh có thể có những hiểu biết khác nhau, thậm chí có những hiểu biết sai. Vì vậy khi giảng dạy vật lý giáo viên phải tận dụng những kinh nghiệm sống ấy, nhng phải chỉnh lí, phải bổ sung, hệ thống hóa những kinh nghiệm sống đó và nâng cao lên mức chính xác và đầy đủ bằng thí nghiệm. Đồng thời thông qua thí nghiệm rèn luyện kĩ năng cho học sinh, rèn luyện cho họ những đức tính của ngời nghiên cứu khoa học đó là cẩn thận, khách quan và trung thực. Do vậy việc tận mắt quan sát sự hoạt động của máy móc, đợc tự tay tháo lắp các thiết bị đo lờng giúp học sinh nhanh chóng làm quen với những dụng cụ và thiết bị dùng trong cuộc sống và trong công việc hàng ngày. Với những phân tích trên thì việc gắn liền giảng dạy lí thuyết với thực hành là yêu cầu cần thiết khi giảng dạy vật lý ở trờng phổ thông và phù hợp với tiêu chí dạy học là "học đi đôi với hành". Trong quá trình tổ chức thí nghiệm có thể tiến hành theo hai cách sau. + Thứ nhất: Bố trí thí nghiệm bằng các dụng cụ trực quan hoặc các dụng cụ mô phỏng tơng tự. Những dụng này học sinh có thể sờ mó đợc và tự bố trí thí nghiệm theo hớng dẫn cho trớc, tự thu nhập số liệu và xử lí kết quả, từ đó đối chiếu với những gì mà lý thuyết nêu ra. Rõ ràng với những thí nghiệm này sẽ Mô phỏng và xử lý số liệu mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác 5 Luận văn tốt nghiệp đại học phát huy đợc óc sáng tạo, sự miệt mài và óc sáng tạo trong khi làm thí nghiệm của học sinh. + Thứ hai: Mô phỏng các thí nghiệm bằng các hình vẽ trên bìa, trên nhựa trong suốt hoặc mô phỏng tơng tự bằng các hình vẽ trên máy vi tính. Các thí đ- ợc mô phỏng thông qua máy vi tính tuy học sinh không sờ mó đợc nh các thí nghiệm thực. Song các quá trình, các bớc thao tác và trình tự tiến hành thí nghiệm cũng xảy ra nh đối với thí nghiệm thực cho nên các kết quả tác động đến việc tiếp thu kiến thức của học sinh cũng khá hiệu quả. Mặt khác việc thực hiện thí nghiệm này đơn giản không cồng kềnh, các quá tính toán xử lý do máy tính thực hiện nhanh chóng và chính xác, đồng thời các kết quả phù hợp với những gì mà lý thuyết nêu ra do đó có tác dụng cũng cố cho học sinh kiến thức một cách chắc chắn. Hơn nữa do thời gian thực hiện thí nghiệm nhanh nên giáo viên có thể sử dụng thí nghiệm giới thiệu ngay tại lớp trớc khi dạy lí thuyết. Còn nếu tổ chức cho học sinh tiến hành thí nghiệm thì trong một buổi có thể tổ chức đợc nhiều nhóm học sinh thực hiện, vì thế tất cả học sinh có thể hoàn thành đợc thí nghiệm của mình. Một điều nữa là hình ảnh mô phỏng bằng máy vi tính thờng đẹp, rõ ràng, gần giống với hiện tợng thực tế tạo ra hứng thú cho học sinh làm thí nghiệm. 2.2. Những đặc điểm khách quan. Do điều kiện kinh tế của đất nớc, đối với các trờng phổ thông, kể cả trờng ở trung tâm cũng rất ít có các phòng thí nghiệm tốt, nếu có thì các thí nghiệm thờng đã cũ và lạc hậu cha đáp ứng đợc nhu cầu giảng dạy thí nghiệm vật lý ở nhà trờng phổ thông. Đồng thời chơng trình vật lý phổ thông yêu cầu dạy lý thuyết quá nhiều nên thời gian thực hành còn ít. Điều quan trọng hơn là do xu hớng hiện nay là đại đa số học sinh chỉ có mục đích học để thi vào Đại học nên chỉ học thuộc lý thuyết một cách máy móc và cha chú trọng đến tìm hiểu, liên hệ và khắc sâu kiến thức đã có bằng thí nghiệm. Vì vậy đối với chơng dạy học vật lý phổ thông hiện nay, nhiều trờng phổ thông thầy chỉ dạy "chay", còn trò Mô phỏng và xử lý số liệu mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác 6 Luận văn tốt nghiệp đại học học "suông", học sinh chỉ đợc cung cấp lý thuyết một cách thụ động máy móc, thầy dạy lý thuyết còn học sinh chỉ nghe, chép và hầu nh không đợc thực hiện các thí nghiệm để kiểm tra, đối chiếu với lý thuyết cho nên kiến thức thu đợc không sâu sắc và nhiều lúc học sinh cha nắm đợc bản chất của sự vật hiện tợng, khi gặp những hiện tợng có liên quan đến kiến thức đã học thì không biết vận dụng để giải thích. Kết hợp những phân tích về vai trò, tác dụng và điều kiện thực hiện các thí nghiệm ở trên thì việc viết chơng trình phần mềm mô phỏng các thí nghiệm vật lý phổ thông bằng máy vi tính, để sử dụng trong quá trình giảng dạy và học tập ở các trờng phổ thông là rất cần thiết và cũng không quá khó khăn cho giáo viên, cũng nh đối với học sinh trong quá trình thực hiện chúng. Các thí nghiệm này có thể thay thế các thí nghiệm thực trong điều kiện cha có phòng thí nghiệm hoặc phòng thí nghiệm cha tốt, góp phần đáp ứng nhu cầu về giảng dạy và học tập vật lý trong các trờng phổ thông hiện nay. Mô phỏng và xử lý số liệu mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác 7 Luận văn tốt nghiệp đại học Chơng III: cơ sở lí luận của việc sử dụng máy tính làm phơng tiện dạy học 3.1. Các cơ sở khoa học của việc sử dụng máy vi tính làm phơng tiện dạy học 3.1.1.Cơ sở tâm lý học. Các công trình nghiên cứu về tâm lí học nhận thức thông qua hoạt động giáo dục - đào tạo trên phạm vi toàn thế giới đã khẳng định vai trò to lớn của các phơng tiện dạy học trong việc nâng cao hiệu quả dạy học vật lý. Để lĩnh họi tri thức phải có sự tơng quan hợp lý giữa lời nói của giáo viên với phơng tiện trực quan. Phơng tiện trực quan hình thành những biểu hiện cụ thể trong ký ức của học sinh. Các khái niệm đợc hình thành trên cở các biểu tợng. Do vậy việc hớng dẫn tri giác của học sinh một cách có mục đích là vô cùng quan trọng. Các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học CHLB Đức nh Sternberg (1975) nghiên cứu về trí nhớ, Broađbent (1958) và Sperling (1963) nghiên cứu về tri giác, Aderson (1980) nghiên cứu về tâm lý học hành vi . cho phép ta đi đến kết luận rằng: Việc học tập với máy vi tính, với các thiết đa ph- ơng tiện nh văn bản, hình ảnh tĩnh, hình ảnh động, đồ hoạ kết hợp với âm thanh sẽ làm tăng khả năng ghi nhớ và chất lợng của việc ghi nhớ các kiến thức trong đầu học sinh cũng bền hơn. Năm 1971 Piaviô đã làm các thí nghiệm để nghiên cứu khả năng ghi nhớ của học sinh và rút ra kết luận rằng khi học sinh học tập với các tranh vẽ thì khả năng ghi nhớ sau 5 phút, hoặc sau 1 tuần là cao hơn so với học sinh khi học không có tranh vẽ hoặc học với các biểu tợng trừu tợng. Kết quả nghiên cứu của ông đợc tóm tắt nh sau: Khả năng nhớ sau 5 phút sau 1 tuần Học với tranh ảnh 33% 19% Học với các biểu tợng trừu tợng 14% 5% Mô phỏng và xử lý số liệu mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác 8 Luận văn tốt nghiệp đại học Các công trình nghiên cứu của Treichler (1967) về tác động của các giác quan đối với khả năng tiếp thu và ghi nhớ kiến thức của học sinh đã rút ra kết luận: Vị giác quyết định 1%, xúc giác 1,5%, khứu giác 3,5%, thính giác (nghe)11% và thị giác (nhìn) là 83%. Ông cũng đã chỉ ra ảnh hởng của các hoạt động cá nhân đối với việc ghi nhớ của học sinh nh sau: 10% thông qua đọc, 20% thông qua nghe, 30% thông qua nhìn, 50% thông qua nghe và nhìn, 70% thông qua nói nhìn, 90% thông qua nhìn và làm việc (thực hành). Thông qua các phần mềm dạy học trên máy vi tính, thông qua các thao tác xử lý máy vi tính, tiến hành thí nghiệm có trợ giúp máy vi tính . thì học sinh phải thực hiện cùng lúc thực hiện nhiều thao tác: nghe, nhìn, và làm việc. Do vậy học tập với máy vi tính sẽ góp phần phát triển khả năng lĩnh và ghi nhớ kiến thức một cách chắc chắn. Khi sử dụng máy vi tính và các phơng tiện dạy học hiện đại để giải quyết các nhiệm vụ học tập đợc giao, học sinh sẽ có niềm tin vào bản thân, tạo cơ sở cho việc hình thành những nét nhân cách quan trọng của ngời lao động mới trong thời kỳ phát triển của xã hội với trình độ tự động hóa cao. Khả năng điều tiết, chọn lọc thông tin một cách linh hoạt, khả năng điều khiển vòng lặp tùy ý của máy vi tính sẽ tạo điều kiện cho học sinh tự điều tiết nhịp độ học tập của bản thân tronh khi tiếp thu bài học mới hoặc ôn tập những vấn đề đã học. Máy vi tính không thiên vị, công bằng trong đánh giá kết quả học tập của học sinh sẽ tạo điều kiện để hình thành cho các em thói quen tốt: Trung thành với bản thân mình, đánh giá khách quan đối với ngời khác - đây là những nét nhân cách quan trọng cần đợc hình thành cho thế hệ trẻ. 3.1.2. Cơ sở lý luận dạy học: Trong quá trình dạy học, mục đích - nội dung và phơng pháp có mối quan hệ biện chứng. Căn cứ vào nội dung dạy học để đề ra nội dung dạy học t- ơng ứng và để thực hiện tốt nội dung dạy học với hiệu quả cao nhất thì ngời giáo viên phải vận dụng nhiều phơng pháp dạy học khác nhau sao cho có thể Mô phỏng và xử lý số liệu mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác 9 Luận văn tốt nghiệp đại học tích cực hóa hoạt động học tập của học sinh. Trong mọi hoạt động của con ngời, ba nội dung, phơng pháp và phơng tiện luôn luôn có quan hệ chặt chẽ với nhau. Để thực hiện mỗi nội dung dạy học đòi hỏi phải cóa những phơng pháp và ph- ơng tiện dạy học tơng ứng. Ngày nay mục đích của quá trình dạy học là đào tạo nên những con ngời năng động, sáng tạo, phù hợp với sự phát triển của khoa học - công nghệ. Chính vì vậy mà nội dung dạy học cũng đợc điều chỉnh và ph- ơng tiện dạy học cũng đợc cải tiến, hiện đại hóa. * Máy vi tính với t cách là một phơng tiện dạy học, sử dụng nó trong dạy học có những u điểm nh sau: Nhờ các chơng trình mô phỏng và minh hoạ, máy vi tính làm tăng tính trực quan trong dạy học, tăng hứng thú học tập và tạo sự chú ý học tập của học sinh ở mức độ cao. Máy tính có khả năng lặp lại vô hạn một vấn đề, có nghĩa là máy vi tính có lòng kiên nhẫn vô hạn, điều này rất khó có thể có ở ngời giáo viên. Một quá trình dạy học cơ sở (một tiết học) nói riêng bao gồm các chức năng: Cũng cố trình độ tri thức xuất phát cho học sinh, xây dựng tri thức mới, ôn luyện và vận dụng tri thức,tỏng kết hệ thống hóa kiến thứ và kiểm tra đánh giá trình độ tri thức, kỹ năng của học sinh. Những nghiêm cứu và thử nghiệm của các nhà nghiên cứu khoa học s phạm trên toàn thế giới đã đi đến kết luận rằng: với t cách là một phơng tiện dạy học, máy vi tính có thể đợc sử dụng ở cả mọi chức năng lý luận dạy học ấy. * Đối với chức năng dạy học thứ nhất: Cũng cố trình độ tri thức và kỹ năng xuất phát cho học sinh, ta có thể sử dụng máy vi tính để tóm tắt các kiến thức đã truyền thụ, đa ra các hiện tợng và yêu cầu học sinh giải thích các hiện t- ợng đó. Cũng có thể đa ra hiện tợng mới cần nghiên cứu để đa học sinh vào tình huống có vấn đề, gây ra cho học sinh nhu cầu nhận thức tri thức mới. Cần chú ý về mặt thời gian khi sử dụng máy vi tính ở chức năng này. Các vấn đề đa ra cần Mô phỏng và xử lý số liệu mạch điện xoay chiều ba pha nối tam giác 10