Sử dụng phần mềm mapletrong dạy học vật lý ở trường trung học phổ thông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA VẬT LÍ HOÀNG THỊ HƯƠNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM MAPLE TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: ThS. Mai Văn Lưu VINH, 2010 Lời cảm ơn Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài này, trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo, ThS. Mai Văn Lưu, giảng viên khoa Vật lý Trường Đại Học Vinh đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật lý trường Đại Học Vinh cùng bạn bè đã giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp. Mặc dù đã rất cố gắng trong lần đầu nghiên cứu khoa học, do kinh nghiệm và thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình hoàn thiện đề tài. Vì vậy, tôi mong được sự đóng góp ý kiến của các quý thầy cô, các bạn và những ai quan tâm tới đề tài này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Vinh, tháng 5 năm 2010 Tác giả Hoàng Thị Hương MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Mục lục ……………………………………………………………………………… . i Danh mục từ viết tắt …………………………………………………………… iii Danh mục hình vẽ ……………………………………………………………… iv Mở đầu ……………………………………………………………………………… . 1 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục đích nghiên cứu . 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu . 3 4. Nhiệm vụ nghiên cứu 3 5. Phương pháp nghiên cứu . 3 6. Đóng góp của luận văn 3 7. Cấu trúc luận văn ………………………………………………………… . 4 Chương 1: Ứng dụng phần mềm dạy học trong dạy học vật lý ở trường trung học phổ thông …………………………………………………… . 5 1.1. Tổng quan về ứng dụng CNTT trong dạy học ………………………… 5 1.1.1 Chức năng lưu trữ, xử lý và cung cấp thông tin ……………………………. 5 1.1.2. Chức năng điều khiển, điều chỉnh, kiểm tr và luyện tập……………… 6 1.1.3. Chức năng minh họa, trực quan hóa bằng mô phỏng …………………… 7 1.1.4. Chức năng hỗ trợ thí nghiệm …………………………………………………… 8 1.2. Khái niệm phần mềm dạy học vật lý ……………………………………… 8 1.3. Khả năng hỗ trợ PMDH đối với vấn đề tích cực hóa HĐNT cho HS 11 1.4. Sử dụng phần mềm trong dạy học vật lý……………………………………. 14 1.5. Các bước để thiết kế một thí nghiệm mô phỏng…………………………… 16 1.6. Kết luận chương 1………………………………………………………………… .……………… . 17 Chương 2: Khai thác các chức năng của phần mềm Maple trong dạy học Vật lý ………….………………………………………………………………… …………………………………… . 19 2.1. Khả năng hỗ trợ của phần mềm Maple trong dạy học vật lý …………… 19 2.2. Tổng quan về phần mềm Maple …………………………………………… . 20 2.2.1. Đặc điểm và các chức năng cơ bản của Maple ……………………………. 20 2.2.2. Khởi động Maple, thiết kế các mô phỏng ……………………………………. 21 2.3. Khai thác cơ bản phần mềm Maple ………………………………………… 28 2.3.1. Tính toán số học và đại số thông dụng………………………………………… 28 2.3.2. Vẽ đồ thị và các vấn đề liên quan…………………………………………… 29 2.3.2. Các lệnh lập trình cơ bản …………………………………………………………. 30 2.4. Kuận chương 2 ………………………………………………………………… 33 Chương 3: Thiết kế một số TN mô phỏng bằng phần mềm Maple …… 34 3.1. Các thí nghiệm về Động học chất điểm …………………………………… 34 3.1.1. Chuyển động ném xiên …………………………………………………………… 34 3.1.2. Chuyển động ném ngang ………………………………………………………… 35 3.2. Các thí nghiệm về Dao động cơ .…………………………… …………… . 37 3.2.1. Dao động điều hoà…………………………………………………………………… 37 3.2.2. Dao động của con lắc đơn …………………………………………………… 38 3.2.3. Dao động của con lắc vật lý 40 3.2.4. Dao động cưỡng bức …………………………………………………………… 41 3.2.5. Hiện tượng cộng hưởng ……………………………………………………………. 42 3.2.6. Tổng hợp hai dao động điều hoà ……………………………………………… 43 3.3. Các thí nghiệm về Sóng cơ và Sóng âm … …………………………… 45 3.3.1. Sóng nước ……………………………………………………………………………… 45 3.3.2. Sóng ngang ……………………………………………………………………………. 46 3.3.3. Sóng dọc ………………………………………………………………………………. 47 3.3.4. Giao thoa sóng ………………………………………………………………………. 48 3.3.5. Sóng dừng trên dây có hai đầu cố định ……………………………………… 50 3.4. Kết luận chương 3 ……………………………………………………………… 51 Kết luận …………………………………………………………………………… 53 Tài liệu tham khảo ……………………………………………………………… 56 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BGĐT : Bài giảng điện tử CNTT : Công nghệ thông tin DH : Dạy học GV : Giáo viên HS : Học sinh KHMT : Khoa học máy tính MVT : Máy vi tính PMDH : Phần mềm dạy học PP : Phương pháp PPDH : Phương pháp dạy học PTDH : Phương tiện dạy học QTDH : Quá trình dạy học SGK : Sách giáo khoa THPT : Trung học phổ thông TN : Thí nghiệm TNMP : Thí nghiệm mô phỏng DANH MỤC HÌNH VẼ STT Nội dung Trang Hình 2.1 Môi trường làm việc của Maple 22 Hình 2.2 Menu File 23 Hình 2.3 Menu Edit 23 Hình 2.4 Menu Insert 24 Hình 2.5 Menu Windows 24 Hình 2.6 Menu View 25 Hình 2.7 Menu Format 26 Hình 3.1 Chuyển động ném xiên 35 Hình 3.2 Chuyển động ném ngang 36 Hình 3.3 TN mô phỏng dao động điều hoà 38 Hình 3.4 Dao động điều hoà và đồ thị tương ứng 38 Hình 3.5 Dao động của con lắc đơn 40 Hình 3.6 Đồ thị mô phỏng dao động con lắc vật lý 41 Hình 3.7 Đồ thị so sánh dao động con lắc vật lý với góc ϕ nhỏ ϕ và lớn 41 Hình 3.8 Đồ thị Dao động cưỡng bức 42 Hình 3.9 Đồ thị hiện tượng cộng hưởng 43 Hình 3.10 Tổng hợp hai dao động điều hoà 45 Hình 3.11 Sóng nước 46 Hình 3.12 Qúa trình truyền sóng ngang 47 Hình 3.13 Qúa trình truyền sóng dọc 48 Hình 3.14 Giao thoa sóng 50 Hình 3.15 Sóng dừng 51 MỞ ĐẦU Thanh thực đơn Thanh công cụ 1. Lí do chọn đề tài Trong những năm qua, thành tựu của CNTT tác động mạnh mẽ đến mọi lĩnh vực của đời sống, kinh tế - xã hội. Đặc biệt, CNTT đã tác động sâu rộng, mạnh mẽ đến sự phát triển của nền khoa học và giáo dục hiện đại của nước ta. Cụ thể hơn là đã tác dụng đến việc đổi mới nội dung, phương pháp . trong quá trình nghiên cứu và dạy - học. Trong nghị quyết TW 2 - khóa VIII đã chỉ rõ: “Đổi mới mạnh mẽ phương pháp giáo dục và đào tạo, khắc phục lối truyền thụ một chiều, rèn luyện thành nếp tư duy sáng tạo của người học”. Để đáp ứng được sự đổi mới của sự nghiệp GD-ĐT, xã hội yêu cầu nhà trường không ngừng nâng cao chất lượng giáo dục toàn diện cho HS bao gồm việc cung cấp cho họ những kiến thức cơ bản, khoa học, chính xác, hiện đại, làm phát triển năng lực tư duy, rèn luyện kỹ năng, kỹ xảo, hình thành phương pháp học tập, và làm việc khoa học, sáng tạo… góp phần rèn luyện và làm phát triển nhân cách của HS. Giáo dục phát triển sẽ kéo theo sự phát triển của khoa học kỹ thuật. Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đến lượt mình lại làm biến đổi mục tiêu và nội dung của giáo dục, đồng thời tạo khả năng mới cho việc tiếp thu và lĩnh hội có hiệu quả những nội dung mới đó. Đặc điểm nổi bật của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện nay là sự phát triển có tính chất “bùng nổ” của CNTT. Hiện nay, các nước phát triển trong khu vực Đông Nam Á và thế giới đã tích cực ứng dụng CNTT vào quá trình nghiên cứu và quá trình đào tạo ở các cấp học. Song song với việc giảng dạy bộ môn tổng hợp trong nhà trường bên cạch các môn học khác, các nước trên thế giới đã có những thành công trong việc ứng dụng CNTT để phát triển các phương pháp dạy học bộ môn, trong đó có môn Vật lý. Việc đưa MVT vào dạy học có thể giúp nhà trường tiến hành tốt công tác giảng dạy theo nhiều mục đích học tập khác nhau cũng như theo nhiều nhóm HS khác nhau. Ở nước ta, từ năm 1990 - 1991 chương trình giáo dục tin học đã đưa vào giảng dạy ở các trường phổ thông. Tính đến cuối năn 2003 đã có 96% các trường THPT trong toàn quốc kết nối Internet. Mặc dù hướng nghiên cứu ứng dụng CNTT làm phương tiện dạy học ở Việt Nam đang còn khá mới mẻ, đang từng bước được thực hiện nhưng bước đầu cũng đã có những kết quả nhất định. Tại các Viện nghiên cứu, các trường Đại học, các công ty tin học đã hình thành các nhóm nghiên cứu về ứng dụng các sản phẩm CNTT làm phương tiện dạy học. Một số phần mềm dạy học đã ra đời, phần nào đem lại hiệu quả trong dạy học. Tuy nhiên có thể nói rằng các ứng dụng của MVT trong nhà trường ở nước ta hiện nay còn quá ít ỏi. Hầu như MVT chỉ được sử dụng như là công cụ để học tập môn tổng hợp và chưa được ứng dụng trong việc giảng dạy của các môn học khác. Có quá ít những chương trình hoặc phần mềm có thể sử dụng rộng rãi phục vụ cho việc nghiên cứu và dạy học ở trường phổ thông, nhất là các phần mềm hỗ trợ cho quá trình minh họa và mô phỏng các TN. Là một GV Vật lý THPT trong tương lai tôi nhận thấy rằng việc tiếp tục nghiên cứu ứng dụng CNTT vào quá trình DH theo hướng hiện đại hóa phương tiện nhằm đổi mới phương pháp giảng dạy là một nhiệm vụ cấp thiết, có ý nghĩa thiết thực và khắc phục được những khó khăn trên, góp phần đổi mới hoạt động DH, tăng tính trực quan trong DH đồng thời nâng cao chất lượng DH Vật lý ở trường phổ thông. Xuất phát từ cơ sở lý luận và thực tiễn nói trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài Sử dụng phần mềm Maple trong dạy học Vật lý ở trường Trung học phổ thông. 2. Mục đích nghiên cứu - Tiếp tục nghiên cứu, bổ sung và góp phần hoàn thiện cơ sở lý luận về ứng dụng CNTT trong dạy học nói chung và dạy học Vật lý nói riêng theo hướng hiện đại hoá các phương tiện dạy học. - Ứng dụng phần mềm Maple xây dựng các thí nghiệm mô phỏng hỗ trợ các thí nghiệm giáo khoa. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: + Nội dung, phương pháp giảng dạy Vật lý THPT. + Nội dung, phương pháp nghiên cứu Vật lý. + Phần mềm Maple. - Phạm vi nghiên cứu: + Sử dụng MVT, phần mềm Maple trong DH Vật lý theo hướng hiện đại hóa phương tiện DH. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý luận của việc sử dụng phần mềm trong nghiên cứu và dạy học Vật lý. - Nghiên cứu sử dụng phần mềm Maple thiết kế một số TN mô phỏng hỗ trợ dạy học Vật lý ở trường THPT. - Nghiên cứu nội dung chương trình sách giáo khoa Vật lý 12 THPT. 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các tài liệu về những vấn đề cơ bản của giáo dục hiện đại để tìm ra giải pháp nhằm nâng cao chất lượng của hoạt động nhận thức của HS. - Nghiên cứu các tài liệu về vai trò của MVT, phần mềm trong dạy học Vật lý. - Nghiên cứu các tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm Maple. - Nghiên cứu chương trình, nội dung SGK, sách giáo viên và các tài liệu tham khảo liên quan. 6. Đóng góp của luận văn - Góp phần làm sáng tỏ cơ sở lý luận của việc sử dụng MVT với phần mềm trong quá trình dạy học Vật lý ở phổ thông. - Hướng dẫn cách khai thác và sử dụng phần mềm Maple, thiết kế được một số TN mô phỏng hỗ trợ quá trình dạy học Vật lý THPT. 7. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo nội dung chính của luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Ứng dụng phần mềm dạy học trong dạy học vật lý ở trường Trung học phổ thông. Chương 2: Khai thác các chức năng của phần mềm Maple trong dạy học vật lý Chương 3: Thiết kế một số TN mô phỏng bằng phần mềm Maple. Chương 1. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM DẠY HỌC TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG 1.1. Tổng quan về ứng dụng CNTT trong dạy học Trong những năm gần đây, các thành tựu của khoa học, CNTT đặc biệt là MVT đang dần trở thành công cụ hữu ích đối với tất cả các lĩnh vực trong xã hội, MVT đã làm thay đổi khá lớn đến hình thức, nội dung, các hoạt động kinh tế, văn hóa và đời sống xã hội loài người. Ứng dụng của MVT ngày càng trở nên đa dạng và phong phú. Do vậy, đối với nước ta hiện đang trong giai đoạn đổi mới và hội nhập, ý nghĩa và tầm quan trọng của MVT lại càng có ý nghĩa đặc biệt. MVT là phương tiện có nhiều điểm mạnh để phục vụ cho những hoạt động khác nhau của con người. Những điểm mạnh này đã và đang được khai thác để hỗ trợ quá trình dạy học trong trường phổ thông. Sau đây là những ưu điểm nổi bật có thể khai thác trong quá trình dạy học [14]. 1.1.1. Chức năng lưu trữ, xử lý và cung cấp thông tin Nhờ chức năng này có thể tạo ra, lưu trữ và hiển thị lại một khối lượng thông tin vô cùng lớn dưới nhiều hình thức khác nhau như: văn bản (text), đồ họa (graphic), hình ảnh (image), âm thanh (sound), hoạt cảnh (video),… GV sẽ xây dựng được bài giảng sinh động thu hút sự tập trung người học, dễ dàng thể hiện được các phương pháp sư phạm: PP dạy học tình huống, PP dạy học nêu vấn đề, khách quan ngay trong quá trình học, tăng khả năng tích cực chủ động tham gia học tập của người học. Chức năng này có ý nghĩa lớn lao trong quá trình học tập, bởi lẻ học tập chính là quá trình thu thập xử lý và lưu trữ thông tin. Ngoài việc cho phép lưu trữ thông tin, phần mềm còn cho phép xử lý theo ý muốn của GV như: Sửa đổi, tìm kiếm, sắp xếp, kiểm tra,… trên cơ sở đó HS có điều kiện tốt hơn để đưa ra các phán đoán, nhận định trong khi giải quyết các vấn đề học tập trên hệ thống cơ sở dữ liệu tri thức. . Ứng dụng phần mềm dạy học trong dạy học vật lý ở trường Trung học phổ thông. Chương 2: Khai thác các chức năng của phần mềm Maple trong dạy học vật lý Chương. bằng phần mềm Maple. Chương 1. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM DẠY HỌC TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG 1.1. Tổng quan về ứng dụng CNTT trong dạy học