9. Cấu trúc của đề tài
1.4.4. Hiện trạng của việc sử dụng thí nghiệm mô phỏng trong dạy học vật lí hiện
hiện nay
Hiện nay có nhiều phần mềm hỗ trợ cho việc thiết kế các thí nghiệm mô phỏng để sử dụng vào dạy học vật lí. Tuy nhiên để thiết kế một thí nghiệm mô phỏng cho phù hợp với nội dung bài dạy học nhằm phát huy tính tích cực của HS thì đòi hỏi GV phải đầu tư nhiều công sức và thời gian. Vì vậy thực tế cho thấy cũng giống như thí nghiệm thực, hầu hết GV cũng ít sử dụng các thí mô phỏng trong dạy học. Hoặc nếu có sử dụng thì hiệu quả dạy học chưa cao.
Để khắc phục được thực trạng trên chúng tôi đã lựa chọn phần mềm Crocodile Physics để thiết kế sẵn các thí nghiệm mô phỏng và xây dựng thư viện để lưu trữ chúng, đồng thời viết tài liệu hướng dẫn sử dụng các thí nghiệm đó vào dạy học. Chắc chắn rằng khi đề tài thực hiện xong sẽ góp phần tạo điều kiện thuận lợi cho GV và HS dễ dàng khai thác và sử dụng có hiệu quả các thí nghiệm mô phỏng trong dạy học, góp phần nâng cao chất lượng dạy học vật lí ở trường phổ thông.
1.5. Kết luận chương 1
Các vấn đề được trình bày trong chương 1 có thể được tóm tắt như sau:
Thí nghiệm có một vai trò rất quan trọng trong dạy học vật lí. Vì vậy việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học vật lí là hết sức cần thiết. Tuy nhiên việc sử dụng các thí nghiệm thực trong dạy học vật lí cũng gặp phải những khó khăn nhất định.
MVT với tư cách là một phương tiện dạy học hiện đại được sử dụng vào QTDH nhằm nâng cao chất lượng dạy và học của tất cả các bộ môn, bởi vì MVT ngày càng tỏ ra ưu việt ở những chỗ mà không một phương tiện truyền thống nào trước đây có thể giải quyết được. MVT có rất nhiều chức năng hỗ trợ cho việc giảng dạy thí nghiệm vật lí: Có thể tham gia vào các thí nghiệm thực với tư cách là một thiết bị đo, lưu trữ, xử lý và hiển thị kết quả; có thể được sử dụng để trình bày lại các thí nghiệm thực đã được chụp ảnh hoặc quay phim; có thể dùng để mô phỏng các đối tượng thực, trong đó có thí nghiệm vật lí.
Cùng với việc đổi mới nội dung, phương pháp, phương tiện, hình thức tổ chức dạy học thì PMDH còn góp phần quan trọng trong việc giúp HS thực hiện tốt khẩu hiệu: “Học ở mọi nơi, học ở mọi lúc, học suốt đời, dạy cho mọi người với mọi trình
độ tiếp thu khác nhau”. Các PMDH vật lí với tư cách là người đồng hành và là sản
phẩm chung của hai lĩnh vực dạy học và tin học có rất nhiều khả năng hỗ trợ cho quá trình đổi mới PPDH vật lí hiện nay.
Crocodile Physics là một phần mềm mô phỏng có giao diện đẹp, thân thiện và dễ sử dụng với các chức năng phong phú, đa dạng và thích hợp. Phần mềm có nhiều khả năng hỗ trợ đối với vấn đề tổ chức hoạt động nhận thức cho HS ở trường THPT. Đây là một PMDH cho phép mô phỏng một cách trực quan và chính xác các hiện tượng, quá trình cần nghiên cứu về các phần cơ học, điện học, quang học và sóng. Với các đặc trưng riêng của mình, Crocodile Physics cho phép GV và HS thiết kế các thí nghiệm mô phỏng theo yêu cầu, phù hợp với nội dung của bài học.
Việc áp dụng những thành tựu của CNTT, đặc biệt là MVT và các PMDH trong việc tạo ra các thí nghiệm mô phỏng để tổ chức các hoạt động dạy học vật lí ở trường phổ thông hiện nay sẽ khắc phục những hạn chế của việc sử dụng thí nghiệm thực, đồng thời góp phần nâng cao chất lượng dạy học. Đây là một trong những giải pháp ứng dụng CNTT vào trong dạy học vật lí rất có hiệu quả được nhiều nước đang sử dụng. Tuy nhiên để tạo điều kiện thuận lợi cho GV và HS dễ dàng khai thác và sử dụng các thí nghiệm mô phỏng thì việc xây dựng thư viện để lưu trữ các thí nghiệm mô phỏng được thiết kế bằng phần mềm Crocodile Physics và viết tài liệu hướng dẫn sử dụng các thí nghiệm đó trong dạy học là rất cần thiết.
Chương 2. XÂY DỰNG THƯ VIỆN CÁC THÍ NGHIỆM MÔ PHỎNG VỀ VẬT LÍ THPT BẰNG PHẦN MỀM
CROCODILE PHYSICS 2.1. Tổng quan về chương trình vật lí THPT
Trong những năm gần đây, chương trình và sách giáo khoa vật lí phổ thông đã được biên soạn lại và đưa vào sử dụng đại trà nhằm nâng cao chất lượng dạy học ở cấp phổ thông. Chương trình vật lí THPT ngoài các phần cơ học, nhiệt học, điện học, quang học, dao động và sóng, vật lí hạt nhân như chương trình cũ thì còn bổ sung thêm một số phần mới và phân làm hai ban: Ban cơ bản và ban nâng cao. Cấu trúc của chương trình và sách giáo khoa hiện nay bao gồm:
• Phần Cơ học: Cơ học là một phần của vật lí học nghiên cứu hiện tượng chuyển động cơ học của các vật. Phần cơ học được đưa vào chương trình vật lí lớp 10 và vật lí lớp 12. Trong chương trình vật lí lớp 10, phần cơ học bao gồm:
- Phần động học chất điểm: Là một phần của cơ học nghiên cứu về các chuyển động đơn giản nhất trong tự nhiên (chuyển động cơ học), trong đó người ta nghiên cứu cách xác định vị trí của các vật trong không gian tại những thời điểm khác nhau và mô tả tính chất chuyển động của các vật bằng các phương trình toán học, nhưng chưa xét đến nguyên nhân chuyển động. Ở phần này đề cập đến các khái niệm liên quan đến chuyển động như chất điểm, quỹ đạo, độ dời, hệ quy chiếu; các đại lượng đặc trưng cho chuyển động như thời gian, quãng đường, vận tốc, gia tốc; các dạng chuyển động đơn giản như chuyển động thẳng gồm có chuyển động thẳng đều và chuyển động thẳng biến đổi đều, chuyển động tròn và chuyển động của vật bị ném và nghiên cứu một đặc điểm của chuyển động là tính tương đối của chuyển động.
- Phần động lực học chất điểm: Nghiên cứu các khái niệm lực và khối lượng; các định luật I, II và III của Niu-tơn. Đó là cơ sở chi phối toàn bộ cơ học nói chung. Ngoài ra nội dung phần này còn đề cập đến những loại lực hay gặp trong cơ học như lực hấp dẫn, lực đàn hồi, lực ma sát.
- Phần tĩnh học: Phần này trình bày các khái niệm như vật rắn, cân bằng lực, momen của lực đối với một trục, ngẫu lực, trọng tâm; đề cập đến điều kiện cân bằng của vật rắn, quy tắc momen lực, chuyển động tịnh tiến của vật rắn, chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định.
- Phần các định luật bảo toàn: Các định luật bảo toàn đã thực sự cung cấp thêm một phương pháp giải các bài toán cơ học rất hữu hiệu, bổ sung cho phương pháp động lực học, đôi khi nó còn cho kết quả nhanh hơn khi sử dụng phương pháp động lực học để giải. Khi áp dụng các định luật bảo toàn, HS cũng cần phải nắm vững các định luật Niu-ton, cách tính công của các lực khác nhau, định lí động năng,… mới đem lại hiệu quả cao trong quá trình giải bài tập. Vì vậy, có thể nói rằng bài tập về các định luật bảo toàn là hệ thống hóa một cách đầy đủ nhất các kiến thức của cơ học. Xu hướng hiện nay của các sách giáo khoa là đề cao vai trò của các định luật bảo toàn, đặc biệt là định luật bảo toàn năng lượng. Định luật bảo toàn năng lượng không chỉ chi phối trong lĩnh vực cơ học mà là toàn bộ vật lí học và trong nhiều lĩnh vực khác của khoa học. Ngoài ra trong chương trình nâng cao còn đưa thêm phần cơ học chất lưu.
Phần cơ học lớp 12 đề cập đến “dao động cơ”, đó là một phần quan trọng của chương trình vật lí 12, nghiên cứu dao động dựa trên quy luật biến thiên điều hoà của các đại lượng. Nội dung của phần này là khảo sát các đại lượng đặc trưng của dao động điều hoà, khảo sát một số hệ dao động và một số dạng dao động như con lắc lò xo, con lắc đơn, dao động tắt dần, dao động cưỡng bức. Ngoài ra trong chương trình nâng cao còn đề cập đến một số kiến thức về “động lực học vật rắn”.
• Phần nhiệt học: Nội dung cơ bản của phần này đề cập đến nội dung của thuyết động học phân tử chất khí, các định luật thực nghiệm và phương trình trạng thái của khí lí tưởng; các khái niệm như: nội năng, công và nhiệt lượng, máy nhiệt (động cơ nhiệt, máy lạnh); các nguyên lý như: nguyên lí I của nhiệt động lực học, nguyên lí II của nhiệt động lực học; các ứng dụng như áp dụng nguyên lý I cho các quá trình của khí lí tưởng; đề cập đến chất rắn, chất lỏng và sự chuyển thể.
• Phần điện học: Được đưa vào chương trình vật lí lớp 11 và lớp 12. Trong chương trình vật lí 11, phần điện học gồm có điện học và điện từ học, đề cập đến các nội dung cơ bản như: Tĩnh điện học (điện tích và điện trường), dòng điện không đổi, dòng điện trong các môi trường, từ trường và cảm ứng điện từ. Trong chương trình vật lí 12, phần điện học chủ yếu đề cập đến dòng điện xoay chiều và mạch dao động, ngoài ra còn đề cập đến máy phát điện xoay chiều và động cơ không đồng bộ ba pha.
• Phần quang học: Quang học là một trong những ngành quan trọng của vật lí học, là một môn khoa học lí thú nghiên cứu về tất cả các hiện tượng liên quan đến ánh sáng. Cấu trúc của quang học bao gồm các phần: quang hình học, quang học sóng và quang học lượng tử (còn gọi chung là quang lí). Quang hình học nghiên cứu sự truyền ánh sáng qua các môi trường trong suốt và sự tạo ảnh qua các dụng cụ quang học bằng phương pháp hình học. Quang học lượng tử nghiên cứu bản chất hạt của ánh sáng. Quang học sóng là một phần của quang học nghiên cứu bản chất sóng của ánh sáng. Nghiên cứu bản chất sóng của ánh sáng là cơ sở để giải thích các hiện tượng mà nếu chỉ dựa vào các định luật quang hình sẽ không giải thích được. Đó là các hiện tượng: giao thoa, nhiễu xạ, tán sắc ánh sáng... Ngoài ra, quang học sóng còn nghiên cứu các bức xạ không nhìn thấy bao gồm tia hồng ngoại, tia tử
ngoại và tia X do sự tương tự nhau về bản chất và các thiết bị dùng để ghi nhận chúng.
Trước đây, quang học được đưa vào chương trình vật lí phổ thông dưới hai phần: Quang hình học và quang lý học đều nằm ở chương trình vật lí 12. Nhưng bộ sách giáo khoa hiện hành đã tách riêng phần quang hình học đưa vào cuối chương trình vật lí 11 và quang lí trong chương trình vật lí 12. Sự thay đổi này nhằm giúp cho quá trình tư duy, tiếp thu, lĩnh hội tri thức của HS có logic hơn, đồng thời cũng tạo điều kiện để đưa những kiến thức mới vào chương trình vật lí 12 hiện hành mà bộ sách cũ không có (chương vĩ mô và vi mô, thuyết tương đối (trong chương trình nâng cao), các kiến thức bổ sung trong mục “em có biết”,…). Phần quang hình học được xây dựng dựa trên bốn định luật cơ bản về ánh sáng (định luật truyền thẳng ánh sáng, định luật về tác dụng độc lập của các tia sáng, định luật phản xạ ánh sáng, định luật khúc xạ ánh sáng) và các phương pháp hình học để nghiên cứu sự tạo thành ảnh qua các dụng cụ quang học. Phần quang lí dựa trên cơ sở thuyết sóng ánh sáng của Huygens, thuyết lượng tử của Planck và thuyết photon của Einstein để nghiên cứu giải thích các hiện tượng như giao thoa, nhiễu xạ, phát xạ nhiệt, hiệu ứng quang điện...
• Phần sóng: Bao gồm sóng cơ và sóng điện từ và đưa vào trong chương trình vật lí lớp 12. Phần sóng cơ đề cập đến các khái niệm liên quan đến sóng cơ, đề cập đến hiện tượng giao thoa sóng và sóng dừng, đề cập đến đặc trưng sinh lí và vật lí của âm. Phần sóng điện từ đề cập đến các nội dung cơ bản sau: Mạch dao động, dao động điện từ, điện từ trường, sóng điện từ, những nguyên tắc của việc thông tin liên lạc vô tuyến.
• Phần vật lí hạt nhân: Chương “Hạt nhân nguyên tử” chiếm một vị trí quan trọng trong chương trình vật lí phổ thông. Phần này là hệ thống những kiến thức hoàn toàn mới đối với HS. Trước đó, HS chỉ học những khái niệm nguyên tử và cấu trúc nguyên tử ở môn Vật lí lớp 7 và Hoá học lớp 10. Từ chương này, HS mới hiểu sâu hơn về cấu trúc, bản chất của hạt nhân nguyên tử, sự phân rã phóng xạ, năng lượng liên kết và các phản ứng hạt nhân, năng lượng hạt nhân cùng với những ứng dụng của nó trong kỹ thuật.
So với sách giáo khoa cũ thì cách viết của sách giáo khoa hiện hành đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc tổ chức các HĐDH theo hướng phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo của người học.
Về các thí nghiệm trong chương trình vật lí THPT: Các tác giả của cả hai bộ sách vật lí đều quan tâm đến việc dạy học vật lí phải gắn với thí nghiệm. Hầu hết trong mỗi bài học đều có thí nghiệm, điều đó phù hợp với việc giảng dạy của một môn học thực nghiệm, đồng thời nó còn chỉ rõ rằng thí nghiệm là một phương tiện rất quan trọng, có tác dụng to lớn trong việc nâng cao chất lượng nắm vững kiến thức, rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo của HS. Vì vậy song song với việc đổi mới chương trình và sách giáo khoa thì Bộ GD&ĐT cũng rất quan tâm đến việc trang cấp các trang thiết bị thí nghiệm về các trường học. Hiện nay các thiết bị thí nghiệm có trong các nhà trường THPT có thể hỗ trợ cho việc thực hiện một số thí nghiệm thực (thí nghiệm biểu diễn, thí nghiệm chứng minh, thí nghiệm thực hành) trong dạy học. Tuy nhiên thực tế giảng dạy trong một vài năm qua cho thấy các thiết bị được cấp về còn chậm so với việc giảng dạy trong chương trình, hoặc các thiết bị này có độ bền, độ chính xác chưa cao, không thể sử dụng liên tục trong nhiều năm được. Điều đó phần nào làm ảnh hưởng đến việc làm thí nghiệm thực của GV và HS trong QTDH. Vì vậy việc sử dụng thí nghiệm mô phỏng trong dạy học vật lí là hết sức cần thiết.
2.2. Các bước thiết kế thí nghiệm mô phỏng bằng phần mềm CrocodilePhysics Physics
Để thiết kế một thí nghiệm mô phỏng bằng phần mềm Crocodile Physics V.605 chúng ta có thể tiến hành thao tác theo trình tự chung gồm 6 bước cơ bản sau đây:
Bước 1: Khởi động phần mềm
Khởi động máy xong, ta có thể khởi động phần mềm theo các cách sau:
Cách 1: Kích đúp chuột trái vào biểu tượng Crocodile Physics trên màn hình Desktop.
Hình 2.1
Cách 2:
Vào Start → Program → Crocodile Clips → Crocodile Physics 605 → Crocodile Physics 605.
Hình 2.2
Đồng thời phải tạo một không gian riêng để thiết kế thí nghiệm (đối với các thí nghiệm phần quang, sóng và cơ).
Bước 2: Lựa chọn dụng cụ thí nghiệm
Di chuyển chuột vào thư mục Part Library. Trong menu của Part Library ta chọn và đưa các thiết bị cần sử dụng từ các kho thí nghiệm vào không gian làm việc.
Bước 3: Di chuyển, lắp ghép, thiết lập các thuộc tính cho các đối tượng thí nghiệm
Sau khi đã lựa chọn được các dụng cụ ta có thể di chuyển, lắp ghép các thiết bị thí nghiệm theo sơ đồ thích hợp, thiết lập các thuộc tính cần thiết cho từng đối tượng.
Bước 4: Chọn hình thức thể hiện thông số của thí nghiệm
Sau khi lắp đặt các dụng cụ thí nghiệm ta cần phải lựa chọn các công cụ hỗ trợ để thể hiện các thông số của thí nghiệm, phần này rất quan trọng của thí nghiệm. Bởi nếu đã thiết lập thí nghiệm thành công nhưng không đưa ra được kết quả thì