1.3.3.1. Quan niệm về thí nghiệm mơ phỏng
Khi nĩi đến TNMP các nhà GD trong và ngồi nước đều đề cập tới mơ phỏng bằng máy tính. Rất khĩ để cĩ thể đưa ra một định nghĩa chính xác mơ phỏng là gì để mọi người đều thống nhất.
– Theo các nhà GD nước ngồi, mơ phỏng là sự trình bày một cách ngắn gọn, đơn giản những yếu tố mấu chốt, cơ bản nhất của một sự kiện, sự vật, hoặc hiện tượng. Mơ phỏng là sự bắt chước các sự vật hoặc hiện tượng thực. Việc mơ phỏng địi hỏi sự tái hiện gần như chính xác những đặc tính hoặc những quy luật cơ bản nhất của hệ thống VL đã được lựa chọn hoặc thu gọn lại. Việc mơ phỏng phải dựa trên những mơ hình tốn học đã được xác định. Với cách hiểu về mơ phỏng như trên thì ta cĩ thể hiểu TNMP là việc trình bày những yếu tố cơ bản nhất của một TNVL tuân theo những quy luật VL cĩ thể được biểu diễn bằng những mơ hình tốn học xác định. TNMP trên máy tính cho phép người dùng tương tác với TN bằng cách thay đổi các thơng số đầu vào của TN nhờ các cơng cụ nhập liệu được thiết kế bởi nhà lập trình.
– Theo tác giả Lê Cơng Triêm và Trần Huy Hồng, “mơ phỏng là một đối tượng hoặc hệ thống các đối tượng được tạo ra trên máy vi tính mang đầy đủ các thuộc tính của một đối tượng hay hệ thống đối tượng thực mà khi thao tác lên các đối tượng đĩ thì sẽ làm xuất hiện các thuộc tính bên trong từng đối tượng hay mối quan hệ giữa các đối tượng đĩ. Nhờ đĩ mà người nghiên cứu hiểu được đối tượng riêng lẻ hoặc hệ thống đối tượng cần nghiên cứu”. [20]
TNMP cịn được hiểu là các TN được xây dựng từ các dụng cụ và đối tượng mơ phỏng trên cơ sở các đối tượng thực. Khi tiến hành TN trên các đối tượng mơ phỏng đĩ sẽ thu được kết quả phù hợp với các quy luật như trong TN thực. Do vậy, khi tiến hành TN này HS sẽ dễ dàng khám phá được những thuộc tính hay các mối quan hệ giữa các đối tượng.
- Tổng quát hĩa, tơi định nghĩa thí ngiệm mơ phỏng là việc trình bày những yếu tố cơ bản nhất của một TNVL tuân theo những quy luật VL cĩ thể được biểu diễn bằng những mơ hình tốn học xác định. TNMP trên máy tính cho phép người dùng tương tác với TN bằng cách thay đổi các thơng số đầu vào của TN nhờ các cơng cụ nhập liệu được thiết kế bởi nhà lập trình.
Mơ phỏng bằng máy vi tính đơi khi được gọi là “thí nghiệm trên máy vi tính” vì nĩ cĩ nhiều điểm chung với thí nghiệm thực. Để so sánh sự giống và khác nhau, chúng tơi lập bảng:
Bảng 1.2 – Bảng so sánh các đặc điểm của TN thực và TN mơ phỏng bằng máy tính
Thí nghiệm thực Thí nghiệm mơ phỏng bằng máy tính
- Nghiên cứu trên vật gốc ( về quá trình, hiện tượng”
- Cơng cụ nghiên cứu là thiết bị TN, dụng cụ đo.
- Các thao tác nghiên cứu: Thay đổi giá trị các đại lượng để đo các đại lượng khác trong thí nghiệm, thu thập dữ liệu
- Phân tích, xử lí dữ liệu để đưa ra dự đốn khoa học hay kiểm chứng một giả thuyết
- Nghiên cứu trên mơ hình (về quá trình, hiện tượng)
- Cơng cụ nghiên cứu là máy vi tính, chương trình phần mềm.
- Các thao tác nghiên cứu: Thay đổi giá trị các biến số để tính tốn giá trị các biến số khác (thuộc mơ hình) nhờ phần mềm, thu thập dữ liệu.
- Phân tích, xử lí dữ liệu để đưa ra dự đốn khoa học hay minh họa, mơ phỏng một mối quan hệ, quy luật.
1.3.3.2. Phân loại thí nghiệm mơ phỏng trong dạy học vật lí [17]
Theo tác giả Phạm Xuân Quế và Phạm Minh Vĩ, trong DHVL, cơ sở để phân loại TNMP là: “Từ các tiên đề hay các mơ hình (các phương trình hay các nguyên lí VL) được viết dưới dạng tốn học một cách định lượng hoặc từ các mối quan hệ cĩ tính chất định tính giữa các đại lượng VL thuộc đối tượng nghiên cứu”.
Trên cơ sở đĩ, TNMP được phân làm 2 loại: TNMP định lượng (hay mơ phỏng chính xác) và TNMP định tính (hay mơ phỏng khơng chính xác).
a. TN mơ phỏng định lượng (hay mơ phỏng chính xác)
Đây là loại mơ phỏng xuất phát từ các tiên đề hay các mơ hình được viết dưới dạng tốn học thơng qua vận dụng các phương pháp tính tốn trên mơ hình nhờ máy vi tính được gọi là mơ phỏng định lượng hay mơ phỏng chính xác. Trong loại mơ phỏng này, các đối tượng được mơ phỏng tuân theo đúng các phương trình, nguyên lí VL.
Phần mềm mơ phỏng định lượng cĩ thể sử dụng nhằm hai mục đích:
+ Minh họa các hiện tượng, quá trình, trạng thái VL… của đối tượng nghiên cứu khơng thể quan sát hay khĩ tưởng tượng một cách trực quan để HS hình dung đúng hiện tượng VL cần nghiên cứu.
+ Mơ phỏng các hiện tượng, quá trình, trạng thái VL… của đối tượng nghiên cứu trong phạm vi mà phương pháp nghiên cứu lí thuyết hay phương pháp nghiên cứu thực nghiệm chưa thể nghiên cứu được để dự đốn các hiện tượng, quá trình, trạng thái VL mới.
b. TN mơ phỏng định tính (hay mơ phỏng khơng chính xác).
Đây là TNMP dựa trên các mối quan hệ định tính của các đại lượng VL. Loại mơ phỏng khơng chính xác này được sử dụng trong các trường hợp:
+ Khơng cần thiết phải mơ phỏng chính xác.
+ Việc mơ phỏng chính xác khơng cho phép với các lí do như khơng biết được mối quan hệ định lượng giữa các đại lượng VL cần mơ phỏng hoặc cĩ biết được thì việc lập trình mơ phỏng cũng hết sức khĩ khăn, mất nhiều thời gian.
Phần mềm mơ phỏng định tính trong DHVL chỉ nhằm mục đích minh họa các hiện tượng, quá trình, trạng thái VL của đối tượng nghiên cứu khơng thể quan sát hay khĩ tưởng tượng một cách trực quan, qua đĩ giúp HS hình dung đúng hiện tượng, quá trình, mối quan hệ VL cần nghiên cứu.
1.3.3.3. Nguyên tắc sử dụng thí nghiệm mơ phỏng trong dạy học vật lí [19], [20]
Khi thiết kế và sử dụng TNMP trong DHVL cần đảm bảo các nguyên tắc sau:
- Nguyên tắc 1: Nội dung bài giảng, nội dung thực sự của TN phải là sự kết hợp giữa nội dung TN nhằm cung cấp thơng tin và kịch bản sư phạm đã xây dựng nhằm biến nội dung thơng tin thành kiến thức. Do đĩ, một TN hay, đẹp đến mấy nhưng nĩ cĩ hợp lý hay khơng, cĩ biến được lượng thơng tin thành kiến thức hay khơng là ở kịch bản sư phạm của GV.
- Nguyên tắc 2: Tạo cơ hội cho HS tương tác với tài liệu, với TN. Thiết kế TN
và kịch bản giảng dạy phải làm sao để HS tham gia cùng với GV tham gia vào xây dựng mơ hình, nguyên tắc TN. GV khuyến khích HS tham gia vào TN bằng các câu hỏi hây các cuộc thảo luận về hiện tượng TN, cải tiến TN hay hơn, chính xác hơn phù hợp với nội dung, chương trình mơn học (cả dung lượng và chiều sâu kiến thức).
- Nguyên tắc 3: Bảo đảm tính trực quan, tập trung làm rõ, hướng dẫn cho HS
quan sát các hiện tượng trọng tâm của bài học.
+Hình ảnh các đối tượng phải đủ lớn để người học dễ quan sát, màu sắc phải đảm bảo tương phản hợp lý.
+Đảm bảo thân thiện với người dùng. +Đảm bảo thẩm mỹ, hấp dẫn, cĩ tính mở.
+Thể hiện rõ ý đồ sư phạm về PPDH, GV phải làm rõ chủ đích của từng bước TN, làm rõ trọng tâm của TN đĩ và đồng thời, qua đĩ hướng dẫn HS quan sát đúng theo mục đích GD của thí nghịêm, chú ý phát huy tính tích cực nhận thức của HS.
– Nguyên tắc 4: Sự hịa hợp giữa TNMP và TN thực: Cĩ tính đến sự phối hợp TNMP với TN thực cũng như các phương tiện DH khác, sự hiển thị, diễn biến hồn
tồn chủ động.
Chú ý: Thí nghiệm mơ phỏng chỉ nên sử dụng trong các trường hợp:
-Khơng cĩ khả năng thực hiện TN thật trong điều kiện cơ sở vật chất của nhà trường.
- Thực hiện TN thật sẽ gây nguy hiểm (TN về sự phĩng điện trong chất khí, về hiện tượng đoản mạch,…)
-Mơ tả các hiện tượng, quá trình rất hiếm, ở rất xa hoặc trong điều kiện thường khơng thể quan sát được (sự thay đổi tiêu cự khi sự điều tiết mắt, chuyển động của các hành tinh quanh mặt trời,…)
-Mơ tả các hiện tượng, quá trình xảy ra quá nhanh hoặc quá chậm. (hiên tượng điện phân, sự nở dài vì nhiệt của vật rắn…)
- Khi mà TN thật khơng hỗ trợ tốt cho việc tổ chức quá trình nhận thức vật lí của HS một cách tích cực, tự lực và sáng tạo. (mắc mạch điện…)
Kết luận: TNMP là ảo chứ khơng thực, khơng thể thay thế được kinh nghiệm thực tiễn, do đĩ khơng nên tuyệt đối hĩa TNMP. TN thực và ảo đều cĩ mặt mạnh, mặt yếu khác nhau, hai loại hình này hỗ trợ cho nhau rất hiệu quả nhưng khơng thể thay thế hồn tồn cho nhau được. Tùy điều kiện thực tế nên sử dụng loại nào, mức độ ra sao để cĩ hiệu quả sử dụng cao nhất.
1.3.3.4. Phạm vi ứng dụng thí nghiệm mơ phỏng vào tiến trình dạy học [12]
Một số phạm vi sử dụng chúng trong DHVL ở trường THPT như sau: – Giới thiệu chức năng, cách thức sử dụng các linh kiện, thiết bị; – Hình thành và rèn luyện kĩ năng thiết kế TN cho HS;
– Hỗ trợ TN thực;
– Mở rộng và khắc sâu kiến thức.
a. Giới thiệu chức năng, cách thức sử dụng các linh kiện, thiết bị TN
Nhờ các thiết bị trình chiếu, GV cĩ thể sử dụng các linh kiện ảo để giới thiệu cho HS các linh kiện TN, các chi tiết kỹ thuật. Trong nhiều trường hợp việc sử dụng các linh kiện, thiết bị ảo như là một giải pháp tối ưu nhất. Thế mạnh của các đối tượng ảo chính là tính tương tác. GV cĩ thể giới thiệu về đối tượng khơng những ở trạng thái tĩnh mà cả ở trạng thái động nhờ tính tương tác khi thay đổi các điều kiện của TN, các thơng số kỹ thuật của đối tượng.
Ví dụ: Sử dụng các TNMP để minh họa cho bộ TN đo gia tốc rơi tự do, mơ hình máy phát điện…
b. Gĩp phần hình thành và rèn luyện kĩ năng thiết kế thí nghiệm cho HS
Hình thành và rèn luyện kĩ năng thiết kế TN cho HS là một trong những mục tiêu quan trọng của DHVL. Trong thực tế DH thì phần lớn GV chưa chú trọng đến mục tiêu này. Một trong những nguyên nhân đĩ là sự thiếu thốn về cơ sở vật chất thiết bị TN, khĩ khăn trong việc tổ chức lớp học cũng như hạn chế về thời gian. Trong tình huống này thì các TNMP thật sự phát huy thế mạnh.
Ví dụ: Thiết kế các dụng cụ trong mạch điện, hay dụng cụ để TN về hiện tượng cảm ứng điện từ,…
c. Hỗ trợ thí nghiệm thực
Trong trường hợp cĩ thể làm TN thực thì các TNMP cũng cĩ thể được sử dụng để trực quan hố TN thực, khắc sâu những chi tiết, những sự kiện quan trọng của TN thực. Trong nhiều trường hợp, sau khi thực hiện TN thực GV cĩ thể thực hiện TNMP với các thơng số đầu vào khác nhau để củng cố thêm những kết luận rút ra từ TN thực. Trong tình huống này, thế mạnh của TNMP về khả năng lưu trữ, xử lý số liệu nhanh và chính xác, trình bày kết quả một cách tính trực quan được chú trọng khai thác.
Ví dụ: TNMP đo suất điện động và điện trở trong của pin Vơn-ta, TN các định luật chất khí,…
d. Mở rộng và khắc sâu kiến thức
Các TNMP cịn được sử dụng khi củng cố bài học nhằm mở rộng và khắc sâu kiến thức mà HS đã tham gia xây dựng và lĩnh hội được. Ở khâu này thì các TNMP tỏ ra cĩ ưu thế so với các TN thực ở chỗ cĩ thể tiến hành nhiều lần TN với các thơng số khác nhau nhưng khơng mất nhiều thời gian.
Ví dụ: Khi dạy bài lực đàn hồi, GV cĩ thể sử dụng thí nghệm ảo sau để cho HS thấy được ý nghĩa của hệ số đàn hồi k.
1.3.4. Phương pháp soạn thảo tiến trình dạy học cĩ sử dụng các mơ hình thí
nghiệm [21]
Để soạn thảo một tiết dạy học VL cĩ sử dụng mơ hình thí nghiệm chúng ta cần thực hiện các bước sau:
Bước 1: Xác định một mục tiêu dạy học của một kiến thức vật lí.
Trước khi dạy một bài học, GV cần đặt ra mục tiêu tiết học cần đạt được về các mặt: kiến thức, kĩ năng, thái độ, từ đĩ mới tiến hành xây dựng GAĐT và thiết kế các mơ hình thí nghiệm.
Bước 2: Lập sơ đồ tiến trình xây dựng kiến thức vật lí cụ thể
Để thiết kế phương án DH một kiến thức cụ thể thì trước hết phải phân tích cấu trúc nội dung, cụ thể là:
- Tìm hiểu xem cĩ thể chia nội dung kiến thức của bài học thành những đơn vị kiến thức nào?
-Mỗi đơn vị kiến thức sẽ được xây dựng tiến trình nhận thức như thế nào? -Lập sơ đồ tiến trình xây dựng mỗi đơn vị kiến thức.
Bước 3: Lựa chọn các phương tiện và đồ dùng dạy học
Để DH theo tiến trình nhận thức khoa học thì vai trị của thiết bị DH rất quan trọng. Các thiết bị DH chủ yếu là máy tính, máy chiếu, màn chiếu và các cơng cụ hỗ trợ như: thước chỉ,… và các thiết bị TN. Trong tiến trình xây dựng kiến thức cần thiết kế TN nào, bằng chương trình nào, và kết hợp với TN thực như thế nào cho hiệu quả.
Bước 4: Những chuẩn bị của giáo viên và học sinh về phương tiện dạy học
a) Sự chuẩn bị của giáo viên
Sau khi đã xác định được những PTDH cần thiết. GV cần chuẩn bị những bộ dụng cụ đĩ đảm bảo yêu cầu. Ngồi dụng cụ TN GV cịn chuẩn bị đầy đủ phiếu học tập cho HS.
b) Sự chuẩn bị của học sinh
Với sự hướng dẫn của GV phải tích cực chuẩn bị những dụng cụ theo yêu cầu của GV, HS cần ơn tập lại những kiến thức cũ cĩ liên quan đến vấn đề sắp học.
Bước 5: Xây dựng các câu hỏi đề xuất vấn đề và kết luận tương ứng
Xuất phát từ kiến thức cần dạy GV phải xây dựng các câu hỏi để đề xuất các câu hỏi gợi ý, hướng dẫn, nêu và giải quyết vấn đề.GV dự đốn những câu trả lời hoặc câu hỏi của HS cĩ thể cĩ, từ đĩ đưa ra những câu hỏi mang tính hướng dẫn tiếp theo. GV cần phải soạn sẵn những kết luận tương ứng cho mỗi vấn đề đã đưa ra.
Bước 6: Thiết kế tiến trình hoạt động dạy học cụ thể
Đây chính là việc soạn thảo một giáo án chi tiết dựa trên sơ đồ tiến trình DH từng đơn vị kiến thức đã lặp. Giáo án chi tiết này phải thể hiện được ý định của GV trong tổ chức, kiểm tra, định hướng hành động của HS một cách chi tiết, từng bước cụ thể. Tiến trình này là một bảng hướng dẫn GV hành động, nhưng nĩ mang tính linh động và tùy theo diễn biến của tiết học mà GV cĩ thể thay đổi các khâu cho phù hợp với từng đối tượng, từng điều kiện mơi trường cụ thể… Vì vậy, việc DH cũng địi hỏi rất nhiều sự sáng tạo của mỗi GV.