Hiện tại nhiều trường trung học đã được trang bị máy vi tính, các phương tiện nghe nhìn, các phương tiện truyền thông khác, nhiều trường đã được kết nối Internet. GV đã được tập huấn về ứng dụng CNTT trong dạy học. HS thường xuyên tiếp xúc với CNTT. Để nâng cao hiệu quả của việc ứng dụng CNTT trong trường trung học, cần thực hiện một số nội dung sau:
- Nâng cao nhận thức cho cán bộ quản lý, GV và HS về việc ứng dụng CNTT trong quản lý và trong dạy học;
- Sử dụng các nguồn kinh phí để đầu tư trang thiết bị về CNTT cho các trường trung học;
- Bồi dưỡng GV các bộ môn về CNTT để họ có thể tổ chức tốt ứng dụng CNTT trong dạy học;
- Tổ chức trình diễn các tiết dạy học có ứng dụng CNTT trong trường trung học nhằm mục đích tuyên truyền, động viên các cá nhân, đơn vị tổ chức tốt việc ứng dụng CNTT;
- Xây dựng một số dịch vụ giáo dục và đào tạo ứng dụng trên mạng Internet;
- Tuyển chọn, xây dựng và hướng dẫn sử dụng các phần mềm trong quản lý giáo dục và trong dạy học;
- Nâng cao hiệu quả của việc kết nối Internet;
- Nghiên cứu để đưa ra các phần mềm dạy học tốt vào danh mục thiết bị dạy học tối thiểu;
- Tổ chức trao đổi kinh nghiệm về ứng dụng CNTT giữa các trường trung học trong nước và quốc tế;
1.5.5. Sự hỗ trợ của CNTT trong việc tổ chức hoạt động nhận thức tích cực và tự lực cho HS trong dạy học vật lý
Việc tổ chức hoạt động nhận thức của HS phỏng theo con đường tìm tòi của các nhà khoa học theo chu trình hoạt động nhận thức sáng tạo được sơ đồ hoá như hình 1.2. thường gặp khó khăn trong các giai đoạn như: đề xuất mô hình - giả thuyết trừu tượng, xây dựng phương án thực nghiệm và tiến hành thực nghiệm để kiểm tra hệ quả. Chính thông qua hoạt động trong các giai đoạn này nhờ sự hỗ trợ của CNTT, mà tính tích cực tự lực và sáng tạo của HS được phát triển.
Để có cơ sở đề xuất mô hình - giả thuyết trừu tượng, vấn đề hết sức quan trọng là làm thế nào mà thu thập được các thông tin liên quan đến đối tượng cần nghiên cứu (với tư cách là các sự kiện xuất phát), để tạo điều kiện cho tư duy trực giác, đưa ra mô hình - giả thuyết trừu tượng. Trong dạy học vật lý, tuỳ theo các đối tượng nghiên cứu cụ thể mà các phương tiện dạy học truyền thống có thể không thể hỗ trợ cho việc thu thập các thông tin này. Ngoài khó khăn trên, trong công việc kiểm tra tính đúng đắn của các mô hình - giả thuyết trừu tượng cũng thường gặp khó khăn nếu chỉ dựa vào các phương tiện dạy học truyền thống, phương tiện tính toán truyền thống.
Từ những phân tích trên cho thấy, trong nhiều trường hợp nếu chỉ sử dụng các phương tiện dạy học truyền thống thì việc yêu cầu cao tính tích cực, tự lực của HS tham gia vào việc phát hiện vấn đề cần giải quyết và giải quyết các vấn đề học tập
(đề xuất mô hình - giả thuyết cũng như kiểm tra tính đúng đắn của nó) sẽ bị hạn chế, do đó, việc áp dụng các phương pháp dạy học nhằm tích cực hoá người học cũng có những hạn chế nhất định.
Trong khi đó CNTT và máy vi tính có các chức năng hết sức ưu việt so với phương tiện dạy học truyền thống như:
- Dựa trên các phương trình mô tả các mối quan hệ của các đại lượng vật lý trong quá trình, hiện tượng cần nghiên cứu, nhờ CNTT ta có thể mô phỏng các mối quan hệ này bằng các hình ảnh tĩnh hay động một cách chính xác, trực quan và thẫm mỹ. Cũng nhờ mô phỏng mà ta có thể đưa ra dự đoán về hiện tượng, quá trình vật lý mới, phát hiện ra vấn đề mới cần giải quyết.
- CNTT có thể hỗ trợ các TN vật lý (thông qua ghép nối máy vi tính hay phân tích băng hình) để có thể tự động hoá thu thập, lưu trữ số liệu TN, phân loại, sắp xếp chúng và trình bày kết quả dưới dạng bảng số liệu hay đồ thị hết sức nhanh chóng và như ý muốn.. .Sự hỗ trợ này của CNTT giúp cho HS tham gia tích cực, tự lực và sáng tạo vào giai đoạn giải quyết vấn đề trong quá trình nhận thức.
Với các khả năng hỗ trợ của CNTT trong một số giai đoạn của chu trình nhận thức sáng tạo như đã phân tích trên, ta có thể đổi mới phương pháp dạy học theo hướng tích cực, tự lực hoá quá trình học tập của HS trong dạy học vật lý. Đặc biệt vật lý học là môn khoa học thực nghiệm, nên trong các giai đoạn của quá trình nhận thức không thể thiếu được các TN, vì vậy CNTT và các phương tiện hiện đại có khả năng hỗ trợ tốt cho các TN vật lý. Ta có thể cụ thể hoá vấn đề này như sau:
CNTT có thể hỗ trợ TN vật lý trong các trường hợp: - TN vật lý kết nối máy tính.
- Thiết kế TN ảo;
- Mô phỏng các hiện tượng, quá trình vật lý;
- Tăng cường tính trực quan trong các TN khó quan sát; 1.5.5.1. Sự hỗ trợ của CNTT đối với TN vật lý thực
Đối với TN vật lý thực, sự hỗ trợ của CNTT thường là sử dụng MVT có phần mềm tương thích nhận tín hiệu thông qua Bộ giao diện chuyển đổi được nối với bộ cảm biến hoặc Camera theo sơ đồ:Đối tượng đo
(TN ) Bộ cảm biến hoặc Camera Bộ giao diện chuyển đổi Máy vi tính và phần mềm Màn hình hiển thị
Nhờ đó mà MVT có thể thu thập số liệu thực nghiệm dưới nhiều dạng khác nhau, có thể ghi lại rất nhiều giá trị đo trong một thời gian ngắn. Những số liệu thu được có thể đồng thời ghi lên File dữ liệu và hiển thị lên màn hình theo đúng ý tưởng của GV. Trên cơ sở đó, MVT tiến hành xử lý số liệu theo yêu cầu của việc tổ chức các hoạt động nhận thức cho HS trong giờ lên lớp.
Ví dụ trong cơ học, Camera quan sát chuyển động kết hợp với phần mềm VideoCom Motion có thể ghi lại được toạ độ, vận tốc, gia tốc tại các thời điểm khác nhau. Khi đó MVT vừa làm nhiệm vụ của một máy đo vạn năng, vừa tiến hành thu thập, xử lý, lưu trữ hoặc hiển thị lên màn hình (số liệu, bảng số liệu, đồ thị, hình ảnh,..) với tốc độ xử lý nhanh và cho kết quả đúng thực tế của TN theo yêu cầu.
Như vậy, với thiết bị TN ghép nối với máy vi tính, ta có thể tự động thu thập số liệu thực nghiệm, lập bảng số liệu, vẽ đồ thị thực nghiệm. Sau khi ta nghiên cứu, phân tích số liệu và đồ thị thực nghiệm để dự đoán mỗi quan hệ có tính quy luật giữa các đại lượng trong hiện tượng, quá trình vật lý nghiên cứu, có thể nhờ máy tính kiểm tra dự đoán đó là đúng hay sai bằng cách so sánh đồ thị thực nghiệm và đồ thị của hàm số chuẩn.
TN được hỗ trợ bằng máy vi tính có một số ưu điểm sau:
- có tính trực quan cao hơn trong việc trình bày số liệu đo, hiển thị kết quả; - tiết kiệm thời gian thu thập và xử lý số liệu;
- cho phép thu thập nhiều bộ dữ liệu thực nghiệm trong thời gian rất ngắn; - độ chính xác của các số liệu đo được cũng như kết quả tính toán cuối cùng do
sử dụng các thiết bị hiện đại và phương pháp tính hiện đại; - tiết kiệm thời gian lắp đặt TN;
- để có thể sử dụng được các TN có ghép nối với thiết bị vi tính thì không đòi hỏi ở người sử dụng biết kiến thức đặc biệt về kĩ thuật vi tính và không cần biết về ngôn ngữ lập trình.
1.5.5.2. CNTT hỗ trợ việc mô phỏng các hiện tượng, quá trình vật lý và thiết kế TN ảo trong dạy học vật lý
a) Khái niệm mô phỏng
Theo từ điển tiếng Việt, mô phỏng là phỏng theo, lấy làm mẫu để tạo ra cái gì đó [từ điển tiếng việt].
Theo tác giả Phan Gia Anh Vũ, mô phỏng là quá trình thiết kế một mô hình của một hệ thống thực và thực hiện thao tác với mô hình đó nhằm mục đích tìm hiểu về hoạt động của hệ thống[69].
Một số tác giả khác cho rằng: mô phỏng là một phương pháp nghiên cứu về đối tượng, hệ thống thực thông qua mô hình của nó. Mô phỏng còn là việc tiến hành nghiên cứu toàn bộ các quá trình liên quan tới việc xây dựng mô hình hệ thống và nghiên cứu hệ thống [84].
Theo tác giả Trần Huy Hoàng, mô 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 đó thì sẽ làm xuất hiện các thuộc tính bên trong từng đối tượng hay mối quan hệ giữa các đối tượng đó [22].
Như vậy theo chúng tôi, có thể hiểu mô phỏng là việc thiết kế một mô hình của một đối tượng (hoặc hệ thống đối tượng) được tạo ra trên máy vi tính. Mô hình này mang đầy đủ các thuộc tính của đối tượng (hay hệ thống đối tượng) để nó có thể vận hành theo đúng như quá trình thực; hoặc có thể tác động lên các nó thì các thuộc tính bên trong của đối tượng (hoặc hệ thống đối tượng) sẽ xuất hiện.
b) TN mô phỏng
Theo Trần Huy Hoàng, TN mô phỏng là các TN được xây dựng từ các dụng cụ và đối tượng mô phỏng trên cơ sở các đối tượng thực[22].
Theo chúng tôi, TN mô phỏng là một hình thức mô phỏng mà có thể tác động lên nó để làm xuất hiện các thuộc tính hoặc quá trình biến đối của nó phù hợp với các quy luật như trong TN thực.
Ví dụ, khi dạy học về mắt, ta có thể sử dụng thí nghiệm mô phỏng về sự điều tiết của mắt để dạy học quá trình này. Với thí nghiệm này, HS thấy được, mắt có thể nhìn được các vật đặt trong khoảng từ điểm cực cận tới điểm cực viễn và ảnh của vật luôn nằm trên màng lưới; khi vị trí vật thay đổi thì độ cong của thuỷ tinh thể thay đổi. Thí nghiệm thật không quan sát được sự thay đổi này.
Hình 1.4: Quá trình điều tiết của mắt c) TN ảo
Theo Vũ Trọng Rỹ, TN ảo là loại sản phẩm đa phương tiện (Multimedia), một loại phần mềm dạy học mô phỏng TN về hiện tượng, quá trình vật lý, hoá học, sinh học,.. nào đó xảy ra trong tự nhiên hoặc trong phòng TN được tạo ra bởi sự tích hợp các dữ liệu dạng số trên máy vi tính, có khả năng tương tác với người dùng và có giao diện thân thiện với người dùng [41].
Theo tác giả Lê Công Triêm, TN ảo là TN tồn tại thực trong môi trường ảo do máy vi tính tạo ra. TN ảo đó là các dụng cụ TN ảo, các đối tượng ảo như thực được tạo ra trong môi trường ảo của máy vi tính.
Theo chúng tôi, TN ảo cũng là một loại TN mô phỏng nhưng các đối tượng, thiết bị, các dụng cụ được sử dụng trong đó rất giống hoặc gần giống với các đối tượng, dụng cụ,.. trong thực tế. Mặt khác khi ta thao tác trên các đối tượng ảo đó sẽ thu được các kết quả như trong TN thực.
Thiết kế một TN ảo như thế nào là tuỳ vào từng TN, tuỳ vào ý tưởng sư phạm của mỗi giáo viên. Tuy nhiên có thể đưa ra một số bước chung trong quá trình thiết kế một TN ảo như sau:
- Xây dựng phương án TN.
- Tạo một không gian làm việc riêng cho TN (nếu cần); - Đưa các thiết bị từ kho thiết bị vào không gian làm việc; - Sắp xếp, lắp ráp các thiết bị theo sơ đồ thích hợp;
- Thiết lập các thuộc tính cần thiết cho đối tượng;
- Kiểm tra lại sơ đồ, tiến hành TN, quan sát đo đạc từ đó lựa chọn các thông số cần thiết cho mỗi thiết bị;
Một số đặc điểm của TN ảo:
- Có khả năng nén, dãn về thời gian giúp cho việc quan sát các hiện tượng được dễ dàng;
- Thể hiện được phần lớn vai trò của TN, TN thực hành thực.
- Bổ sung những bài TN, TN thực hành chưa có hay cho những nội dung mà TN, TN thực hành thực không thể hiện được.
- Khắc phục những khó khăn về cơ sở vật chất cho các bài TN, TN thực hành thực. - Có thể làm TN, TN thực hành ở mọi lúc, mọi nơi. Điều này tạo điều kiện cho hoạt động tự học, phát huy tính tích cực học tập của HS.
- Khá giống thật, khả năng thành công cao, tính trực quan cao; - Thời lượng chuẩn bị của giáo viên nhanh, dễ sử dụng;
- Là giải pháp khả thi sử dụng trong các hình thức học tập mới như dạy học từ xa, đào tạo dựa trên máy tính, đào tạo dựa trên công nghệ web; học điện tử,…
Một số trường hợp nên sử dụng TN ảo:
- Không có khả năng thực hiện TN thật trong điều kiện của nhà trường;
- Thực hiện TN thực sẽ gây nguy hiểm (phóng xạ, TN phải sử dụng hoá chất độc,…); - Mô tả các hiện tượng, quá trình rất hiếm, ở rất xa hoặc trong điều kiện thường không thể quan sát trực tiếp được (hệ hô hấp, tuần hoàn của con người, bản chất sự điều tiết của mắt,…);
- Các hiện tượng, quá trình xảy ra quá nhanh hoặc quá chậm;
- TN thật không hỗ trợ tốt cho việc tổ chức quá trình nhận thức vật lý của HS một cách tích cực, tự lực và sáng tạo;
Một số hạn chế của TN ảo:
Bên cạnh những ưu điểm nêu trên, do TN ảo chỉ là sự mô phỏng của TN thực do vậy, TN ảo có những hạn chế nhất định, cụ thể là:
- Khó hình thành thao tác chân tay mà chủ yếu là phát triển kỹ năng thao tác trí tuệ. - Nếu không được thiết kế tốt, sẽ có sự sai khác lớn về giao diện so với bài TN thực. - Không thể thay thế hoàn toàn bài TN thực.
- Sự cảm nhận về trực giác không tồn tại trong TN ảo.
Để khắc phục các nhược điểm trên, nên có sự phối hợp tốt giữa TN ảo và TN thực. 1.5.5.3. CNTT với vấn đề tăng cường tính trực quan của các TN thực khó quan sát
- Có thể sử dụng phối hợp máy chiếu vật thể, máy chiếu đa chức năng để HS quan sát các đối tượng TN một cách rõ ràng hơn.
- Có thể sử dụng kết hợp giữa camera và MVT, thực hiện các Video clip để cho HS quan sát các TN phức tạp khó thực hiện, hoặc các hiện tượng vật lý xảy ra trong tự nhiên.
1.5.5.4. Sử dụng các mô phỏng và TN ảo trong dạy học vật lý
Có thể sử dụng TN ảo để mô phỏng các TN minh hoạ (TN biểu diễn của giáo viên), TN trực diện, TN thực hành của học sinh khi dạy trên lớp. Có thể sử dụng TN ảo trong tất cả các giai đoạn của quá trình dạy học như: tổ chức tình huống học tập, xây dựng kiến thức mới, vận dụng kiến thức…Trong đó đặc biệt hiệu quả khi mô phỏng các hiện tượng vi mô hoặc siêu vĩ mô mà TN thật không làm nổi hoặc không thể quan sát được.
Có thể mô phỏng các bài TN thực hành của từng cá nhân học sinh hoặc theo nhóm. Sự mô phỏng này có thể có tính tương tự khá cao so với các TN thực hành thật, kể cả vấn đề sai số hoặc sự cố ảo…
Có thể tạo ra các máy đo ảo kết nối với các thiết bị thật trong các TN định lượng và cho kết quả có độ chính xác cao.
Có khả năng giao tiếp thân thiện với người dùng, không chỉ quan sát thụ động