1.4.1. Thí nghiệm ảo.
Thí nghiệm ảo dựa vào một số phần mềm dạy học vì thế người giáo viên có thể căn cứ vào các loại thí nghiệm và kiến thức về phần mềm của mình để
lựa chọn môi trường làm việc phục vụ mục đích của mình, môi trường ở đây
chính là các phần mềm dạy học (PMDH).
1.4.1.1. Khái niệm phần mềm dạy học
Phần mềm dạy học (PMDH) là phương tiện chứa chương trình để ra lệnh
cho máy tính thực hiện các yêu cầu về nội dung và phương pháp dạy học theo
các mục tiêu đã định.
Khác với các phương tiện dạy học khác, PMDH là một dạng vật chất đặc
biệt [4], là các câu lệnh chứa thông tin, dữ liệu để hướng dẫn máy vi tính thực
hiện các thao tác xử lý theo một thuật toán xác định từ trước. Các PMDH được lưu trữ trong các thiết bị nhớ ngoài của máy vi tính như trong các đĩa
cứng, đĩa mềm, đĩa CD.PMDH rất gọn nhẹ, rất dễ nhân bản với số lượng lớn,
không cồng kềnh, dễ bảo quản, dễ vận chuyển, dễ sử dụng, sinh động và hấp
dẫn. Tuỳ thuộc vào từng môn học cụ thể mà xây dựng các PMDH tương ứng để phục vụ cho dạy và học môn đó, do vậy có các PMDH bộ môn. Tuỳ thuộc
phân chia các PMDH thành các loại khác nhau. Trong dạy học Vật lí có thể
phân chia các PMDH thành các nhóm sau:
- Phần mềm mô phỏng, minh họa: thường gọi là phần mềm mô phỏng.
- Phần mềm xử lý các số liệu thực nghiệm dùng hỗ trợ cho các thí
nghiệm Vật lí: thường gọi là phần mềm hỗ trợ thí nghiệm Vật lí.
- Phần mềm ôn tập, tổng kết, hệ thống hoá kiến thức của từng phần, từng chương trong sách giáo khoa.
- Phần mềm kiểm tra, đánh giá kiến thức của học sinh.
Các PMDH có thể được sử dụng ở mọi chức năng lý luận dạy học của
quá trình dạy học. Có thể sử dụng phần mềm trong các giai đoạn sau:
+ Nêu vấn đề nghiên cứu, gợi động cơ học tập tích cực cho học sinh,
củng cố trình độ kiến thức và kỹ năng xuất phát.
+ Trình bày nội dung mới.
+ Ôn tập các nội dung đã học.
+ Luyện tập, củng cố kỹ năng, rèn luyện kỹ xảo cho học sinh.
+ Kiểm tra kiến thức học sinh.
1.4.1.2. Những yêu cầu chung đối với phần mềm dạy học
Đối tượng sử dụng các PMDH chính là giáo viên và học sinh, do vậy để PMDH phát huy được hiệu quả nó phải đảm bảo những yêu cầu nhất định sau
[9]:
· Yêu cầu về mặt sư phạm
- Các thông tin mà PMDH đề cập đến phải phù hợp với nội dung dạy học
mà phần mềm dạy học đó đảm nhận. Phần mềm phải có phần giới thiệu để chỉ ra cho người dùng biết phạm vi sử dụng của nó. Cụ thể là: phần mềm dùng để
dạy chương nào, bài nào trong chương trình Vật lí; phần mềm được sử dụng vào giai đoạn nào của quá trình dạy học, được sử dụng để nêu vấn đề nghiên cứu, để cung cấp tri thức mới, để ôn tập tổng kết hay dùng để kiểm tra kiến
thức học sinh. Các thông tin chứa đựng trong chương trình phải phù hợp với
- Nội dung dạy học chứa đựng trong chương trình phải bảo đảm tính
chính xác khoa học. Các văn bản, biểu đồ, đồ thị phải chính xác. Văn phong
trình bày phải rõ ràng, trong sáng, cô đọng, dễ hiểu.
- Các PMDH phải giúp tăng cường tính trực quan. Nội dung trình bày trên màn hình máy vi tính phải rõ ràng, lượng thông tin trình bày phải vừa đủ, không đưa ra quá nhiều văn bản dài dòng hay các hình vẽ, sơ đồ quá phức tạp
dễ gây nhiễu đối với người học. Cần sử dụng khéo léo các màu sắc, kích thước hình vẽ, kích cỡ của văn bản để định hướng và điều khiển được sự quan
sát chú ý của học sinh.
- Các PMDH phải phù hợp với chức năng dạy học mà nó đảm nhận. Tốt
nhất là với mỗi phần mềm dạy học nên có phần hướng dẫn, gợi ý cách thức sử
dụng vào dạy học để giáo viên và học sinh dễ sử dụng. Có thể xây dựng các
PMDH phục vụ cho từng chức năng dạy học riêng rẽ.
- Các PMDH phải phù hợp với trình độ tin học của giáo viên và học sinh. Thông thường các giáo viên Vật lí sử dụng máy vi tính để làm công cụ, phương tiện trong khi giảng dạy, còn học sinh thì được học một số kiến thức
nhất định về tin học cho nên họ không phải là những người thật giỏi về tin
học. Để cho PMDH dễ sử dụng thì cần khai thác tối đa các khả năng giao tiếp người - máy thông qua bàn phím (keyboard), chuột (mouse), phím nóng
(hotkey), biểu tượng (icon), bảng chọn (menu).
- Tăng cường được khả năng tự học của học sinh. Trong một chừng mực
nhất định thì các PMDH có thể đóng vai trò là người thầy giáo để hướng dẫn
học sinh học tập. Các PMDH có thể dùng để cho học sinh tự học tập ở nhà hoặc học tập không có sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên. Một PMDH tốt
nếu như nó chứa đựng các nội dung, các yếu tố kích thích được khả năng tự
học của học sinh.
- Các PMDH phải phù hợp với tâm sinh lý lứa tuổi học sinh, bảo đảm vệ
màn hình, đến màu sắc thể hiện cũng như âm thanh mà phần mềm mang lại cho người sử dụng.
- Đặc biệt, PMDH phải được xây dựng sao cho hỗ trợ quá trình tổ chức
hoạt động nhận thức tích cực, tự lực và sáng tạo của học sinh theo lí luận dạy
học hiện đại.
· Các yêu cầu về kỹ thuật
- Trước hết là các yêu cầu về mặt lựa chọn công cụ. Một PMDH là sản
phẩm của sự phối hợp khả năng lập trình tốt của nhà tin học với những kiến
thức về mặt sư phạm của người giáo viên Vật lí. Nếu người giáo viên Vật lí
có khả năng lập trình trên máy vi tính để viết nên các PMDH thì tốt nhất. Bởi
vì khi đó người giáo viên sẽ chủ động thiết kế chương trình theo đúng ý đồ tổ
chức thi công bài giảng và do vậy khi vận dụng vào giảng dạy sẽ phát huy được hiệu quả của phần mềm này ở mức độ cao.
- Có những hệ mềm dạy học không cần dùng ngôn ngữ lập trình chuyên biệt, ví dụ như hệ tác giả (AuthorSystem), giáo viên có thể sử dụng các phần
mềm này để viết các bài giảng trên máy vi tính mặc dù khả năng lập trình máy tính của các giáo viên này là không cao. Nhờ hệ tác giả mà giáo viên
phát huy được năng lực sư phạm của mình để thể hiện trong bài giảng của
mình thông qua PMDH do chính họ xây dựng lên.
- Các PMDH phải có độ linh hoạt cao. Yêu cầu này thể hiện ở chỗ PMDH cho phép người sử dụng có thể thay đổi những thông số của chương
trình một cách dễ dàng để giải quyết một nội dung học tập hay một bài tập
mới. Một PMDH sẽ trở thành mềm dẻo nếu như nó cho phép lựa chọn những
chế độ làm việc khác nhau trên các thế hệ máy khác nhau hay trên các hệ điều
hành khác nhau.
- Yêu cầu về tổ chức quản lý, tìm kiếm và truy cập thông tin. Khi sử
dụng PMDH trong giảng dạy và học tập thì thông thường người dùng phải tìm kiếm thông tin, truy cập đến kho dữ liệu để lấy các thông tin cần thiết phục vụ
mục đích sử dụng của mình. Để giải quyết tốt nhu cầu này thì đòi hỏi việc tổ
chức quản lý thông tin trong các phần mềm phải thật khoa học.
- Yêu cầu về sự ổn định của các phần mềm. Khi sử dụng thì người dùng có thể bấm các phím ngoại lai ngoài ý muốn của người lập trình. Do vậy, người lập trình phải dự kiến được những khả năng này để đưa vào chương
trình sao cho tránh được hiện tượng "treo máy" khi chạy chương trình, hoặc không tương thích, bảo đảm chương trình chạy ổn định.
- Yêu cầu cuối cùng đối với các phần mềm dạy học là tính dễ sử dụng.
Trong phần mềm cần đưa vào các phím nóng (hotkey), các phím tổ hợp, cho
phép sử dụng thiết bị chuột để người dùng có thể dễ dàng thực hiện các lệnh
và truy cập thông tin.
1.4.2. Vai trò thí nghiệm ảo trong dạy học vật lí.
Trong Vật lí, có những quá trình xảy ra quá nhanh hoặc xảy ra trong
không gian rộng khó quan sát, khó đo đạc bằng các phương tiện, các thiết bị đo thông thường trong phòng thí nghiệm (ví dụ như chuyển động rơi tự do,
chuyển động ném xiên hay chuyển động của tên lửa phóng khỏi bệ...) thì việc
nghiên cứu chúng ở trường phổ thông (cả ở trường Đại học) là hết sức khó khăn.[4].
Để giải quyết các khó khăn đó người ta có thể sử dụng một số cách sau:
+ Sử dụng máy vi tính để mô phỏng chúng bằng các phần mềm và tính toán theo công thức, thu được kết quả nhanh.
+ Phương pháp đánh tia lửa điện trên các băng giấy chuyên dụng.
+ Dùng các cửa chắn quang điện.
+ Hay phương pháp chụp ảnh hoạt nghiệm...
Và lẽ dĩ nhiên ở các trường THPT vì nhiều lý do mà giáo viên ngại làm thí nghiệm tại phòng, sợ rủi ro khi làm, việc chuẩn bị bài giảng mất nhiều thời
gian, di chuyển thiết bị thí nghiệm phức tạp nên người ta thường chọn cách nhờ các lập trình viên sử dụng phần mềm mô phỏng thí nghiệm và kết quả
đánh tia lử điện vào băng giấy để ghi và đo trên băng giấy, chụp ảnh hoạt
nghiệm cũng ít đựơc dùng vì khó thực hiện và kết quả không chính xác lắm
trong những khoảng thời gian cố định bằng nhau (phương pháp đánh tia lửa điện và phương pháp chụp ảnh hoạt nghiệm).
Tuy nhiên ta nhận thấy nếu để máy tính làm hoàn toàn thí nghiệm thì học sinh sẽ cảm thấy mất đi một phần ý nghĩa của giờ học Vật lí và niềm tin
với môn Vật lí không còn, vì học sinh nghĩ đơn giản đó là các hiện tượng máy
tính mô phỏng và tính toán thì đương nhiên là cho kết quả đúng rồi. Hiện tượng Vật lí không mang ý nghĩa thực tế nữa. Còn nếu như phương pháp đánh
tia lửa điện thì một bộ phận học sinh thấy lo sợ khi làm thí nghiệm vì cảm
thấy nguy hiểm, hơn nữa tia lửa điện trong không khí cũng có đường đi bất thường nên kết quả sợ không chính xác. Còn chụp ảnh hoạt nghiệm thì thiết bị quá đắt nên ít được trang bị. Như vậy các thiết bị sử dụng theo phương pháp
trên có nhiều nhược điểm trong quá trình dạy học tại các trường phổ thông
hiện nay, phương pháp tiến hành dưới dạng thí nghiệm minh hoạ là phổ biến. Để khắc phục các hạn chế kể trên, phương pháp phân tích các băng hình nhờ máy vi tính và các phần mềm tương ứng được sử dụng. Lợi thế của phương pháp này là hiện tượng được biểu diễn bằng thí nghiệm thật và hình
ảnh được ghi lại nhờ vào camera cùng với các thì kế hiện số, các cửa chắn quang điện.
Trong chục năm gần đây, nhiều phần mềm phân tích băng hình của nước ngoài và trong nước đã được xây dựng, ví dụ như: Videipoint, CUPLE (Mỹ), DIVA (Đức), Galileo (Đức), phân tích Video (Việt Nam)... và những sản phẩm đó đã được sử dụng rất nhiều trong các trường học đặc biệt ở các nước phát
triển như Mỹ, Đức ...
Khi dùng phương pháp phân tích các băng hình nhờ máy vi tính, đã giúp ích rất nhiều cho việc phân tích các hiện tượng Vật lí xảy ra rất nhanh nếu
dùng mắt thường ta không thể quan sát được, giúp cho việc xử lý số liệu, vẽ đồ thị, tính toán đưa ra quy luật một cách nhanh chóng hơn.
Và hơn cả là việc chúng ta dùng việc xử lý các băng hình quay thí nghiệm để củng cố kiến thức, để rèn luyện kĩ năng thí nghiệm cho học sinh trong thực hành, để học sinh được thực hành nhiều lần mà không cần phải
ngồi tại phòng thực hành. Đó chính là phương pháp phân tích băng hình rồi
dùng phần mềm Flash MX lập trình thành phần mềm thí nghiệm ảo hỗ trợ cho
thực hành Vật lí.
Khi sử dụng phương pháp này, giáo viên sẽ đạt được kết quả sau: - Cho phép nghiên cứu bằng thực nghiệm (thí nghiệm tiến hành dưới
dạng khảo sát) các quá trình Vật lí thực tạo ra trong phòng thí nghiệm hay xảy
ra trong cuộc sống hàng ngày.
- Các quá trình Vật lí thực có thể dễ dàng quan sát tại bất kì thời điểm nào, góc độ nào và quán sát nhiều lần trên màn hình với các mục đích khác
nhau.
- Việc thu thập số liệu nhờ phần mềm hoàn toàn dễ dàng, nhanh chóng
và tương đối chính xác.
- Việc phân tích, xử lý các số liệu thu thập được (tính toán, lập bảng,
biểu diễn các mối quan hệ trên đồ thị, ...) cũng như việc trình bày kết quả xử
lý là hoàn toàn dễ dàng, chính xác, nhanh chóng và đẹp.
- Phạm vi các quá trình Vật lí được nghiên cứu rộng hơn, không những
các thí nghiệm ta có thể làm được ở thực tế cuộc sống bên ngoài mà các thí nghiệm chỉ làm trong một điều kiện là phòng thí nghiệm (chuyển động của
tên lửa bay tử bệ phóng, chuyển động của các vận động viên nhảy xa, nhảy
cao, nhảy cầu bơi, tia X, dòng điện trong môi trường: tia lửa điện, ...). Ưu điểm này tạo điều kiện xoá bỏ sự ngăn cách giữa nhà trường và thế giới bên
ngoài, cho phép đưa các hiện tượng có trong thực tiễn, trong đời sống sinh
hoạt hàng ngày vào bài giảng, gây hứng thú học tập cho học sinh.
- Cùng một khối lượng nội dung nghiên cứu thì thời gian cần thiết trong phương pháp này mất rất ít so với các phương pháp khác, do tất cả các thao
tính tự động thực hiện. Học sinh được giải phóng khỏi các công việc máy móc
(cộng, trừ, nhân, chia, điền các con số vào bảng hay đánh dấu các trục toạ độ để vẽ đồ thị, ...). Do đó họ dành được nhiều thời gian cho các hoạt động quan
trọng hơn như thiết kế phương án thí nghiệm, tìm hiểu mối quan hệ giữa các đại lượng, ...
1.4.3. Những yêu cầu chung đối với thí nghiệm Vật lí ảo.
Thí nghiệm ảo là một loại phần mềm dạy học về một hiện tượng, quá
trình Vật lí, Hoá học, Sinh học, … nào đó xảy ra trong tự nhiên hoặc trong
phòng thí nghiệm, được tạo ra bởi sự tích hợp các dữ liệu dưới dạng số trên
máy tính; người dùng có khả năng tương tác với thí nghiệm ảo (nhằm hỗ trợ
dạy học theo các quan điểm khác nhau) và có giao diện thân thiện với người
dùng [5].
- Thí nghiệm ảo là một sản phẩm đa phương tiện (multimedia).
- Thí nghiệm ảo là một loại phương tiện dạy học.
· Ưu điểm của thí nghiệm ảo so với các loại phương tiện dạy học khác.
- Có khả năng “nén”, “giãn” thời gian.
- Ít phụ thuộc vào không gian.
- Với kỹ thuật cao thí nghiệm giống như thật, do đó đạt hiệu quả sư phạm cao.
- Chuẩn bị nhanh.
- Bảo trì đơn giản.
- Có khả năng tương tác với người dùng.
- Có thể khắc phục được những nhược điểm của thí nghiệm truyền thống.
· Các yêu cầu sư phạm đối với thí nghiệm ảo
Thí nghiệm ảo cũng là một loại phần mềm dạy học nên chúng có những yêu cầu sư phạm sau:
- Phù hợp với nội dung, chương trình môn học (cả dung lượng và chiều sâu kiến thức).
- Bảo đảm tính trực quan.
+ Hình ảnh các đối tượng phải đủ lớn để người học dễ quan sát.
- Đảm bảo giao diện thân thiện với người dùng. - Đảm bảo tính thẩm mỹ, hấp dẫn.