1.4 .Phương pháp mơ hình
1.4.2 .Tính chất của mơ hình
Vật lí học là ngành khoa học nghiên cứu những dạng vận động đơn giản nhất của các dạng vật chất và tương tác giữa các dạng vật chất đó vì các dạng vật chất chuyển động và tương tác lại tồn tại trong hệ vật chất bất kì nên Vật lí học là cơ sở của khoa học tự nhiên.
Với tư cách là một hệ thống phản ánh những thuộc tính của đối tượng u cầu một mơ hình có những tính chất sau:
- Tính chất tương tự với “vật gốc”: sự tương tự đó có thể là đồng cấu hoặc đẳng cấu. Sự tương tự có thể là sự tương tự về cấu trúc, cũng có thể là sự tương tự về chức năng.
- Tính đơn giản: thực tế khách quan là vơ cùng đa dạng và phong phú, nhưng mơ hình chỉ phản ánh một mặt nào đó của thực tế. Nhiều khi một thực thể khách quan phải dùng đến nhiều mơ hình để phản ánh. Trong khi xây dựng mơ hình, ta phải thực hiện các thao tác trừu tượng hóa, khái quát hóa. Những thao tác ấy bao giờ cũng dẫn đến một sự đơn giản hóa, chỉ giữ lại những thuộc tính và những mối liên hệ bản chất. Mặt khác, cũng nhờ tính đơn giản của mơ hình mà nhà nghiên cứu có thể nắm chắc những vấn đề cơ bản nhất của thực tế khách quan, khái quát hóa chúng rút ra được những quy luật một cách sáng rõ và tránh được sự nhầm lẫn.
- Tính trực quan: một số mơ hình dễ dàng nhận biết được bằng các giác quan trong khi việc quan sát trên vật thật có khi gặp khó khăn. Tính trực quan cũng thể hiện ở chỗ ta đã vật chất hóa những tính chất, những quan hệ không thể trực tiếp tri giác được như: quy luật chuyển động được biểu diễn bằng đồ thị vận tốc; lực hút, lực đẩy giữa các phần tử được biểu hiện trên mơ hình bẵng các gạch nối đậm hay mảnh. Tính trực quan cịn được mở rộng trong
sánh với một hiện tượng thực tế khác mà ta có thể tri giác bằng các giác quan được như mơ hình chiếu vật chuyển động tròn đều trên đường thẳng nằm trong mặt phẳng quỹ đạo so sánh với vật dao động điều hịa.
- Tính quy luật riêng: khi xây dựng mơ hình, người ta dùng một hệ thống để mơ tả một số đặc tính của vật gốc mà ta chưa biết đầy đủ. Hệ thống dùng vật để thay thế vật gốc đó tuân theo những quy luật mà ta đã biết rõ gọi là những quy luật riêng của mơ hình.
- Tính lí tưởng: một mơ hình phải xuất phát từ thực tế, phản ánh thực tiễn. Nhưng khi mơ hình hóa một vật, một mối quan hệ nào đó, ta thực hiện trừu tượng hóa, khái qt hóa, phản ánh các đặc tính của vật thể, loại bỏ các nhiễu trong nhận thức, tức là mơ hình có tính lí tưởng.
Khơng có mơ hình nào giống hệt thực tiễn bởi nếu mơ hình giống thực tiễn khách quan, nó khơng cịn tính cách là một vật đại diện, thay thế nữa và thực tế cũng khơng thể làm được điều đó. Tính lí tưởng của mơ hình càng cao thì mơ hình càng khái quát và càng giúp ta nhận thức được những nét chung nhất của hiện tượng và bao trùm được một số càng lớn hiện tượng. Nhưng càng khái qt, càng có tính lí tưởng cao thì khi sử dụng mơ hình để nghiên cứu thực tế càng gặp nhiều khó khăn vì ta phải bổ sung vào cấu trúc chung của mơ hình rất nhiều yếu tố cụ thể phù hợp với đối tượng nghiên cứu.
1.4.3. Các loại mơ hình sử dụng trong dạy học Vật lí
- Mơ hình vật chất là mơ hình bằng vật thể trên đó phản ánh những tác
động cơ bản về mặt hình học, vật lí học, động lực học, chức năng học của đối tượng nghiên cứu. Loại mơ hình này chỉ sử dụng ở giai đoạn thấp của quá trình nhận thức, khi cần hình thành những biểu tượng hoặc thu thập những kiến thức có tính chất kinh nghiệm.
- Mơ hình lí tưởng hay mơ hình lí thuyết là những mơ hình trừu tượng trên đó về ngun tắc người ta chỉ áp dụng những thao tác tư duy lí thuyết.
khác nhau bao gồm: mơ hình kí hiệu (cơng thức tốn, mơ hình đồ thị, mơ hình logic tốn,..); mơ hình biểu tượng – là dạng trừu tượng nhất của mơ hình lí tưởng, những mơ hình trừu tượng khơng tồn tại trong khơng gian, trong thực tế mà chỉ có trong tư duy của ta.
Cơ sở lí thuyết của phương pháp mơ hình là lí thuyết tương tự [4]: Kết luận rút ra từ suy luận tương tự chỉ có tính chất là một giả thuyết, là nguồn gốc tri thức mới. Giả thuyết đó chỉ trở thành chân lí khoa học khi chúng được kiểm tra và xác nhận bằng thực nghiệm.
1.4.4. Các giai đoạn của phương pháp mơ hình
Trong vật lí, phương pháp mơ hình nói chung có bốn giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Nghiên cứu những tính chất gốc của đối tượng. Bằng quan sát thực nghiệm, người ta xác định được một tập hợp những tính chất của đối tượng yêu cầu. Giai đoạn này được coi là tập hợp các sự kiện ban đầu làm cơ sở để xây dựng mơ hình.
Giai đoạn 2: Xây dựng mơ hình. Người ta xây dựng một mơ hình sơ bộ, chưa đầy đủ. Mơ hình này chỉ mới có trong óc người nghiên cứu. Trong giai đoạn này, trí tưởng tượng và trực giác giữ một vai trị hết sức quan trọng. Nó giúp người nghiên cứu rút ra những thuộc tính căn bản, những mối quan hệ cần thiết để tạo ra hình mẫu trong tư duy. Người ta thường đối chiếu mơ hình trong tư duy với những vật, những hiện tượng mà người ta quen biết.
Giai đoạn 3: Thao tác trên mơ hình, suy ra hệ quả lí thuyết. Người ta áp dụng các phương pháp lí thuyết hoặc thực nghiệm khác nhau tác động lên mơ hình và thu được kết quả và các thông tin mới.
Giai đoạn 4: Thực nghiệm kiểm tra. Thực tiễn là tiêu chuẩn để kiểm nghiệm những sản phẩm của tư duy. Bản thân mơ hình là một sản phẩm của nhận thức nên cần phải kiểm tra sự đúng đắn của nó bằng cách đối chiếu kết quả thu được từ mơ hình với những kết quả thu được từ đối tượng gốc. Những mơ hình đã được kiểm nghiệm trong thực tế là những mơ hình phản ánh một
số mặt của thực tế khách quan. Nó có thể bị thay đổi, hồn chỉnh thêm hoặc bị bác bỏ khi người ta thêm những thơng tin chính xác hơn về đối tượng.
1.4.5. Phương pháp mơ hình trong dạy học vật lí
Trong nghiên cứu vật lí, mơ hình và phương pháp mơ hình có chức năng nhận thức, nó giúp ta phát hiện những đặc tính mới, hiện tượng mới, quy luật mới.Nếu xem xét quá trình học tập của học sinh dưới góc độ một hoạt động nhận thức thì mơ hình cũng có chức năng như trong nghiên cứu vật lí.
Trong khi dạy học, nhiều học sinh không đủ khả năng xây dựng mô hình để thay thế vật gốc nhưng giáo viên có thể sử dụng mơ hình để thay thế với mục đích sư phạm như một phương tiện trực quan nhằm làm cho học sinh hiểu rõ một vấn đề nào đó. Mơ hình vật chất có tác dụng rất quan trọng trong dạy học vật lí vì nó có thể giúp học sinh hiểu được những hiện tượng không quan sát trực tiếp được. Các mơ hình lí tưởng tuy rất có tác dụng trong hoạt động nhận thức nhưng nhiều khi đòi hỏi ở học sinh một tư duy trừu tượng cao, một cơ sở thực nghiệm phong phú và kinh nghiệm bản thân dồi dào mới có thể xây dựng được các mơ hình.Thơng thường thí học sinh khơng thể làm được việc này, tính tự lực của học sinh bị hạn chế.
1.5. Một vài nét về phần mềm Matlab
1.5.1. Matlab và đặc điểm của Matlab
Matlab là sản phẩm của công ty phần mềm MathWorks của Hoa Kỳ, có thể chạy được dưới nhiều hệ điều hành, trên nhiều loại máy tính, từ các máy vi tính đến các siêu máy tính. Đây là phần mềm để giải các bài toán khoa học, kỹ thuật, kinh tế và tài chính trên máy tính một cách dễ dàng và tiện lợi. MatLab là phần mền thương mại lớn, nó đã được sử dụng rộng rãi tại nhiều trường đại học, viện nghiên cứu trong nước và trên thế giới. Matlab hết sức tiện lợi khi cần tính tốn và xử lý trên các đối tượng có cấu trúc ma trận, là một ngơn ngữ bậc cao, có số lượng các hàm trong và ngoài rất lớn cho phép viết chương trình rất ngắn, dễ lập trình. Luận văn này chỉ đề cập đến một khía
cạnh cụ thể của Matlab ứng dụng trong giáo dục. Đó là khả năng tạo các giao diện đồ họa
Khi sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab, ta có thể dễ dàng nhận thấy những đặc điểm chính sau của ngơn ngữ lập trình này:
- Dễ xử lý các cấu trúc ma trận thực và phức, các xâu ký tự.
- Có thể xử lý các biểu thức tốn và dễ dàng kết hợp với các tính tốn số. - Khả năng đồ hoạ mạnh và dễ dàng kết hợp với các tính tốn số.
- Số lượng các hàm rất lớn,chúng ln hồn thiện, bổ sung và phát triển. - Cho phép ghép nối với các hàm viết bằng ngôn ngữ C và Fortran. - Có thể dịch để chạy độc lập ngồi môi trường MatLab.
- Dễ phát triển các ứng dụng trên các lĩnh vực khoa học và công nghệ riêng. So sánh MatLab với các ngơn ngữ lâp trình khác, ta có thể thấy do dễ lập trình và chương trình ngắn nên hiệu suất lập trình cao hơn hẳn so với khi viết chương trình bằng Basic, Pascal, Fortran, C. Mặt khác,Matlab có thể làm việc được ở cả 2 chế độ:
- Chế độđối thoại: cho các bài tốn có cấu trúc ngắn, đơn giản và chỉ
chạy một lần.
- Chế độ lập trình: cho các bài tốn có cấu trúc lớn, phức tạp.
1.5.2. Một số câu lệnh cơ bản dùng trong Matlab
Các lệnh cơ bản dùng trong Matlab có thể kể đến là:
Lệnh Clear: Xóa tất cả các biến trong bộ nhớ Matlab Lệnh clc: Lệnh xóa cửa sổ lệnh (command window) Lệnh pause: Chờ sự đáp ứng từ phía người dùng Lệnh =: lệnh gán
Lệnh %: câu lệnh sau dấu này được xem là dịng chú thích Lệnh input: lệnh lấy vào một giá trị.
Ví dụ: x = input(‘Nhap gia tri cho x:’);
Lệnh Save: Lưu biến vào bộ nhớ
Ví dụ: Save test A B C (lưu các biến A, B, C vào file test)
Lệnh Load: load biến từ file hay bộ nhớ
Ví dụ: Load test Lệnh Rẽ nhánh: cú pháp như sau Lệnh If: IF expression statements ELSEIF expression statements ELSE statements END Lệnh Switch: SWITCH switch_expr CASE case_expr, statement,..., statement
CASE {case_expr1, case_expr2, case_expr3,...} statement,..., statement ... OTHERWISE, statement,..., statement END Lệnh lặp: cú pháp như sau: Lệnh For:
FOR variable = expr, statement,..., statement END
statements END
Lệnh Break: Thoát đột ngột khỏi vòng lặp WHILE hay FOR.
Lệnh Continue: Bỏ qua các lệnh hiện tại, tiếp tục thực hiện vòng lặp ở
lần lặp tiếp theo.
Lệnh Return: lệnh trả về Lệnh clf: xóa hình hiện tại
Lệnh plot(signal): vẽ dạng sóng tín hiệu signal
Lệnh stairs(signal): vẽ tín hiệu signal theo dạng cầu thang. Lệnh stem(signal): vẽ chuỗi dữ liệu rời rạc
Lệnh bar(signal): vẽ dữ liệu theo dạng cột
Lệnh mesh(A): hiển thị đồ họa dạng 3D các giá trị ma trận
1.5.3. Ứng dụng Matlab xây dựng mô hình vật lí trong giảng dạy
Khi xây dựng các mơ hình vật lý học phục vụ cho cơng tác giảng dạy tại trường Trung học phổ thông cần phải dựa trên nhiều tiêu chí như tính khả thi. Các đối tượng, khái niệm, quy luật vận động của thực thể vật lý rất phong phú, hình thức thể hiện đa dạng và nhìn chung là có độ khó khác nhau. Việc xây dựng các mơ hình vật lý địi hỏi đầu tư nhiều trí tuệ, thời gian và cơng sức, khơng phải giáo viên nào cũng có thể đáp ứng tiêu chí này. Tiếp theo phải xét đến đó là mơ hình vật lý học được xây dựng có phù hợp với giảng dạy hay không. Để đảm bảo yêu cầu này, người xây dựng mơ hình phải dựa vào cơ sở lý luận về phương pháp dạy học mơ hình hóa, căn cứ vào nội dung dạy học và hoàn cảnh cụ thể. Từ những nhận xét trên, ta có thể thấy quy trình xây dựng một mơ hình (ảo) để ứng dụng trong giảng dạy như sau:
- Thiết kế, xây dựng mơ hình
- Thiết kế bài giảng có sử dụng mơ hình - Thực nghiệm
- Đánh giá kết quả
- Chỉnh sửa hoặc xây dựng mơ hình và bài giảng mới
Luận văn đã xây dựng một số mơ hình dưới dạng đồ họa với các tính năng cơ bản như tương tác thay đổi các số liệu, vẽ đồ thị, hình động…tương ứng với nội dung và mục đích dạy học. Mơ hình thiết kế đã được dịch thành các ứng dụng độc lập, trực quan, sinh động và có tính hệ thống…
Kết luận chƣơng 1
Trong chương này, chúng tôi đặc biệt quan tâm đến một số luận điểm lí luận như sau:
- Một số vấn đề về phương pháp dạy học vật lí theo quan điểm hiện đại. - Xu hướng đổi mới phương pháp dạy học vật lí.
- Ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học vật lí. - Cơ sở lí thuyết về phương pháp dạy học bằng mơ hình - Một vài nét về phần mềm Matlab
Tất cả những cơ sở lí luận và thực tiễn trên sẽ giúp chúng tôi vận dụng để nghiên cứu thiết kế một số mơ hình bằng phần mềm Matlab để giảng dạy chương “Sóng ánh sáng” – Vật lí 12 nâng cao theo hướng tăng cường tính chủ động và năng lực nhận thức của học sinh.
CHƢƠNG 2
THIẾT KẾ MỘT SỐ MƠ HÌNH BẰNG PHẦN MỀM MATLAB ĐỂ GIẢNG DẠY CHƢƠNG “SĨNG ÁNH SÁNG” – VẬT LÍ 12 NÂNG CAO 2.1. Nội dung sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao
Sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao được viết theo chương trình mới với tinh thần nối tiếp chương trình trung học cơ sở (THCS) mới. Một số khái niệm đã học ở THCS sẽ được tiếp tục phát triển như dòng điện xoay chiều, sự tán sắc ánh sáng… Hiện nay, một số yêu cầu bức xúc đối với việc giảng dạy ở trung học phổ thông(THPT) là đổi mới phương pháp dạy học theo tinh thần phát huy tính tích cực chủ động, sáng tạo của học sinh, tạo điều kiện cho học sinh hoạt động trí tuệ trong giờ học và cả ở nhà. Trong giờ học, thông qua những hoạt động trí tuệ đa dạng như quan sát và theo dõi thí nghiệm, lập luận theo những vấn đề giáo viên đặt ra, thực hiện một số tính tốn cần thiết, học sinh có thể tự mình tìm ra một số quy luật, thiết lập được một số phương trình mà giáo viên cần truyền đạt. Trong sự đa dạng của phương pháp, giáo viên sẽ là người chủ động trong việc lựa chọn phương pháp và hình thành giáo án.
Sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao được soạn thảo trên cở sách giáo khoa thí điểm lớp 12 cho ban khoa học tự nhiên đã được dạy thí điểm trong nhiều trường THPT từ năm học 2005 – 2007. Sách giáo khoa 12 nâng cao được biên soạn bám sát chuẩn kiến thức kĩ năng, mức cần đạt quy định trong chương trình. Để tạo điều kiện cho việc giảng dạy và học tập theo sách giáo khoa Vật lí lớp 12 nâng cao, mỗi trang của sách giáo khoa đều chia làm 2 cột. Cột chính trình bày nội dung của bài học mà giáo viên phải trình bày. Trong cột này có một số đoạn in cỡ chữ nhỏ nhằm bổ sung kiến thức cho học sinh, nội dung đoạn này chỉ cần học sinh biết và không cần học sinh phải nhớ, học thuộc khi kiểm tra. Để đảm bảo thiết kế sách giáo khoa hợp lí, các minh họa gắn với cột chính được để ở cột chính hoặc cột phụ. Cột phụ là các nội dung