Trong những năm gần đây, chúng ta chú trọng đến việc ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học như là một hướng đổi mới phương pháp dạy học góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả của q trình dạy học.
Ứng dụng cơng nghệ thơng tin trong dạy học đã thực sự trao quyền chủ động học tập cho học sinh và làm thay đổi vai trị của người thày trong dạy học.Người thày đóng vai trị là nhà điều phối hướng dẫn học sinh hồn thành nhiệm vụ.Người học chủ động tìm tịi chiếm lĩnh tri thức tốt hơn với sự giúp đỡ của máy vi tính và mạng internet. Với các chương trình dạy học đa môi trường và được chuẩn bị chu đáo có thể truy cập được nhờ các phương tiện siêu môi trường giúp cho việc tự học của học sinh trở nên thuận tiện và dễ dàng hơn bao giờ hết.
Trong dạy học Vật lí, bên cạnh các ứng dụng thường thấy trong các môn học khác như học, ôn tập bằng máy, kiểm tra, đánh giá bằng máy, xử lí và tính tốn các kết quả bằng máy… thì máy vi tính cịn được ứng dụng chủ yếu trong các lĩnh vực quan trọng như:
Mơ phỏng các đối tượng vật lí cần nghiên cứu.
Hỗ trợ trong việc xây dựng các mơ hình.
Hỗ trợ các thí nghiệm vật lí.
Hỗ trợ cho việc phân tích băng Video ghi các q trình vật lí thực. Đối với ngành Vật lí, ứng dụng cơng nghệ thơng tin trong dạy học là một bước chuyển trong quá trình đổi mới nội dung và phương pháp dạy học.Công nghệ thông tin đã và sẽ hỗ trợ đắc lực cho việc xây dựng kiến thức mới; tạo môi trường để khám phá kiến thức nhằm hỗ trợ cho q trình học tập thơng qua thực hành, qua cộng đồng và qua phản ánh; giúp cho việc đánh giá định tính và định lượng vật lí chính xác, cơng bằng hơn.
Ứng dụng công nghệ thông tin vào giảng dạy, người giáo viên sẽ xây dựng bài học một cách sinh động, thu hút được sự chú ý của học sinh, làm cho người học thấy hứng thú hơn, giờ học trở nên sôi động hơn; người học tiếp thu bài nhanh hơn và có cảm giác như tự mình đang tìm ra những điều mới lạ ở thế giới xung quanh bản thân mình.Qua đó giúp cho học sinh thật sự tích cực chủ động học tập.
1.4. Phƣơng pháp mơ hình
Một hiện tượng vật lí xảy ra trong thực tế thường có rất nhiều yếu tố không bản chất và nếu chúng ta gom tất cả các yếu tố đó để giải quyết thì sự phân tích đưa đến những phức tạp vơ vọng.Để lí tưởng hóa hệ thống, chúng ta phải bỏ qua các yếu tố nhỏ và tập trung vào các đặc điểm quan trọng nhất của hệ thống.Chúng ta đánh giá và tạo mơ hình với các vấn đề thơng thường đủ để kiểm soát được, giữ lấy các đặc điểm thiết yếu [4].
Khái niệm mơ hình lí tưởng rất quan trọng với tất cả khoa học vật lí cũng như cơng nghệ.Khi chúng ta áp dụng các ngun lí của vật lí vào một hệ thống hồn chỉnh, chúng ta ln sử dụng các mơ hình lí tưởng, chúng ta phải nhận ra các giả định mà chúng ta đang thực hiện.
Như vậy, mô hình là một hệ thống được hình dung trong óc hay được thực hiện một cách vật chất, hệ thống.Đó là sự phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tượng nghiên cứu hoặc tái tạo nó. Bởi vậy, việc nghiên cứu mơ hình sẽ cung cấp cho ta những thông tin mới về đối tượng.Tuy nhiên, giữa mô hình và đối tượng vật chất có sự khác biệt nhau.Mơ hình chỉ phản ánh một số tính chất của đối tượng vật chất.Cùng một đối tượng vật chất có thể có nhiều mơ hình khác nhau.Mơ hình khơng đồng nhất với đối tượng mà nó phản ánh.
1.4.1. Các chức năng của mơ hình
Trong dạy học vật lí mơ hình có các chức năng sau:
Mơ tả sự vật hiện tượng
Giải thích các tính chất, hiện tượng có liên quan đến đối tượng
Tiên đốn các tính chất và các hiện tượng mới
Mơ hình vật lí có tính trực quan, đơn giản, tương tự như vật gốc, phản ánh một vài thuộc tính cơ bản trong điều kiện lí tưởng. Nếu sử dụng mơ hình trong q trình dạy học vật lí, người dạy có thể làm cho người học nhận thức một cách trực quan và tích cực hơn dựa trên quá trình tương tác để nhận biết
mối quan hệ giữa các sự vật, hiện tượng hay quy luật vận động của sự vật, hiện tượng đó.
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 mơ 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 ngồi 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 toán 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