Chƣơng 1 : CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
1.7. Tổng quan phần mềm Matlab
Hình 1.1: Giao diện Matlab 7
1.7.1. Giới thiệu chung
Matlab là một mơi trường tình tốn số được phát triển bởi The MathWorks. Đây là một trong những ngơn ngữ lập trính rất mạnh để phát triển các ứng dụng. Có lẽ cách dễ nhất để híng dung về MATLAB là nó có đầy đủ các đặc điểm của máy tình cá nhân: giống như các máy tình cơ bản, nó làm tất cả các phép tình tốn học cơ bản như cộng, trừ, nhân, chia; giống như máy tình kỹ thuật, nó bao gồm: số phức, căn thức, số mũ, logarithm, các phép tốn lượng giác như sine, cosine, tang; nó cũng giống như máy tình có khả năng lập trính, có thể lưu trữ, tím kiếm lại dữ liệu, cũng có thể tạo, bảo vệ và ghi trính tự các lệnh để tự động tình tốn khi giải quyết các vấn đề. Matlab cho phép so sánh logic, điều khiển thực hiên lệnh để đảm bảo tình đúng đắn của phép tốn. Giống như các máy tình hiện đại nhất, Matlab có thể biểu diễn dữ liệu dưới nhiều dạng như: biểu diễn thông thường, ma trận đại số, các hàm tổ hợp và có thể thao tác với dữ liệu thường cũng như đối với ma trận.
Tên của phần mềm MATLAB bắt nguồn từ thuật ngữ “Matrix Laboratory”. Đầu tiên nó được viết bằng FORTRAN để cung cấp truy nhập dễ dàng tới phần mềm ma trận được phát triển bởi các dự án LINPACK và EISPACK. Sau đó nó được viết bằng ngơn ngữ C trên cơ sở các thư viện nêu trên và phát triển thêm nhiều lĩnh vực của tình tốn khoa học và các ứng dụng kỹ thuật.
Hình 2.2: Phổ tần số của âm thanh thu được từ tiếng quát giận dữ
Lĩnh vực áp dụng của Matlab có thể chia kể đến: nghiên cứu các q trính (vật lý, hóa học), tự động hóa, điện tử, viễn thơng, tốn học, mơ phỏng, thiết kế giao diện, thiết kế các phần mềm cụ thể… Matlab hỗ trợ người dùng vô số tài nguyên các hàm, cơng cụ để nghiên cứu, ví vậy trong thực tế Matlab được ứng dụng rất rộng rãi. Hính 2.2 là đồ thị phân tìch phổ tần số sóng âm thu được từ tiếng quát giận dữ của một ai đó. Đây là một trong vơ vàn ứng dụng hữu ìch của Matlab.
Luận văn này chỉ đề cập đến một khìa cạnh cụ thể của Matlab ứng dụng trong giáo dục, đó là khả năng tạo các giao diện đồ họa (GUI – Graphic user interface) dùng để xây dựng các mơ hính vật lý học. Ngồi ra cũng phải kể đến sự kế thừa các tình năng nổi trội khác, vì dụ như khả năng dịch các ứng dụng độc lập, kế thừa kho tàng các công cụ, hàm và khả năng đồ họa của Matlab. [17]
[17] Lê Viết Dƣ Khƣơng, Matlab - Một công cụ tin học mạnh trợ giúp hữu hiệu việc giảng dạy và
nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật, Tuyển tập báo cáo Hội thảo “Phát triển công cụ tin học
1.7.2. Matlab là ngơn ngữ lập trình
Matlab là phần mềm cho phép ta viết các chương trính phức tạp bằng cách nhanh nhất. Mỗi lệnh của nó được coi như một chương trính con
Ví dụ:
Tím nghiệm xn của phương trính:
sin(x)/(x^2+1)+0.1*x-0.53=0 với 0<= xn < 10
Giải:
sin(x)/(x^2+1)+0.1*x-0.53=0 xn : 0<= xn < 10
1.7.3. Các đặc điểm chính của ngơn ngữ lập trình Matlab
Là ngơn ngữ lập trính, Matlab có các đặc điểm chình sau:
- 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 ngơn ngữ C và Fortran. - Có thể dịch để chạy độc lập ngồi mơi trường MatLab.
- Dễ phát triển các ứng dụng trên các lĩnh vực khoa học và công nghệ riêng.
So sánh MatLab với các ngôn ngữ lâp trinh khác: do dễ lập trính và chương trính ngắn nên hiệu suất lập trính cao hơn hẳn so với khi viết chương trính bằng Basic, Pascal, Fortran, C. Nó có thể làm việc được ở cả 2 chế độ:
- Chế độ đối 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.
1.7.4. Sơ lược về GUI
GUI- giao diện người dùng đồ họa là dạng thể hiện đồ họa bao gồm các dụng cụ, thiết bị, trong đó cho phép người dùng thực hiện công việc tương tác. Để thực thi các cơng việc của mính, người dùng khơng cần viết các đoạn chương trính hay từng dịng lệnh cụ thể, nói cách khác là họ không cần biết chi tiết các thao tác bên trong của từng công việc cụ thể.
Những thành phần cơ bản của GUI bao gồm Menu, Toolbar, Push Button, Radio Button, List box, Slider,… Trong Matlab, một GUI có thể thể hiện dữ liệu dưới dạng bảng hoặc đồ thị, các thành phần có thể được nhóm lại với nhau tùy ý.
Dưới đây là một thì dụ đơn giản về GUI:
Hình 1.3: Chương trình đồ họa Matlab tiêu biểu
GUI trên bao gồm một hệ trục tọa độ; một Pop-up Menu bao gồm 3 lựa chọn tương ứng với 3 hàm của Matlab là peaks, membrane và sinc; ba nút bấm cung cấp các lựa chọn vẽ đồ thị khác nhau: surf, mesh, contour. Khi người dùng bấm một nút thí đồ thị sẽ thể hiện dữ liệu được lựa chọn trong Pop-up Menu với cách vẽ tương ứng.
Matlab hỗ trợ đầy đủ công cụ để tạo một ứng dụng chạy độc lập trên nền Windows. Có nhiều biện pháp để tạo ứng dụng, nhưng theo cách nào cũng phải có matlab code, dù đó chỉ là vài dịng lệnh hay cả một project lớn. Cách phổ biến nhất để tạo ra standalone application là dùng Deploytool trong Matlab compiler. Để dịch được một project ta cần có đầy đủ các file.m và file.fig. Tuy nhiên, việc tìch hợp một lượng tài nguyên lớn các hàm trong, hàm ngoài trong một chương trính độc lập
(trong khi chưa cần dùng tới) làm cho quá trính thực thi các chương trính này khá chậm chạp. [18]
1.7.5. Ví dụ về mơ hình được xây dựng bằng Matlab
Xây dựng mơ hính liên hệ giữa dao động điều hòa với chuyển động trịn đều
Cơ sở lí thuyết
Xét một điểm M chuyển động đều trên một đường trịn tâm O, bán kình A (hính vẽ ).
Hình 1.4: Mối liên hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều
φ M0 M1 s1 O x s Δφ C
φ: pha ban đầu.
s: quãng đường điểm M đi theo quỹ đạo.
Δφ: góc quay mà chất điểm quét trong thời gian dao động.
Vận tốc góc của M là ω (rad/s). Chọn C làm điểm gốc trên đường tròn. Tại thời điểm t0, vị trì của điểm chuyển động là M0, xác định bởi góc . Tại một thời điểm bất kí, vị trì của điểm M được xác định bởi góc t.
Hính chiếu của chất điểm M lên trục ox có tọa độ là x = A.Cos(ωt +φ) Hính chiếu của M lên trục oy có tọa độ y = A.Sin(ωt +φ).
Như vậy, một cách tổng quát có thể suy ra hính chiếu của một chất điểm chuyển động tròn đều trên một trục đi qua tâm là một dao động điều hịa
Lập trình trên Matlab
%Bai toan 1:
%Lien he giua dao dong dieu hoa va chuyen dong tron deu clc;close all;clear
n=10; %So lan vat chay theo quy dao
[18]The Mathworks, MATLAB® 7 - Creating Graphical User Interfaces, The MathWorks .Inc, 3
w=pi/2;phi=pi/4;A=5;T=2*pi/w; t=0:.01:T;
%chuyen dong tron deu x=A*cos(w*t+phi); y=A*sin(w*t+phi); %hinh anh chuyen dong
%plot(x,y,':b');hold on;axis equal %ve quy dao chuyen dong tron
plot(x,y,'LineWidth',1);hold on;axis equal %ve quy dao chuyen dong tron
plot([0 0],[-A-.2*A A+.2*A],'k'); %ve truc tung h1=plot(x(1),y(1),'o','MarkerEdgeColor','b',... 'MarkerFaceColor',[1 0 0],'markersize',15,... 'erase','xor'); h2=plot(0,y(1),'o','MarkerEdgeColor','b',... 'MarkerFaceColor',[.49 1 .63],'markersize',15,... 'erase','xor');
h3=plot([0 x(1)],[y(1) y(1)],'b:','linewidth',.5,'erase','xor'); %pause(0.001)
for i=1:n
for k=2:length(x)
set(h1,'xdata',x(k),'ydata',y(k)); set(h2,'xdata',0,'ydata',y(k)); a=[0 x(k)];b=[y(k) y(k)]; set(h3,'xdata',a,'ydata',b);
title('dao dong dieu hoa va chuyen dong tron deu') pause(.01);
end end
Mô hình thu được
Hình 1.5: Mơ phỏng mối quan hệ giữa dao động điều hịa và chuyển động tròn đều
1.7.6. Ứng dụng Matlab xây dựng mơ hình vật lý học ứng dụng trong giảng dạy
Việc xây dựng các mơ hính vật lý học phù hợp với công tác giảng dạy tại trường Trung học phổ thơng phải dựa trên nhiều tiêu chì. Tiêu chì đầu tiên phải kể đến đó là tình khả thi. Các đối tượng, khái niệm, quy luật vận động của thực thể vật lý rất phong phú, hính thức thể hiện đa dạng và nhín chung là có độ khó khác nhau. Việc xây dựng các mơ hính vật lý địi hỏi đầu tư nhiều trì tuệ, thời gian và cơng sức, khơng phải GV nào cũng có thể đáp ứng tiêu chì này. Tiêu chì tiếp theo phải xét đến đó là mơ hính vật lý học được xây dựng có phù hợp với giảng dạy hay không. Để đảm bảo u cầu này, người xây dựng mơ hính phải dựa vào cơ sở lý luận về PPDH mơ hính hóa, căn cứ vào nội dung dạy học và hoàn cảnh cụ thể. Từ những nhận xét trên, ta có thể thấy quy trính xây dựng một mơ hính (ảo) để ứng dụng trong giảng dạy như sau:
- Xác định mục đích dạy học. - Thiết kế, xây dựng mơ hình. - Thực nghiệm.
- Đánh giá kết quả.
- Chỉnh sửa hoặc xây dựng mơ hình mới.
Luận văn đã xây dựng một số mơ hính dưới dạng đồ họa với các tình năng cơ bản như tương tác (thay đổi các số liệu), vẽ đồ thị, hính động (animation)... tương ứng với nội dung và mục đìch dạy học. Ngồi ra phải kể đến thế mạnh riêng của các mơ hính đã được thiết kế, đó là được dịch thành các ứng dụng độc lập (standalone
applications), trực quan, sinh động, tình hệ thống... Những đặc điểm này làm cho luận văn có đơi chút khác biệt mang tình tìch cực so với một số đề tài ứng dụng Matlab trong giảng dạy trước đây
1.8. Thực trạng việc sử dụng phần mềm dạy học trong dạy học vật lí ở trƣờng Trung học phổ thơng
Để việc xây dựng các hệ thống bài tập tổng quát thực sự có hiệu quả chúng tơi đã tiến hành tím hiểu về thực trạng Sử dụng phần mềm và ứng dụng CNTT ở trường THPT Lạng Giang số 2 ở Bắc Giang.
1.8.1. Thực tiễn hoạt động dạy giải BTVL
Trên thực tế hoạt động dạy giải BTVL của GV đối với HS ở trường THPT Lạng Giang số 2 gặp rất nhiều khó khăn. Qua việc xem giáo án giảng dạy của các GV, chúng tơi nhận thấy phần lớn các GV chỉ giải tóm tắt bài tập mà khơng có phần hướng dẫn hoạt động giải BTVL cho HS. Những bài tập cơ bản trong SGK đa số các GV khơng có phần giải tóm tắt mà chỉ ghi kết quả cuối cùng. Hơn nữa, trong bài soạn của các GV, phần bài tập định tình thường rất sơ sài, chủ yếu vẫn là các bài tập định lượng, mặc dù phần bài tập định tình đóng vai trị rất quan trọng, nó giúp HS khắc sâu kiến thức cơ bản, hiểu rõ về hiện tượng vật lý và các ứng dụng củ hiện tượng vật lý đó trong thực tế. Khi được hỏi ví sao lại ìt đưa các bài tập định tình vào bài soạn thí đa số GV trả lời: soạn bài tập định tình vật lý mất thời gian, GV ngoại soạn, bài tập định lượng lại rất phong phú và đa dạng, phân phối chương trính cũng khơng nhiều tiết bài tập nên GV cần tập trung vào soạn và chữa cho HS các bài tập định lượng, sợ rằng trong kỳ thi HS gặp phải những dạng bài tập chưa được GV hướng dẫn [19].
Hoạt động dạy giải BTVL còn gặp phải những khó khăn từ phìa HS như:
- Đa số HS đều quên kiến thức toán học liên quan như lượng giác, đạo hàm, vì vậy những HS trung bình và yếu thì việc hiểu được bản chất vật lý đã khó, sau đó lại giải được các bài tập thực sự là vấn đề khó khăn.
- HS khơng biết ứng dụng lý thuyết đã học vào các ứng dụng thực tế vì vậy việc giải các BTVL lấy dữ kiện từ thực tế đa số HS không hiểu được bản chất vật lý nên thường giải sai.
- HS thụ động, lười suy nghĩ, thường đợi GV đưa ra phương pháp giải cho một dạng bài tập nào đó rồi mới vận dụng các bài tập tương tự như vậy.
Tuy nhiên, qua trao đổi với các GV chúng tơi thấy rằng có nhiều GV biết rất rõ những khó khăn sai lầm của HS và có thể khắc phục được trong quá trính dạy giải BTVL như: kỹ năng tình tốn, đổi đơn vị vật lý, tím hiểu đề bài... nhưng ví thời lượng tiết bài tập theo phân phối chương trính q ìt, GV khơng đủ thời gian để rèn kỹ năng giải tốn cho HS cũng như khắc phục những khó khăn.
1.8.2. Thực tế việc ứng dụng cơng nghệ thông tin trong dạy học vật lý THPT
Những ưu điểm nổi bật của PPDH bằng công nghệ thông tin so với phương pháp giảng dạy truyền thống [20]:
- Mơi trường đa phương tiện kết hợp những hình ảnh vedeo, camera … với âm thanh, văn bản, biểu đồ … được trình bày qua máy tính theo kịch bản vạch sẵn nhằm đạt hiệu quả tối đa qua một quá trình học đa giác quan.
- Kĩ thuật đồ hoạ nâng cao có thể mơ phỏng nhiều quá trình, hiện tượng trong tự nhiên, xã hội trong con người mà không thể hoặc không nên để xảy ra trong điều kiện nhà trường.
- Cơng nghệ tri thức nối tiếp trí thơng minh của con người, thực hiện những cơng việc mang tính trí tuệ cao của các chuyên gia lành nghề trên những lĩnh vực khác nhau.
- Những ngân hàng dữ liệu khổng lồ và đa dạng được kết nối với nhau và với người sử dụng qua những mạng máy tính kể cả Internet … có thể được khai thác để tạo nên những điều kiện cực kì thuận lợi và nhiều khi không thể thiếu để HS học tập trong hoạt động và bằng hoạt động tự giác, tích cực và sáng tạo, được thực hiện độc lập hoặc trong giao lưu.
Những thì nghiệm, tài liệu được cung cấp bằng nhiều kênh: kênh hính, kênh chữ, âm thanh sống động làm cho HS dễ thấy, dễ tiếp thu và bằng suy luận có lý, HS có thể có những dự đốn về các tình chất, những quy luật mới. Đây là một công dụng lớn của công nghệ thông tin và truyền thơng trong q trính đổi mới PPDH. Có thể khẳng định rằng, môi trường công nghệ thông tin và truyền thông chắc chắn sẽ
có tác động tìch cực tới sự phát triển trì tuệ của HS và điều này làm nảy sinh những lý thuyết học tập mới.
Theo nhận định của một số chun gia, thí việc đưa cơng nghệ thông tin và truyền thông ứng dụng vào lĩnh vực giáo dục và đào tạo bước đầu đã đạt được những kết quả khả quan. Tuy nhiên, những gí đã đạt được vẫn cịn hết sức khiêm tốn. Khó khăn, vướng mắc và những thách thức vẫn cịn ở phìa trước bởi những vấn đề nảy sinh từ thực tiễn.
Tuy máy tình điện tử mang lại rất nhiều thuận lợi cho việc dạy học nhưng trong một mức độ nào đó, thí cơng cụ hiện đại này cũng khơng thể hỗ trợ GV hồn tồn trong các bài giảng của họ. Nó chỉ thực sự hiệu quả đối với một số bài giảng chứ khơng phải tồn bộ chương trính do nhiều nguyên nhân, mà cụ thể là, với những bài học có nội dung ngắn, không nhiều kiến thức mới, thí việc dạy theo phương pháp truyền thống sẽ thuận lợi hơn cho HS, ví GV sẽ ghi tất cả nội dung bài học đó đủ trên một mặt bảng và như vậy sẽ dễ dàng củng cố bài học từ đầu đến cuối mà không cần phải lật lại từng “slide” như khi dạy trên máy tình điện tử. Những mạch