1.2 .1Các chức năng của máy vi tính trong hỗ trợ thí nghiệm
1.2.2.2Thí nghiệm ghép nối với máy vi tính
Trong các ứng dụng của máy vi tính vào dạy học vật lí thì việc sử dụng máy vi tính hỗ trợ các TN vật lí thực được ghép nối với máy vi tính là một trong các ứng dụng đặc trưng nhất của nó.
Đối với TN ghép nối với MVT, MVT thực hiện một số nhiệm vụ sau: - Thu thập số liệu
MVT có thể thu thập số liệu dưới nhiều dạng và nhiều hình thức khác nhau. Giá trị các đại lượng vật lí cần đo đạc sẽ chuyển đến MVT thông qua các thiết bị biến đổi tương ứng. MVT nhờ có khả năng lưu trữ dữ liệu lớn và tốc độ xử lí cao nên có thể ghi lại rất nhiều giá trị đo trong một thời gian ngắn và các giá trị này có thể được sử dụng nhiều lần về sau mặc dù các TN đã kết thúc.
Khác với các máy đo thơng thường, MVT có thể tiến hành đo tự động mọi lúc, mọi nơi mà con người không thể tham gia vào quá trình TN [34].
- Biểu diễn số liệu
Nhờ khả năng đồ họa cao và linh động mà MVT có thể biểu diễn các số liệu đã thu thập được dưới nhiều hình thức khác nhau như: đồng hồ hiện số, đồng hồ kim, đồ thị, hay biểu đồ tùy theo mục đích người sử dụng. Cũng nhờ tốc độ xử lí cao mà MVT có thể hiện thị cho người sử dụng nhiều kết quả của nhiều đại lượng dưới nhiều hình thức trong cùng một lúc [34].
- Thực hiện các quá trình điều khiển, điều chỉnh
MVT với tư cách là một PTDH hiện đại đã giúp con người có thể khai thác những chức năng tối ưu để điều khiển, điều chỉnh một số TN mà con người không thể tiến hành trực tiếp được bằng cách kết hợp với các phần mềm chuyên dụng kèm theo [34].
Tuy nhiên, tùy theo đặc điểm của từng phần mềm, thiết bị ngoại vi kèm theo và yêu cầu về mặt sư phạm mà một số nhiệm vụ chính trên có thể thay đổi.
Để hỗ trợ các TN vật lí thì MVT cần được ghép nối với các thiết bị thí nghiệm. Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm ghép nối với MVT như sau:
Sơ đồ 1.1
Dựa vào sơ đồ, việc thu thập các số liệu đo về đối tượng nghiên cứu được đảm nhiệm bởi bộ cảm biến. Nguyên tắc làm việc của bộ cảm biến như sau: trong bộ cảm biến, các tương tác của đối tượng đo lên bộ cảm biến dưới các dạng khác nhau như cơ, nhiệt, điện, quang, từ…đều được chuyển thành tín hiệu điện. Mỗi một bộ cảm biến nói chung chỉ có một chức năng hoặc chuyển tín hiệu cơ sang tín hiệu điện hoặc chuyển tín hiệu quang sang tín hiệu điện... Vì vậy, ứng với từng phép đo khác nhau mà người ta phải dùng các bộ cảm biến khác nhau.
Sau khi tín hiệu điện được hình thành tại bộ cảm biến, nó sẽ được chuyển qua dây dẫn đến bộ phận tiếp theo là bộ ghép tương thích. Tại thiết bị ghép tương thích này, các tín hiệu điện sẽ được số hố một cách hợp lí để đưa vào máy vi tính. Các tín hiệu đă được số hố này được coi là cơ sở dữ liệu và có thể lưu trữ lâu dài trong máy vi tính.
Sau khi các tín hiệu đã được số hố, có thể sử dụng máy vi tính (đã cài đặt phần mềm thích hợp) để tính tốn, xử lí các tín hiệu số này theo mục đích của người nghiên cứu.
Việc sử dụng TN ghép nối với MVT vào dạy học vật lí bao gồm các giai đoạn sau:
-Tiến hành TN để có thể quan sát được hiện tượng, q trình vật lí cần nghiên cứu
-Thu thập số liệu đo
- Xử lí số liệu đo (thơng qua tính tốn, đối chiếu, so sánh...) và trình bày kết quả xử lí
- Từ các kết quả xử lí đó, tìm ra (trong TN khảo sát) hay chứng tỏ (trong TN chứng minh) sự tồn tại các mối quan hệ có tính qui luật trong hiện tượng, quá trình đang nghiên cứu.
Đối tượng đo (Thí nghiệm) Bộ cảm biến (Sensor) Bộ ghép tương thích (Interface) Máy vi tính và phần mềm Màn hình hiển thị
Cùng có một tiến trình như nhau, song trong TN ghép nối với máy vi tính có nhiều cơng việc được tiến hành hồn tồn tự động theo một chương trình đã định sẵn. Do đó, TN ghép nối với 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 do thu thập, xử lí số liệu hồn tồn tự động;
- Cho phép thu thập nhiều bộ dữ liệu thực nghiệm trong thời gian rất ngắn (đó là một yều cầu quan trọng trong nghiên cứu thực nghiệm);
- Độ chính xác cao của các số liệu đo cũng như kết quả tính tốn cuối cùng do sử dụng các thiết bị hiện đại và phương pháp tính hiện đại.
- Các số liệu đo cũng như kết quả tính tốn cuối cùng có độ chính xác cao do sử dụng các thiết bị hiện đại và PP tính hiện đại (chính xác đến 1 phần nghìn đơn vị)
- Tiết kiệm thời gian lắp đặt TN (vì nói chung các thiết bị vi tính và các TN ghép nối với chúng có ít chi tiết hơn)
- Để có thể sử dụng được các TN ghép nối với MVT thì khơng địi hỏi ở người sử dụng biết kiến thức đặc biệt về kĩ thuật vi tính, và khơng cần biết về ngơn ngữ lập trình.
Như vậy, TN ghép nối với máy vi tính là một giải pháp hỗ trợ TN khá toàn diện và hữu hiệu. Đây là một hướng hỗ trợ TN được nhiều nước trên thế giới nghiên cứu, thử nghiệm và áp dụng vào dạy học vật lí. Hiện nay ở nước ta chủ yếu mới sử dụng trong các trường đại học, còn chưa được sử dụng ở đa số các trường phổ thơng. Vì vậy, việc nghiên cứu khả năng và sử dụng TN ghép nối với máy vi tính vào quá trình tổ chức hoạt động nhận thức cho HS trong dạy học vật lí ở trường phổ thơng là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn. Cho nên nhà trường phổ thông cần từng bước tạo điều kiện cho HS- những người chủ tương lai của đất nước trong thời kỳ cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa làm quen dần với các TN có ghép nối với các thiết bị vi tính bên cạnh các TN với các thiết bị đo và cách xử lí số liệu truyền thống. Sử dụng TN ghép nối với máy vi tính sẽ góp phần giúp các em làm quen với các phương pháp, phương tiện khảo sát, đo đạc, các thiết bị TN hiện đại.
1.2.2.3 Trực quan hóa thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy vi tính
Theo Từ điển Từ và ngữ Việt Nam của GS. Nguyễn Lân, trực quan là nói đến phương pháp giảng dạy dùng những vật cụ thể để tác động trực tiếp đến các giác quan của HS [30]. Do đó, có thể hiểu vắn tắt, trực quan là nói đến tính chất tác động trực tiếp lên các giác quan. Phương tiện trực quan là phương tiện dạy học tác động trực tiếp lên giác quan HS.
Trực quan hóa, theo Đại từ điển Tiếng Việt của Nguyễn Như Ý, là làm cho có tính trực quan, trở nên trực quan, trực tiếp [36].
TN là một phương tiện trực quan. Tuy nhiên, trong một số trường hợp tính trực quan của nó chưa đáp ứng được hoặc chưa cao, ví dụ các TN diễn ra trên mặt phẳng ngang, TN nhỏ, khó quan sát; TN xảy ra trong điều kiện đặc biệt mà ở lớp học rất khó hoặc khơng thể tiến hành được (các TN quang học trong buồng tối, TN về từ trường dòng điện ba pha…). Trong những trường hợp như vậy, việc sử dụng máy vi tính kết hợp với các phương tiện dạy học khác như camera, máy chiếu đa chức năng…có thể trực quan hóa hoặc nâng cao tính trực quan của TN. Điều đó giúp cho HS quán sát các đối tượng, diễn biến của TN rõ ràng hơn.
Để làm nổi bật vai trò của TN và tính hiệu quả của nó trong dạy học vật lí, các phương tiện nghe nhìn như tranh vẽ, ảnh chụp, phim đèn chiếu, phim nhựa, phim video, mơ hình…cũng nên được sử dụng kết hợp với TN, chúng không chỉ tạo nên tính trực quan cao nhờ vào khả năng phóng to hoặc thu nhỏ các hình ảnh mà cịn đảm bảo độ an toàn cho một số TN, nhất là các TN đắt tiền, thiếu an tồn hoặc q cồng kềnh khơng thể thực hiện được trong điều kiện của trường phổ thơng. Có những q trình vật lí xảy ra q nhanh ta khơng thể quan sát trực tiếp bằng mắt thường, lại có những q trình xảy ra rất chậm mà chỉ có một tiết học khơng đủ thời gian để quan sát. Trường hợp này các TN khơng thể trình bày hồn chỉnh các hiện tượng, sự vật và chỉ có thể giải quyết bằng việc vận dụng phối hợp các phương tiện trực quan, phương tiện nghe nhìn để đạt hiệu quả cao. Camera hỗ trợ TN bằng cách ghi lại các hiện tượng, q trình vật lí thực cần nghiên cứu. Việc ghi q trình vật lí thực vào băng hình và quay chậm lại tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho việc quan sát đối tượng nghiên cứu.
Các phương tiện nghe nhìn hiện đại có khả năng phân tích và thiết lập các màu sắc phù hợp với các sự kiện thực hoặc nhờ màu sắc để làm nổi bật những chi tiết đặc biệt cần tập trung sự chú ý quan sát của HS. Ngồi ra, việc phối hợp hình ảnh và âm thanh trong TN để dạy học cũng như đồng bộ hóa các q trình của TN có tác dụng làm cho giờ học trở nên sinh động, hấp dẫn và gây được hứng thú cho HS.
Như vậy, với sự hỗ trợ của máy vi tính và các phương tiện dạy học khác, sẽ làm tăng tính trực quan của TN vật lí. Sự hỗ trợ đó góp phần giúp cho TN làm tốt hơn các chức năng của mình trong tổ chức hoạt động nhận thức cho HS. Bên cạnh đó, trực quan hóa TN tạo điều kiện cho HS dễ nắm bắt hiện tượng, q trình diễn ra trong TN, kích thích hứng thú học tập của các em.