Dưới đây trì́nh bày một số ví dụ điển hình minh hoạ cho việc sử dụng máy vi tính và phần mềm trong dạy học vật lí nhằm tổ chức hoạt động nhận thức tích cực, tự lực và sáng tạo của học sinh.
Sử dụng phần mềm mô phỏng các hiện tượng, q trình vật lí
Hiện nay có rất nhiều phần mềm mơ phỏng các hiện tượng, q tŕnh vật lí trong các lĩnh vực: cơ, nhiệt, điện, điện từ, quang...v..v...của nước ngoài cũng như trong nước. Sau đây được chọn để minh hoạ là việc sử dụng các phần mềm mô phỏng.
Sử dụng phần mềm "Quang hình học - Mơ phỏng và thiết kế" để hỗ trợ dạy học bài "Kính thiên văn" trong SGK Vật lí 11
Bài "Kính thiên văn" là bài dạy học về ứng dụng kĩ thuật điển hình mà về mặt phương pháp giảng dạy, ta có thể dạy nó theo con đường thứ hai. Nội dung con đường thứ hai là:
Giáo viên đặt ra trước học sinh yêu cầu: dựa vào các nguyên lí, định luật.. vật lí đã biết, hãy thiết kế một thiết bị - ứng dụng kĩ thuật, có tính năng cần thiết nào đó.
Nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật như vậy tuân theo theo con đường nhận thức từ trừu tượng đến cụ thể. Con đường dạy học các ứng dụng kĩ thuật của vật lí theo con đường thứ hai bao gồm các bước sau:
- Bước 1: Đưa ra nhiệm vụ thiết kế một thiết bị (ưdkt) có chức năng nào đó trước học sinh.
- Bước 2: Hướng dẫn học sinh vận dụng các kiến thức đă biết để đưa ra, thảo luận trong nhóm và trên tồn lớp những dự án thiết kế thiết bị đó nhằm chọn ra phương án khả thi nhất.
- Bước 3: Đưa ra mô h́nh vật chất-chức năng tương ứng với dự án thiết kế và cho mơ h́nh vận hành để kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế này.
- Bước 4: Bổ xung hồn thiện mơ h́nh về phương diện kĩ thuật phù hợp trong thực tiễn và đưa ra vật gốc (nêú có thể) để học sinh có một hiểu biết đầy đủ về ưdkt. Cuối cùng là
+ Các khó khăn khi dạy học bài "Kính thiên văn”
Khi dạy bài "Kính thiên văn", giáo viên có thể vận dụng lí luận dạy học các ứng dụng kĩ thuật của vật lí để dạy nội dung "nguyên tắc cấu tạo của kính thiên văn” theo con đường thứ hai. Nội dung con đường thứ hai là:
Giáo viên đặt ra trước học sinh yêu cầu: dựa vào các nguyên lí, định luật.. vật lí đã biết, hãy đưa ra thiết kế một thiết bị – ứng dụng kĩ thuật, có tính năng cần thiết nào đó. Nghiên cứu các ứng dụng kĩ thuật như vậy tuân theo theo con đường nhận thức từ trừu tượng đến cụ thể. Con đường dạy học các ứng dụng kĩ thuật của vật lí theo con đường thứ hai bao gồm các bước sau:
- Bước 1: Đưa ra nhiệm vụ thiết kế một thiết bị (ưdkt) có chức năng nào đó trước học sinh.
- Bước 2: Hướng dẫn học sinh vận dụng các kiến thức đã biết để đưa ra, thảo luận trong nhóm và trên tồn lớp những dự án thiết kế thiết bị đó nhằm chọn ra phương án khả thi nhất.
- Bước 3: Đưa ra mơ hình vật chất-chức năng tương ứng với dự án thiết kế và cho mơ hình vận hành để kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế này.
- Bước 4: Bổ xung hồn thiện mơ hình về phương diện kĩ thuật phù hợp trong thực tiễn và đưa ra vật gốc (nêú có thể) để học sinh có một hiểu biết đầy đủ về ưdkt. Cuối cùng là tóm tắt lại chức năng, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của ưdkt vừa nghiên cứu.
+ Các khó khăn khi dạy học bài "Kính thiên văn”
Khi dạy bài "Kính thiên văn", giáo viên có thể vận dụng lí luận dạy học các ứng dụng kĩ thuật của vật lí để dạy nội dung “nguyên tắc cấu tạo của kính thiên văn” theo con đường thứ hai . Như vậy, giáo viên có thể phát huy cao độ tính tích cực, tự lực và sáng tạo của học sinh.
Tuy nhiên, ở bước 2, khi thảo luận trong nhóm và trên tồn lớp về những dự án thiết kế kính thiên văn nhằm xác định các phương án đúng và chọn ra phương án khả thi nhất, nếu các học sinh khi tŕnh bày các ư tưởng thiết kế của ḿnh mà phải vẽ các mơ h́nh kính do ḿnh thiết kế ra bằng tay th́ rất mất thời gian và khơng chính xác v́ đây là việc dựng ảnh qua một quang cụ gồm 2 thấu kính. Theo kinh nghiệm giảng dạy của giáo viên phổ thơng, để có thể vẽ chính xác và đẹp, thường th́ giáo viên phải vẽ trước ở nhà th́ mới có đủ thời gian. Có như vậy, học sinh nh́n vào h́nh vẽ mới hiểu được. Hơn nữa, trong khi thiết kế, muốn khảo sát sự biến đổi phụ thuộc của các đặc tính của ảnh trung gian (qua linh kiện quang học thứ nhất), của ảnh cuối cùng (qua tồn bộ kính) vào các thơng số của vật th́ nếu chỉ dựa vào h́nh vẽ là hồn tồn khó, mất thời gian, c̣n dựa vào các phương tŕnh th́ trừu tượng và khơng trực quan.
Theo phân tích trên, đây là một khó khăn nếu giáo viên và học sinh chỉ sử dụng phương tiện truyền thống khi dạy và học nội dung này. Cho nên, tại bước 2 này, học sinh cần sử dụng phần mềm “Quang hình học – Mơ phỏng và thiết kế” để hỗ trợ việc thiết kế các kính thiên văn do mình nghĩ ra. Sau đó, họ trao đổi trong nhóm và thảo luận trên tồn lớp các mơ hình kính đã được thiết kế nhờ phần mềm để chọn ra phương án đúng và tối ưu.
+ Những hỗ trợ của phần mềm "Quang hình học - Mơ phỏng và thiết kế" trong việc dạy học bài Kính thiên văn
Nhờ việc thay đổi các đại lượng như d, h, f và a (khoảng cách giữa hai kính) một cách dễ dàng và nhờ việc vẽ ngay tức thời ảnh của một vật qua từng linh kiện quang học cũng như qua quang hệ (gồm hai linh kiện quang học) mà trong thời gian ngắn, học sinh có thể thử nghiệm thiết kế nhiều mơ hình kính thiên văn nhờ phần mềm. Thực chất là học sinh có thể hình dung trong óc các ý tưởng về mơ hình kính, sau đó dùng phần mềm hiện thực hố các ý tưởng đó bằng mơ hình hình vẽ một cách nhanh chóng và chính xác. Ví dụ như ở hình dưới đây là các mơ hình hình vẽ về hai loại kính thiên văn
được tạo bởi hệ gồm hai thấu kính hội tụ (kính thięn văn khúc xạ) và hệ gồm gương cầu lőm vŕ thấu kính hội tụ (kính thięn văn phản xạ).
Nhờ phần mềm, học sinh cũng dễ dàng thiết kế mơ hình ống nhịm Galilê khi sử dụng linh kiện quang học thứ nhất là thấu kính hội tụ và linh kiện thứ hai là thấu kính phân kì. Trong trường hợp này, nhờ phần mềm học sinh dễ dàng thay đổi khoảng cách từ ảnh (qua thấu kính hội tụ) đến thấu kính phân kì, sao cho ảnh này đóng vai trị vật ảo của thấu kính phân kì và nằm gần tiêu điểm vật của thấu kính.
+ Sử dụng phần mềm hỗ trợ dạy học nội dung mục 1 "Nguyên tắc cấu tạo kính thiên văn" nhằm phát huy tính tích cực, tự lực của học sinh
Sử dụng phần mềm để thiết kế mơ hình ống nhịm Galilê
Ở mục 1. “Nguyên tắc cấu tạo của kính thiên văn”, giáo viên có thể sử dụng cách đặt vấn đề như trình bày ở phần đầu của bài trong SGK Vật lí 11 (bộ 1) “Trong nghiên cứu thiên văn, để quan sát rõ các thiên thể ở rất xa Trái Đất, cần phải tạo ra một loại dụng cụ quang học hỗ trợ cho mắt sao cho khi nhìn thiên thể qua dụng cụ quang học, sẽ thấy ảnh của thiên thể dưới góc trơng lớn hơn rất nhiều lần so với khi nhìn trực tiếp bằng mắt. Về nguyên tắc, dụng cụ quang học đó có thể được cấu tạo như thế nào?”
(Nội dung này tương ứng với bước 1 theo con đường hai của phương pháp dạy học các ứng dụng kĩ thuật ).
Để có thể đưa ra nguyên tắc cấu tạo kính thiên văn, giáo viên có thể trao đổi với học sinh để thống nhất về nguyên tắc cấu tạo kính như đă nêu ra trong SGK: "Muốn tăng góc trơng thì trước hết phải tạo được một ảnh thật của nó ở vị trí gần nhờ linh kiện quang học thứ nhất. Sau đó nhìn ảnh này qua linh kiện quang học thứ hai để thấy ảnh cuối cùng dưới một góc trơng lớn hơn”.
Từ nguyên tắc cấu tạo trên, giáo viên tổ chức học sinh thảo luận theo nhóm để xác định linh kiện quang học nào đóng vai trị linh kiện quang học thứ nhất, linh kiện quang học nào đóng vai trị linh kiện quang học thứ hai.
Học sinh có thể suy nghĩ, đề xuất cả ba mơ hình: kính thiên văn khúc xạ, kính thiên văn phản xạ và ống nhịm. Sau đó, trong khi thảo luận, giáo viên và học sinh dùng phần mềm để kiểm tra xem các phương án do các nhóm học sinh đề xuất có đúng khơng (Nội dung này tương ứng với bước 2 theo con đường hai của phương pháp dạy học các ứng dụng kĩ thuật ).
Nếu muốn học sinh khơng đưa ra được mơ hình ống nhịm thì giáo viên có thể đặt câu hỏi "Thay cho kính lúp ở mơ hình kính thiên văn khúc xạ, ta có thể dùng linh kiện quang học khác được khơng?”. Học sinh có thể nghĩ: sử dụng thấu kính phân kì thay cho thấu kính hội tụ, khi đó cần điều chỉnh ảnh trung gian nằm ở sát tiêu điểm vật của thấu kính phân kì. Để kiểm tra tính đúng đắn của các phương án thiết kế đă đựoc lựa chọn theo lí thuyết ở tręn, giáo vięn sử dụng các dụng cụ thí nghiệm để lắp thŕnh kính thięn văn khúc xạ vŕ ống nhňm. Đại diện học sinh quan sát ảnh của vật ở xa qua hai kính nŕy để khẳng định tính đúng đắn của các phương án thiết kế vừa thảo luận, thống nhất. Tất cả học sinh trong lớp có thể quan sát vật qua hai kính này trong giờ nghỉ (Nội dung này tương ứng với bước 3 theo con đường hai của phương pháp dạy học các ứng dụng kĩ thuật).
Dưới đây là sơ đồ về tiến tŕnh xây dựng nội dung kiến thức ở mục 1. “Nguyên tắc cấu tạo của kính thiên văn" theo SGK vật lí lớp 11 thí điểm (bộ 1) với sự trợ giúp của phần mềm. Trong tiến trình này, chỉ trình bày đến những giai đoạn có sự hỗ trợ của phần mềm.
Dưới đây là sơ đồ về tiến tŕnh xây dựng nội dung kiến thức ở mục 1. “Nguyên tắc cấu tạo của kính thiên văn" theo SGK vật lí lớp 11 thí điểm (bộ 1) với sự trợ giúp của phần mềm. Trong tiến trình này, chỉ trình bày đến những giai đoạn có sự hỗ trợ của phần mềm.
Sử dụng phần mềm phân tích băng hình ghi các q trình vật lí thực
Trong chục năm gần đây, nhiều phần mềm phân tích băng hình của nước ngồi và trong nước được xây dựng, ví dụ như: Videopoint, CUPLE (Mĩ), DIVA (Đức), Galileo (Đức), Galileo (Việt, phiên bản 1.1.V ),..Phân tích Video (Việt)...v..v...Dưới đây minh hoạ việc sử dụng phần mềm "Phân tích Video" trong việc dạy học bài "Định luật bảo toŕn động lượng” trong chương trěnh vật lí 10, THPT.
a) Sử dụng phần mềm "Phân tích video" trong việc dạy học nội dung "Định luật bảo tồn động lượng”
+ Các khó khăn khi dạy học bài "Định luật bảo toàn động lượng”
Trong nghiên cứu các chuyển động cơ học, nhiều thiết bị thí nghiệm khơng ghi được vị trí và thời điểm tương ứng của 2 vật đang chuyển động. Những năm gần đây mới có những thiết bị ghi được vị trí và thời điểm bằng phương pháp đánh tia lửa điện vào một tờ giấy kim loại mỏng, song việc đo đạc xác định vị trí các vết tia lửa điện rất mất thời
gian, 45 phút khơng đủ. Nếu có sử dụng các thiết bị này thì chỉ có thể dùng trong bài thí nghiệm thực hành.
Nhờ thiết bị thí nghiệm ghép nối với máy vi tính thì có thể xác định vị trí các vật và thời điểm tương ứng rất nhanh nhưng chỉ có thể khảo sát các chuyển động có các quĩ đạo theo phương đã xác định trước. Đối với các chuyển động có quĩ đạo bất kì, ví dụ như các va chạm của 2 vật trong mặt phẳng (khơng gian 2 chiều) thì khơng khảo sát được. Khi nghiên cứu định luật bảo toàn động lượng, trong trường hợp hai vật chuyển động từ hai phương bất kì đến va chạm vào nhau thì các thiết bị thí nghiệm truyền thống cũng như thiết bị thí nghiệm ghép nối với máy vi tính khơng đáp ứng được. Từ phân tích này, ta thấy có nhu cần cần phải sử dụng phần mềm phân tích băng ghi hình để giải quyết các khó khăn trên.
+ Những hỗ trợ của phần mềm “Phân tích Video”
Cũng như các phần mềm phân tích băng h́nh khác, phần mềm phân tích video hỗ trợ việc nghiên cứu các chyển động cơ học trong các lĩnh vực sau:
• Quay lại trên màn hình chuyển động cơ học cần nghiên cứu
• Xác định vị trí toạ độ và thời điểm tương ứng của vật thông qua lập bảng về quan hệ giữa toạ độ và thời gian trong chuyển động và vẽ đồ thị y, x theo t.
Bảng số liệu toạ độ và thời gian của chuyển động 2 vật trước và sau va chạm
• Phân tích, xử lí số liệu và trình bày kết quả của việc phân tích, xử lí này (ví dụ như tính tốn, lập các bảng hay vẽ đồ thị về các mối quan hệ v-t, a-t..v…) (H́nh dưới)
Kiểm tra tính đúng đắn của dự đốn (giả thuyết khoa học), điều chỉnh dự đốn để tìm ra qui luật của các mối quan hệ.
Ngồi ra, phần mềm cịn thêm một số chức năng hỗ trợ cho việc nghiên cứu từng chuyển động cơ học riêng biệt, ví dụ phần mềm thêm các chức năng sau hỗ trợ nghiên cứu định luật bảo tồn động lượng:
• Tính tổng các tích của các đại lượng vật lí liên quan đến hai vật trong va chạm, ví dụ như các đại lượng mv2/2, mv, m2v2, ..v..v...Chức năng này hỗ trợ việc kiểm tra giả thuyết khoa học (Hình dưới).
Vẽ biểu đồ véc tơ của các véc tơ thành phần của động lượng từng vật cũng như véc tơ tổng động lượng của cả hệ trước và sau va chạm trên cùng một hệ toạ độ. Chức năng này hỗ trợ việc kiểm tra giả thuyết khoa học đồng thời hiển thị trực quan kết quả bằng biểu đồ (Hình dưới).
Biểu đồ véc tơ của các véc tơ thành phần của động lượng từng vật cũng như véc tơ tổng động lượng của cả hệ trước và sau va chạm trên cùng một hệ toạ độ
• Có thể xem hướng dẫn sử dụng phần mềm phân tích băng hình để nghiên cứu định luật bảo tồn động lượng qua Videoclip khi nhấn chuột trái vào các dòng chữ màu xanh này.
Hướng dẫn sử dụng phần mềm phân tích băng hình
+ Sử dụng phần mềm phân tích Video hỗ trợ dạy học bài “Định luật bảo toàn động lượng” nhằm phát huy tính tích cực, tự lực của học sinh trong việc giải quyết vấn đề Khi dạy học bài "Định luật bảo toŕn động lượng”, để học sinh tham gia tích cực, tự lực vŕ sáng tạo trong việc giải quyết vấn đề, giáo viên có thể dạy theo sơ đồ về tiến trěnh xây dựng định luật sau (Hình dưới):
Với sự hỗ trợ của phần mềm phân tích video như vậy, từ các quan sát cũng như số liệu, đồ thị, thực nghiệm, các kết quả tính tốn, xử lí số liệu... học sinh có thể tham gia tích cực vào việc đề xuất giả thuyết khoa học, sau đó lại nhờ phần mềm kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết để tìm ra định luật bảo tồn động lượng.
b) Minh hoạ việc sử dụng phần mềm "Rơi tự do" viết bằng Macromedia Flash theo phương pháp phân tích băng hình