Chương 1. Cơ sở lý luận và thực tiễn của việc xây dựng và sử dụng các thí nghiệm về Dao động cơ có kết nối với điện thoại thông minh nhằm bồi dưỡng năng lực thực nghiệm của học sinh trong dạy học vật lí ở trường phổ thông
1.3. Thiết bị thí nghiệm kết nối với phương tiện số
1.3.2. Thí nghiệm kết nối với điện thoại thông minh
Khái niệm thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh
Thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh trong dạy học vật lí cũng được coi là một thí nghiệm vật lí. Vì vậy, để xác định khái niệm thí kết nối điện thoại thông minh trong dạy học vật lí, xuất phát từ khái niệm thí nghiệm vật lí (đã được trình bày trong mục 1.2.1).
Theo Từ điển tiếng Việt, thí nghiệm (TN) là gây ra một hiện tượng, một sự biến đổi nào đó trong điều kiện xác định để quan sát, tìm hiểu, nghiên cứu, kiểm tra hay chứng minh (Hoàng Phê, 2016). Một số quan điểm khác lại cho rằng: TN là một sự thử nghiệm hay kiểm tra một lý thuyết khoa học bằng cách thao tác với yếu tố trong môi trường để quan sát kết quả có phù hợp với các tiên đoán lý thuyết hay không (Phạm Đình Cương, 2002), (Đồng Thị Diện, 2005), (Phạm Thị Phú, 1999), (Nguyễn Minh Tân, 2010), (Nguyễn Đức Nhâm và Nguyễn Ngọc Hưng, 1999). Thí nghiệm còn được hiểu là: Quá trình tạo dựng một sự quan sát hay thực hiện một phép đo. Thí nghiệm là sự quan sát hiện tượng nghiên cứu trong các điều kiện được kiểm tra chính xác, cho phép theo dõi tiến trình của hiện tượng và tái tạo nó mỗi lần lặp lại các hiện tượng này (Đỗ Hương Trà, 2011), (Thái Duy Tuyên, 2008), (Phan Gia Anh Vũ, 2000).
Như vậy, có thể hiểu TN là quá trình con người tác động một cách có chủ đích, hệ thống lên một đối tượng trong một điều kiện nhất định nhằm một mục đích xác định. Cũng từ khái niệm đó, thí nghiệm vật lí (TNVL) được hiểu là TN để nghiên cứu các hiện tượng, quá trình vật lí.
Tuy nhiên, tùy vào các tiêu chí khác nhau, ta có thể có nhiều loại thí nghiệm vật lí khác nhau trong dạy học. Nếu căn cứ vào mục đích lý luận dạy học của TN, ta có các loại sau: TN biểu diễn và TN thực tập của HS (Phạm Đình Cương, 2002), (Nguyễn Đức Thâm và Nguyễn Ngọc Hưng, 1999). Nếu dựa vào môi trường làm việc của TN, ta lại có thể chia TN ra thành hai loại TN thật và TN ảo. Trong đó, TN ảo là các TN được xây dựng trên môi trường máy vi tính, điện thoại thông minh kể cả thiết bị thí nghiệm lẫn chủ thể nghiên cứu, học sinh tương tác thông qua màn hình máy tính, màn hình cảm ứng điện thoại và hệ thống chuột, bàn phím. Thí nghiệm thật là những TN được học sinh thực hiện trực tiếp, tương tác trực tiếp với chủ thể nghiên cứu và thiết bị đo. Với sự ra đời và phát triển mạnh của công nghệ: máy vi tính, điện thoại thông minh, ngày càng có nhiều công đoạn của TN được thực hiện hoặc hỗ trợ nhờ điện thoại thông minh và cảm biến. Nếu dựa vào tiêu chí này, ta lại chia TN thật làm hai loại:
- Thí nghiệm truyền thống là TN trong đó người học thực hiện TN và không có sự hỗ trợ của máy vi tính, điện thoại thông minh.
- Thí nghiệm kết nối máy tính, điện thoại thông minh (hay thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy tính, điện thoại thông minh) là TN trong đó việc tiến hành TN được thực hiện như TN truyền thống nhưng có sự xuất hiện của máy tính, điện thoại thông minh được sử dụng như là một công cụ hỗ trợ việc thu thập và xử lí số liệu nhờ kết nối với các cảm biến hoặc các thiết bị thu thập số liệu khác.
Như vậy có thể định nghĩa TNKNĐTTM là các thí nghiệm vật lí được tiến hành trực tiếp và có sự kết nối với điện thoại thông minh nhằm thu thập và xử lí số liệu.
Các thành phần của thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh
Thí nghiệm là quá trình con người tác động lên một một đối tượng vật lí trong một điều kiện nhất định, từ đó quan sát hoặc đo đạc các thông số nhằm một mục đích xác định (tìm hiểu bản chất đối tượng, tìm hiểu quy luật đối tượng, kiểm chứng lý thuyết hoặc xây dựng mô hình ứng dụng). Như vậy, ngoài mục đích thí nghiệm, các thành phần còn lại của thí nghiệm là:
(1) Một đối tượng vật lí cần nghiên cứu;
(2) Các thao tác và công cụ tác động lên đối tượng vật lí theo một trình tự nhất định và trong những điều kiện xác định;
(3) Các thiết bị đo đạc hoặc quan sát thí nghiệm;
(4) Các công cụ hỗ trợ xử lí kết quả thí nghiệm. Các thành phần của một thí nghiệm vật lí như vậy, có thể hình dung qua sơ đồ sau.
Sơ đồ 1.4. Sơ đồ các thành phần của một thí nghiệm vật lí
Các TNKNĐTTM số liệu thí nghiệm được thu thập nhờ các cảm biến (thiết bị đo), kết nối trực tiếp (hoặc thông qua các bộ kết nối) với điện thoại thông minh, gửi dữ liệu qua điện thoại và được xử lí nhờ phần mềm, ứng dụng (công cụ hỗ trợ xử lí số liệu). Trong luận án này, chúng tôi gọi tên cụm thiết bị đo cảm biến + thiết bị kết nối điện thoại thông minh (nếu có) + phần mềm, ứng dụng xử lí số liệu là thiết bị kết nối điện thoại thông minh. Nói cách khác, thiết bị kết nối điện thoại thông minh là bộ công cụ hỗ trợ các thí nghiệm, giúp thu thập số liệu và xử lí số liệu nhờ cảm biến và các phần mềm, ứng dụng trên điện thoại thông minh. Hiểu theo cách này, ngoài mục đích thí nghiệm, một TNKNĐTTM sẽ gồm 3 thành phần sau:
- Đối tượng vật lí cần nghiên cứu (a).
- Các thao tác hoặc công cụ tác động lên đối tượng vật lí theo một trình tự nhất định và trong những điều kiện xác định (b).
- Thiết bị kết nối điện thoại thông minh (c).
Sơ đồ 1.5. Sơ đồ thành phần của một thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh Bằng việc phân tích rõ các thành phần của TNKNĐTTM như trên, chúng ta thấy rằng, một TNKNĐTTM chỉ khác thí nghiệm thông thường ở sự có mặt của thiết bị kết nối điện thoại thông minh. Chất lượng thí nghiệm và kết quả mang lại của thí nghiệm phụ thuộc rất nhiều vào khả năng và chất lượng của thiết bị kết nối. Việc xây dựng TNKNĐTTM vì vậy cũng tập trung nhiều nhất ở việc lựa chọn hoặc chế tạo thiết bị kết nối máy tính phù hợp với mục đích thí nghiệm và đảm bảo có các chức năng, khả năng xử lí số liệu đáp ứng được yêu cầu của thí nghiệm.
Vai trò, chức năng của thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh
Thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh trong dạy học vật lí cũng được coi là một thí nghiệm vật lí, vì vậy cũng có các vai trò và chức năng như các thí nghiệm vật lí nói chung (vấn đề này đã được trình bày rõ ở phần 1.2.2)
Nếu phân tích dựa trên quan điểm của lý luận nhận thức, TN có các vai trò và chức năng như sau:
- Thí nghiệm là phương tiện nhận thức, giúp con người tìm kiếm và thu nhận kiến thức khoa học cần thiết.
- Thí nghiệm là phương tiện kiểm tra tính đúng đắn của tri thức, kiểm chứng sự đúng đắn trong suy luận và kiến thức mà người làm thí nghiệm thu nhận được.
- Thí nghiệm là phương tiện thử nghiệm cho việc vận dụng tri thức vào thực tiễn.
- Thí nghiệm là một bộ phận của các phương pháp nhận thức.
Nếu phân tích dựa trên quan điểm của lý luận dạy học, TN cũng có vai trò và chức năng quan trọng trong dạy học vật lí, thể hiện ở các mặt:
- Thí nghiệm có thể được sử dụng trong hầu hết các giai đoạn khác nhau của tiến trình dạy học
- Thí nghiệm góp phần vào việc phát triển toàn diện học sinh.
- Thí nghiệm là phương tiện góp phần quan trọng vào việc giáo dục kĩ thuật tổng hợp cho học sinh.
- Thí nghiệm là phương tiện kích thích hứng thú học tập, tính tò mò, ham hiểu biết của học sinh, làm cho các em tích cực và sáng tạo hơn trong quá trình nhận thức, khơi dậy ở các em nhu cầu khám phá những điều mới, những điều bí ẩn và cao hơn là hình thành nên những ý tưởng cho những thí nghiệm mới.
- Thí nghiệm vật lí là phương tiện tổ chức các hình thức làm việc độc lập hoặc tập thể qua đó góp phần bồi dưỡng các phẩm chất đạo đức của học sinh, phát huy vai trò cá nhân hoặc tính cộng đồng trách nhiệm trong công việc của các em.
- Thí nghiệm vật lí góp phần làm đơn giản hoá các hiện tượng và quá trình vật lí, tạo trực quan sinh động nhằm hỗ trợ cho tư duy trừu tượng, giúp cho học sinh tư duy trên những đối tượng cụ thể, những hiện tượng và quá trình đang diễn ra trước mắt họ.
Các hiện tượng trong tự nhiên xảy ra vô cùng phức tạp, có mối quan hệ đan xen với nhau, do đó không thể cùng một lúc phân biệt những tính chất đặc trưng của từng hiện tượng riêng lẻ, cũng như không thể cùng một lúc phân biệt được ảnh hưởng của tính chất này lên tính chất khác. Thí nghiệm vật lí góp phần làm nổi bật những khía cạnh cần nghiên cứu của từng hiện tượng và quá trình, giúp học sinh dễ quan sát, dễ theo dõi và dễ tiếp thu bài.
Như vậy có thể thấy, TN nói chung và TNKNĐTTM nói riêng có vai trò và chức năng quan trọng trong quá trình tổ chức dạy học, nhất là trong bồi dưỡng năng lực thực nghiệm của học sinh. Dạy học với TN không những giúp HS hiểu đúng bản chất của hiện tượng vật lí, làm cơ sở nghiên cứu sâu hơn các kiến thức vật lí, hình thành và phát triển năng lực học sinh, mà còn thu hút sự chú ý của học sinh, tạo đam mê, hứng thú, kích thích học sinh chủ động tích cực bồi dưỡng năng lực thực nghiệm.
Vì vậy, tổ chức dạy học vật lí cần chú ý đến việc tăng cường sử dụng các TN trong dạy học, cải tiến các TN nhằm tăng cường bồi dưỡng năng lực thực nghiệm của HS trong dạy học vật lí với TN, TNKNĐTTM.
Ưu điểm và hạn chế của thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh trong dạy học vật lí
Ưu điểm của TNKNĐTTM trong thực hiện mục đích thí nghiệm
Để thấy rõ ưu và nhược điểm của TNKNĐTTM so với TN truyền thống, trước hết, cần phân tích ưu và nhược điểm của TNKNĐTTM trong việc thực hiện mục đích của TN. Xét trên phương diện này, dù thí nghiệm có kết nối hay không kết nối điện thoại thông minh cũng phải trải qua các bước như sau:
- Bước 1: Tiến hành thí nghiệm để có thể quan sát được (bằng mắt hay bằng các phương tiện hỗ trợ) hiện tượng, quá trình vật lí cần nghiên cứu;
- Bước 2: Thu thập số liệu đo;
- Bước 3: Xử lí số liệu đo (tính toán, đối chiếu, so sánh...) và trình bày kết quả;
- Bước 4: Từ các kết quả xử lí đó, tìm ra hay chứng tỏ sự tồn tại các mối quan hệ có tính qui luật trong hiện tượng, quá trình đang nghiên cứu.
Từ tiến trình đó, có thể phân tích thấy ưu điểm của TNKNĐTTM so với TN truyền thống thể hiện ở các điểm sau:
- Ở bước tiến hành TN, sẽ không có sự khác nhau giữa TN truyền thống hay TNKNĐTTM vì đều phải thể hiện được hiện tượng, quá trình vật lí quan sát. Chỉ có sự khác nhau nhỏ trong việc sắp xếp thí nghiệm đảm bảo đo đạc được các thông số cần đo. Khi đó, vì số liệu đo đạc trong TNKNĐTTM được thực hiện tự động bởi các cảm biến và có thể không tiếp xúc nên quá trình tiến hành TN đối với TNKNĐTTM thường sẽ tiết kiệm thời gian hơn so với TN truyền thống.
- Ở bước thu thập số liệu đo ở các TN truyền thống, trong quá trình quan sát ta đã phải đo, đếm hay đánh dấu sẵn. Trong mỗi lần TN thường phải đo từ 2 đại lượng trở lên và lại phải đo nhiều giá trị khác nhau. Rồi cùng một TN lại phải tiến hành nhiều lần, đo nhiều lần. Nói chung, thời gian và công sức thu thập số liệu là rất đáng kể và ở nhiều TN công việc này là khó khăn đối với GV và HS, nhất là các TN với các hiện tượng xảy ra nhanh. Song ở các TNKNĐTTM, các số liệu đã được tự động thu thập nhờ cảm biến rồi truyền đến bộ kết nối truyển qua điện thoại thông minh. Do được tự động hoá hoàn toàn nên việc thu thập số liệu đo này ở TNKNĐTTM xảy ra cực kì nhanh, trong vài chục giây, ta có thể có ngay nhiều số liệu đó trên màn hình điện thoại.
- Ở bước xử lí số liệu, cũng nhờ điện thoại thông minh và phần mềm, ứng dụng, TNKNĐTTM có thể phân tích, xử lí số liệu (Theo các chương trình do phần mềm, ứng dụng định sẵn) nhanh và mạnh mẽ hơn so với xử lí số liệu trong TN truyền thống. Ý định phân tích, xử lí số liệu như thế nào là hoàn toàn do người nghiên cứu (giáo viên hay học sinh) đặt ra. Còn các phép tính toán cụ thể như: cộng, trừ, nhân, chia, bình phương, khai căn..., lập các biểu bảng, vẽ các đồ thị về các mối quan hệ giữa các đại lượng đang nghiên cứu đều do điện thoại thông minh thực hiện. Các kết quả tính toán, các biểu bảng cũng như các đồ thị này cũng được hiển thị ngay trên màn hình điện thoại. Quá trình tính toán, lập biểu bảng hay vẽ đồ thị này điện thoại chỉ làm trong trong vài chục giây tới một vài phút. Kết quả hiển thị trên màn hình là hoàn toàn chính xác và rất khoa học, đẹp mắt. Còn trong thí nghiệm truyền thống, việc lập biểu bảng, tính toán hay vẽ đồ thị trong quá trnh xử lí số liệu được thực hiện
“thủ công” thường chiếm rất nhiều thời gian, và không phải tác vụ xử lí nào cũng có thể thực hiện được, hoặc thể hiện trực quan được.
- Ở bước tìm ra hoặc chứng tỏ quy luật vật lí tồn tại trong hiện tượng, TNKNĐTTM cũng thể hiện ưu điểm vượt trội, do khả năng xử lí và thể hiện kết quả nhanh, đa dạng, trực quan hơn TN truyền thống.
Có thể tổng kết lại những ưu điểm của TNKNĐTTM so với TN truyền thống là:
- Trực quan cao hơn trong việc trình bày số liệu đo, hiển thị kết quả;
- Tiết kiệm rất nhiều thời gian do thu thập, xử lí số liệu hoàn toàn tự động;
- Cho phép thu thập nhiều kiểu dữ liệu với số lượng lớn trong thời gian rất ngắn;
- Số liệu đo được có độ chính xác cao hơn;
- Tiết kiệm thời gian lắp đặt thí nghiệm;
Ưu điểm của TNKNĐTTM trong thực hiện mục đích dạy học
Trong quá trình tổ chức dạy học vật lí ở trường THPT, một số TN truyền thống hoàn toàn có thể được thay thế bằng TNKNĐTTM, bên cạnh đó cũng có thể xây dựng mới các TNKNĐTTM hỗ trợ tổ chức dạy học một số kiến thức mà không thể thực hiện TN truyền thống. Nếu xét về mặt tổ chức hoạt động dạy học bồi dưỡng năng lực thực nghiệm cho HS THPT, TNKNĐTTM cũng có nhiều ưu điểm so với các TN truyền thống, thể hiện ở các khả năng cụ thể như sau:
- Dụng cụ TN gần gũi với học sinh, tạo cho học sinh hứng thú tìm tòi, đa số học sinh hiện nay đều được trang bị thiết bị điện thoại thông minh;
- Thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh mở ra khả năng tìm hiểu vấn đề nhanh và dễ dàng bộc lộ bản chất hiện tượng nhất. Với khả năng đo nhanh, tốc độ, chính xác và đặc biệt thể hiện ngay lập tức dưới dạng trực quan (đồ thị, bảng biểu), TNKNĐTTM giúp hiện tượng vật lí trong dạy học hiện rõ bản chất của mình một các rõ ràng. Nhờ vậy, khâu đặt vấn đề, quan sát hiện tượng trong các giai đoạn dạy học trở lên hấp dẫn HS và kích thích HS hứng thú tham gia vào bài học.
- Thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh mở ra khả năng tìm hiểu các vấn đề vật lí khó quan sát. Nhiều hiện tượng vật lí xảy ra nhanh và không trực quan, ví dụ như rơi tự do, dao động, sóng, dòng điện xoay chiều, … và vì vậy, rất khó để học sinh có hứng thú trong các giờ học tìm hiểu các kiến thức này nếu không có thiết bị
giúp HS hình dung về hiện tượng. Các TNKNĐTTM đã mở ra cơ hội rõ nét cho việc trực quan hóa các hiện tượng như vậy, nhờ đó HS hoạt động tìm hiểu hiện tượng và các quy luật của nó một cách tích cực hơn.
- Thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh mở ra khả năng tìm hiểu sâu hơn về các hiện tượng – quy luật vật lí. Với khả năng xử lí mạnh mẽ của ứng dụng trên điện thoại, thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh cho khả năng xử lí số liệu nhanh, mạnh, vượt xa khả năng tính toán bằng tay lẫn tư duy của con người. Điều này có ý nghĩa cực kì quan trọng khi giáo dục hướng đến tư duy của học sinh, mà ở đó, với khả năng nhạy bén của mình, nhiều học sinh có những thắc mắc, tìm tòi xa hơn nhiều vấn đề đặt ra của bài học. Khi đó, các TNKNĐTTM có thể giúp những học sinh đó tiến xa hơn rất nhiều trong việc quan tâm đến vấn đề học tập. Đó cũng là một khía cạnh cao của bồi dưỡng năng lực thực nghiệm hoạt động học tập.
- Thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh mở ra nhiều phương án tìm hiểu hiện tượng và quy luật vật lí. Với mỗi hiện tượng và quy luật vật lí, luôn có nhiều phương án để nghiên cứu, kiểm tra, kiểm chứng, nhưng do giới hạn về khả năng, về thiết bị, con người vốn không thỏa mãn với các phương án mà mình thực hiện. Và một khi, một phương án mới được thực hiện, bản chất vật lí hiện rõ hơn, thậm chí xuất hiện quy luật mới. Vì vậy, thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh giúp GV và HS rộng mở hơn trong việc đề xuất và thực hiện các phương án thí nghiệm, từ đó HS cảm thấy vấn đề trở lên lí thú và tích cực tìm hiểu từ đó năng lực thực nghiệm sẽ được rèn rũa và bồi dưỡng thêm.
- Thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh tạo hứng thú với nhiệm vụ học tập.
Do tính chất hiện đại của thiết bị, gần gũi với những ứng dụng tân tiến trong cuộc sống, các TNKNĐTTM mang lại cảm xúc mới mẻ, hứng thú, tâm lí muốn tìm hiểu cho HS. Điều này, bước đầu giúp HS hăng hái tìm hiểu kiến thức, khám phá hiện tượng, và từ đó hiệu quả dạy học cũng được nâng cao.
Hạn chế của thí nghiệm kết nối điện thoại thông minh.
Tuy có nhiều ưu điểm, nhưng TNKNĐTTM cũng có một số hạn chế như:
- Đòi hỏi người sử dụng có thời gian làm quen với máy vi tính, điện thoại thông minh và với việc sử dụng các phần mềm, ứng dụng;