Những khả năng hỗ trợ của các phần mềm trong dạy học Vật lý

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG PHẦN MỀM DẠY HỌC THEO HƯỚNG TÍCH CỰC HOÁ HOẠT ĐỘNG NHẬN THỨC CỦA HỌC SINH TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG “ DAO ĐỘNG CƠ HỌC” VẬT LÝ 12 THPT

1.3. Những vấn đề chung về phần mềm sử dụng trong dạy học Vật lý

1.3.3. Những khả năng hỗ trợ của các phần mềm trong dạy học Vật lý

Những khả năng sử dụng của MVT trong dạy học Vật lý được các tác giả trình bày trong nhiều tài liệu khác nhau [3] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17]

[19] [22] [27] [30] [34] [36]. Dưới đây chúng tôi trình bày cụ thể khả năng sử dụng chủ yếu của MVT trong dạy học Vật lý:

1. Sử dụng MVT trong việc mô phỏng các đối tượng nghiên cứu của Vật lý.

Mô phỏng đối tượng nghiên cứu của Vật lý nhờ MVT theo quan điểm của lý luận dạy học hiện đại là một phương pháp nhận thức, một phương pháp dạy học. Nó xuất phát từ các tiên đề hay các mô hình được viết dưới dạng toán học hoặc xuất phát từ mối quan hệ định tính của các đại lượng Vật lý, thông qua các phần mềm cài đặt trên MVT để giải quyết nhiệm vụ sau:

- Mô phỏng, minh họa các hiện tượng, quá trình Vật lý một cách trực quan, chính xác dễ quan sát và nghiên cứu. Các mô phỏng xuất phát từ các tiên đề hay mô hình được viết dưới dạng toán học, thông qua vận dụng các phương pháp tính toán trên mô hình nhờ MVT được gọi là các mô phỏng chính xác hay mô phỏng định lượng. Các mô phỏng chính xác có thể nêu ra như: mô phỏng sự biến đổi của i và u của dòng điện xoay chiều (Hình 1.1) hay mô phỏng từ trường quay trong động cơ không đồng bộ ba pha (Hình 1.2).

Còn các mô phỏng, nhờ phần mềm và MVT, dựa trên các mối quan hệ định tính của các đại lượng Vật lý gọi là mô phỏng định tính hay mô phỏng không chính xác. Ví dụ như: mô phỏng về quan hệ giữa vận tốc chuyển động nhiệt của phân tử chất lỏng với nhiệt độ (Hình 1.3), hay mô phỏng về sự biến đổi số đường cảm ứng từ qua tiết diện khung dây dẫn kín (Hình 1.4).

- Mô phỏng các hiện tượng, quá trình Vật lý để qua đó đưa ra các dự đoán, giả thuyết về hiện tượng, quá trình Vật lý mới, tìm ra kiến thức mới bằng con đường nhận thức lý thuyết. Ta có thể thực hiện nhiệm vụ này một cách tuần tự như sơ đồ sau:

Hình 1.4.

Mô phỏng về sự biến đổi số đường cảm ứng từ qua tiết diện khung

dây dẫn kín.

Hình 1.3.

Mô phỏng về quan hệ giữa vận tốc chuyển động nhiệt của phân tử

chất lỏng với nhiệt độ.

động cơ không đồng bộ ba pha.

của dòng điện xoay chiều.

Ví dụ khi xây dựng kiến thức về dao động của con lắc lò xo dao động theo phương nằm ngang chỉ dưới tác dụng của lực đàn hồi được tiến hành theo trình tự sau:

Xuất phát từ biểu thức

F=-kx và định luật 2 Newton:

F=ma có thể suy ra:

Vấn đề

Xây dựng tiên đề, mô hình

Suy luận logic, tính toán lý thuyết trên mô hình, rút ra kết luận.

Kiểm tra kết luận bằng thực nghiệm

Giải thích, tiên đoán các hiện tượng liên quan

Vì a=v’ và v=x’ nên a=x”. Do đó ta có thể viết được:

Đây là phương trình vi phân hạng 2 nên HS không thể tìm nghiệm x của phương trình được mà phải chấp nhận nghiệm có dạng

x=Acos(t+) hoặc x=Asin((t+) trong đó A,  là hằng số và k

  m .

Chỉ sau khi chấp nhận nghiệm này HS mới có thể tìm ra quy luật về dao động của con lắc theo phương nằm ngang đó là:

 Li độ dao động của con lắc được mô tả theo định luật hình sin.

 Vận tốc góc k

  m (hay chu kỳ 2 m T   k )

 Độ lệch pha giữa x, v và a.

Để giải quyết khó khăn trên trong quá trình giảng dạy GV có thể sử dụng MVT và các phần mềm trong việc mô phỏng dao động của con lắc lò xo để rút ra các mối quan hệ trên mà không bắt HS chấp nhận nghiệm của phương trình vi phân bậc 2. Trình tự quá trình này như sau:

Từ quan sát dao động của con lắc lò xo có thể đặt ra vấn đề: dao động của con lắc lò xo tuân theo quy luật nào?

Để giải quyết vấn đề theo con đường lý thuyết cũng dựa trên mô hình như trong SGK. Khi HS đưa ra được phương trình vi phân bậc 2, giáo viên sử dụng phần mềm mô phỏng có sẵn để hiển thị cho HS quan sát:

 Hình ảnh về quá trình dao động theo phương nằm ngang của con lắc lò xo ứng với các giá trị k, m, v0, x0 ( các giá trị này có thể thay đổi được)

 Đồ thị về li độ x, vận tốc v và gia tốc a theo thời gian của con lắc.

Từ việc quan sát đồ thị li độ x theo thời gian của dao động cho thấy dao động của con lắc tuân theo quy luật hình sin và đó là dao động điều hòa.

Từ quan sát đồ thị li độ x, vận tốc v và gia tốc a theo thời gian của con lắc có thể xác định độ lệch pha của x, v, a

Hình 1.5: Đồ thị x, v, a

Khi thay đổi k mà không thay đổi m hoặc thay đổi m mà không thay đổi k sẽ cho đồ thị li độ dao động của con lắc với chu kỳ khác nhau tương ứng sự thay đổi này. Từ đó HS tìm được mối quan hệ của chu kỳ T và k, chu kỳ T và m cũng tức là mối quan hệ giữa  với k và m

Hình 1.6: Đồ thị khi thay đổi độ cứng lò xo.

Như vậy các mối quan hệ trong dao động điều hòa của con lắc lò xo có thể được tìm ra bằng con đường lý thuyết có sự hỗ trợ của MVT và phần mềm dạy học tương ứng.

2. Sử dụng máy vi tính hỗ trợ việc xây dựng các mô hình toán học của các hiện tượng, quá trình vật lí

Khi nghiên cứu các hiện tượng, quá trình vật lí mới, người ta tiến hành quan sát, đo đạc, thu thập phân tích, xử lý số liệu để đi đến được các quy luật chi phối chúng. Việc đầu tiên người ta thử xem các hiện tượng, quá trình này có tuân theo các quy luật đã biết không. Nếu các quá trình này không tuân theo các quy luật đã biết thì việc thử đưa ra, xây dựng một mô hình toán học mới (đồ thị, biểu thức, phương trình) cho hiện tượng, quá trình vật lí đang nghiên cứu sao cho giải thích được các kết quả quan sát, đo đạc đã thu thập được trong quá trình nghiên cứu của chúng là hết sức cần thiết và thường được làm trong nghiên cứu vật lí.

Quá trình xây dựng mô hình về các hiện tượng, quá trình Vật lý có thể theo các giai đoạn sau:

- Quan sát hiện tượng, quá trình vật lí cần nghiên cứu.

Trước khi xây dựng các mô hình cần quan sát tỷ mỉ hiện tượng, quá trình đó và tiến hành các phép đo, thu thập số liệu, biểu thị dưới dạng bảng hay đồ thị. Quá trình này có thể phải tiến hành nhiều lần để đưa ra được giả thuyết về mối quan hệ có tính quy luật tồn tại trong hiện tượng, quá trình đang nghiên cứu.

- Đưa ra giả thuyết về các mối liên hệ có tính quy luật của một số đại lượng vật lí trong hiện tượng, quá trình đang nghiên cứu.

Người nghiên cứu phải từ những số liệu thu thập do quan sát, đo đạc,... để đề xuất các giả thuyết về cấu trúc, tính chất hay mối liên hệ của một số đại lượng hay quá trình nghiên cứu. Mối liên hệ này phải mang tính định lượng (biểu thị bằng các phương trình toán học), như vậy mới giải thích được một cách chính xác, sâu sắc hiện tượng.

- Kiểm tra giả thuyết (mô hình toán học).

Sau khi đưa ra giả thuyết (mô hình) phải kiểm tra giả thuyết đó là đúng hay sai, đây là việc khó khăn, không dễ dàng và mất nhiều thời gian nên khó có thể thực hiện trên lớp học. Tuy nhiên nhờ MVT và các phần mềm có thể thực hiện tính toán, đối chiếu các kết quả tính toán và các kết quả TN từ đó có thể đánh giá được sự phù hợp của mô hình với thực tiễn. Điều chỉnh cho đến khi mô hình xây dựng phù hợp với kết quả TN, đến đây mô hình mới được chấp nhận và xây dựng xong.

3. Sử dụng MVT hỗ trợ các thí nghiệm Vật lý.

Một trong các ứng dụng đặc trưng nhất của việc sử dụng MVT vào dạy học Vật lý là hỗ trợ các thí nghiệm Vật lý. Dưới đây là một hình ảnh thiết bị thí nghiệm được ghép nối với MVT.

Hình 1.7. Thiết bị thí nghiệm với đệm khí được ghép nối với máy vi tính Để hỗ trợ được các thí nghiệm Vật lý thì MVT cần được ghép nối với các thiết bị thí nghiệm. Dưới đây là sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm ghép nối với MVT về mặt nguyên lý

Theo sơ đồ này, “Bộ cảm biến” có chức năng thu thập số liệu. Nguyên tắc làm việc chung của bộ cảm biến là: các tương tác cơ, nhiệt, quang, từ... của đối tượng đo lên bộ cảm biến đều được chuyển thành tín hiệu điện. Mỗi một bộ cảm biến chỉ có một chức năng chuyển một loại tín hiệu thành tín hiệu điện, ví dụ: để đo lực dùng bộ cảm biến lực (Force Sensor), để xác định vị trí và thời điểm tương ứng của vật người ta dùng bộ cảm biến chuyển động (Motion Sensor)...

Sau khi tín hiệu hình thành tại bộ cảm biến, nó sẽ được chuyển qua dây dẫn đến bộ phận tiếp theo là “Thiết bị ghép tương thích”. Tại thiết bị này, tín hiệu được số hóa và chuyển vào máy vi tính để lưu trữ. Để tính toán, xử lý số liệu này máy tính cần cài đặt phần mềm (kèm theo thiết bị).

Đối tượng

đo

Bộ cảm biến (Sensor)

Thiết bị ghép tương thích

(Interface)

Máy vi tính cài phần mềm

sử lí số liệu

Màn hình hiển thị (Monitor)

Với thiết bị thí nghiệm ghép nối với MVT, ta có thể tự động thu thập số liệu TN, lập bảng số liệu, vẽ đồ thị TN. Từ sự phân tích số liệu TN, đồ thị TN ta có thể đưa ra dự đoán mối quan hệ mang tính quy luật giữa các đại lượng nghiên cứu và nhờ MVT kiểm tra dự đoán đó là đúng hay sai.

Sử dụng thí nghiệm Vật lý ghép nối MVT thực hiện theo tiến trình sau:

- Tiến hành thí nghiệm để có thể quan sát được hiện tượng, quá trình Vật lý cần nghiên cứu.

- Thu thập số liệu đo.

- Xử lý số liệu đo và trình bày kết quả xử lý.

- Từ các kết quả xử đó, tìm ra hay chứng tỏ sự tồn tại các mối quan hệ có tính quy luật trong hiện tượng, quá trình Vật lý đang nghiên cứu.

Thí nghiệm Vật lý ghép nối MVT có một số ưu điểm sau:

- Có tính trực quan hơn trong việc trình bày số liệu, hiển thị kết quả.

- Tiết kiệm rất nhiều thời gian do thu thập số liệu, xử lý số liệu hoàn toàn tự động.

- Cho phép thu thập nhiều bộ dữ liệu TN trong thời gian ngắn (đó là một yều cầu quan trọng trong nghiên cứu TN).

- Độ chính xác cao của các số liệu đo cũng như kết quả tính toán cuối cùng do sử dụng các thiết bị hiện đại và phương pháp tính hiện đại.

- Tiết kiệm thời gian lắp đặt thí nghiệm.

- Người sử dụng không cần thành thạo nhiều về kỹ thuật máy tính, kiến thức lập trình .

Tuy nhiên thí nghiệm Vật lý ghép nối MVT cũng còn một số khó khăn sau:

- Người sử dụng cần làm quen với máy tính và phần mềm kèm theo thiết bị.

4. Sử dụng MVT hỗ trợ việc phân tích băng video ghi các quá trình Vật lý thực.

Việc ghi các quá trình Vật lý thực vào băng hình và phát chậm lại tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho việc quan sát đối tượng nghiên cứu. Tuy nhiên việc thu thập số liệu đo, tính toán, phân tích, xử lý số liệu và trình bày kết quả xử lý còn khó khăn và mất nhiều thời gian. Để tạo điều kiện thuận lợi cho các công việc trên chúng ta có thể phân tích các băng hình nhờ MVT và các phần mềm tương ứng. Quá trình sử dụng phương pháp phân tích băng hình ghi các quá trình Vật lý thực cần thực hiện theo trình tự sau:

Bước 1: Quan sát quá trình Vật lý cần nghiên cứu.

Với các chức năng của phần mềm, ta có thể cho hình chuyển động như trong thực tế, sau đó có thể cho chuyển động chậm lại, chuyển động từng giai đoạn hay đứng yên tùy theo mục đích nghiên cứu.

Hình ảnh dưới đây là ví dụ về việc quay lại dao động của con lắc lò xo trên mặt phẳng nằm ngang nhờ MVT và phần mềm phân tích video.

Hình 1.8: Hình ảnh dao động con lắc lò xo

có thể chuyển động theo từng giai đoạn giúp quan sát kỹ hơn Bước 2: Thu thập số liệu.

Với các quá trình cơ học, nhờ phần mềm nghiên cứu có thể thu được bảng số liệu về tọa độ và thời điểm tương ứng bằng cách kích chuột vào trọng tâm của vật.

Hình 1.9: Bảng số liệu x, v theo t.

Bước 3: Phân tích, xử lý số liệu và trình bày kết quả của việc xử lý này.

Các kết quả tính toán được MVT trình bày dưới dạng bảng hay đồ thị một cách chính xác đẹp đẽ và nhanh chóng. Dựa vào bảng số liệu và đồ thị này người nghiên cứu có thể dự đoán được quy luật của đối tượng nghiên cứu.

Hình 1.10 : Đồ thị x – t được vẽ nhờ phần mềm phân tích video

Căn cứ vào số liệu và đồ thị mà MVT đưa ra, người nghiên cứu có thể dự đoán về mối quan hệ giữa các đại lượng, kiểm tra dự đoán và điều chỉnh dự đoán này một cách nhanh chóng nhờ sử dụng phần mềm, khi đồ thị TN và đồ thị lý thuyết trùng khít nhau ta có được quy luật của đối tượng nghiên cứu.

Dưới đây là một ví dụ về dự đoán quy luật dao động của con lắc lò xo và điều chỉnh dự đoán để tìm ra quy luật dao động. Từ bảng số liệu và dạng đồ thị x-t ta thấy: đồ thị x-t có dạng là đồ thị hình sin.

Sau khi dự đoán x là hàm sin hoặc cosin của t ta có thể kiểm tra dự đoán đó là đúng hay sai bằng cách nhờ phần mềm vẽ ngay đồ thị hàm sin hoặc cosin x=Asin(.t+) hoặc x= Acos(.t+)

Hình 1.11: Đồ thị x – t lý thuyết (đường liền nét) và TN (đường chấm chấm) chưa trùng nhau

Trên hình ta thấy đồ thị lý thuyết (đường liền nét) và đồ thị TN (đường chấm chấm) chưa trùng nhau, điều này chứng tỏ đồ thị lý thuyết mới vẽ chưa phản ánh đúng quy luật của dao động con lắc lò xo.

Để có thể tìm ra quy luật dao động của con lắc lò xo phải thay đổi các giá trị A, ,  sao cho đồ thị lý thuyết trùng với đồ thị TN như hình dưới đây.

Hình 1.12: Đồ thị x – t lý thuyết (đường liền nét) và TN (đường chấm chấm) trùng nhau