Mô phỏng hiệu ứng Doppler âm học

Có nhiều phƣơng pháp và trƣờng hợp khác nhau để mô phỏng hiệu ứng Doppler âm học. Ta có thể cụ thể hóa bằng bài toán nhƣ sau: trên một công trƣờng xây dựng một công nhân đang đi xuống trên một “thang máy xây dựng” theo phƣơng thẳng đứng không vận tốc ban đầu với gia tốc không đổi là a=8m/s2. Đúng lúc đó thẳng dƣới mặt đất ở gầm của thang máy có một máy đầm đang hoạt động và phát ra âm thanh có tần số không đỏi f=1800Hz. Coi máy đầm rung thẳng đứng nhƣ một vật dao động điều hòa theo phƣơng thẳng đứng với biên độ 10cm, máy rung đƣợc 5 lần trong một giây. Hỏi trong giây đầu tiên kể từ lúc bắt đầu đi xuống ngƣời này nghe đƣợc “đúng” tần số của máy đầm vào những thời điểm nào? Biết vận tốc truyền âm trong không khí là v=340 m/s.

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 62 Kết quả mô phỏng bằng Matlab theo yêu cầu của bài toán trên đƣa ra đƣợc kết quả dƣới dạng đồ thị nhƣ Hình 43: Mô phỏng hiệu ứng Doppler.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1790 1800 1810 1820 1830 1840 1850 1860 Thoi gian -t Do thi tan so theo thoi gian

T a n s o f (t ) f'(t ) f f'

Hình 43: Mô phỏng hiệu ứng Doppler

Tại thời điểm ngƣời công nhân thu đƣợc tần số f=1800Hz là tn = 0.0544s; 0.1385s; 0.2747s; 0.4974s.

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 63

Chƣơng 4.THƢ̣C NGHIỆM SƢ PHẠM 4.1 Mục đích của thực nghiệm sƣ phạm

Các mô hình đƣợc thiết kế tƣơng ứng với nội dung dạy học cụ thể nhƣng có cách thức sử dụng khác nhau. Sự khác nhau đó có thể do tiến trình dạy học hay mục tiêu của ngƣời dạy đặt ra đối với ngƣời học trong hoàn cảnh khác nhau. Mỗi mô hình bản thân nó chứa đựng nhiều thông tin về khái niệm, mối quan hệ, quá trình biến đổi của các đại lƣợng Vật lý. Trên cơ sở các mô hình đƣợc xây dựng và các giai đoạn sử dụng mô hình áp dụng trong dạy học Vật lý, tôi tiến hành ứng dụng phƣơng pháp sử dụng mô hình dạy học phần Dao động và sóng (bao gồm Dao động cơ, Sóng cơ và sóng âm) nhằm đa ̣t các mục đích sau:

 Đánh giá hiệu quả của việc áp dụng phƣơng pháp mô hình hóa khi

giảng dạy phần Dao động cơ, sóng cơ và sóng âm trong pha ̣m vi lớp 12 ở trƣờng phổ thông.

 Dùng hiệu quả áp dụng làm cơ sở điều chỉnh mô hình cũ hoặc xây

dựng các mô hình khác phù hợp hơn với mục đích dạy học.

 Điều chỉnh phƣơng pháp ứng dụng mô hình trong giảng dạy cho phù hợp với hoàn cảnh cụ thể.

4.2 Đối tƣợng của thực nghiệm sƣ phạm

Mô hình đƣợc ứng dụng đối với các học sinh lớp 12B – trƣờng THPT Ngô Quyền, Hải Phòng.

Lớp 12B bao gồm các đối tƣợng học sinh có khả năng tiếp thu trải đều từ yếu đến trung bình, khá và tốt. Do đó việc ứng dụng phƣơng pháp giảng dạy với sự hỗ trợ của mô hình sẽ đem lại đánh giá toàn diện hơn về hiệu quả ứng dụng. Lớp thực nghiệm và lớp đối chứng đƣợc lựa chọn còn có sự ổn

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 64 định về sĩ số, không có sự thay đổi đáng kể nào dẫn đến sự thay đổi lớn về phân loại học sinh.

4.3 Phƣơng pháp thƣ̣c nghiê ̣m

4.3.1 Công tác chuẩn bị

 Soạn chi tiết và chuẩn bị đầy đủ các bài giảng, tài liệu giảng dạy.

 Chuẩn bi ̣ cơ sở vâ ̣t chất , phƣơng tiện hỗ trợ dạy học (máy vi tính,

projector, các mô hình, bài giảng điện tử).

4.3.2 Hình thức tổ chức quá trình thực nghiệm

 Tạo không khí học tập thoải mái cho lớp học để học sinh có thể bộc lộ nhiều năng lƣ̣c của bản thân và làm chủ đƣợc hoa ̣t đô ̣ng ho ̣c của mình.

 Yêu cầu ho ̣c sinh chuẩn bi ̣ bài theo nhƣ̃ng gợi ý từ buổi trƣớc của giáo

viên trong quá trình giảng da ̣y.

 Kiểm tra kết quả của sƣ̣ chuẩn bi ̣ của học sinh về bài giảng để hƣớng sự

tập trung của học sinh vào bài giảng, khi đó giáo viên đóng vai trò ngƣời tổ chƣ́c và điều khiển lớp ho ̣c.

 Trong một vài tình huống có thể cho một vài học sinh lên bảng sử dụng mô hình để diễn tả sự hiểu biết của mình về nội dung dạy học.

4.3.3 Tiêu chí đánh giá kết quả hoạt động thực nghiê ̣m sư phạm

Để đánh giá nhƣ̃ng kết quả đa ̣t đƣợc trong quá trình thƣ̣c nghiê ̣m sƣ phạm cần dựa vào những căn cứ sau đây:

 Sử dụng kết quả học tập của học sinh trƣớc khi áp dụng phƣơng pháp mô hình hóa.

 Sƣ̉ du ̣ng kết quả kiểm tra khi da ̣y phần Dao động cơ, sóng cơ và sóng

âm ở một lớp khác mà không sƣ̉ du ̣ng phƣơng pháp mô hình hóa.

 Sƣ̉ du ̣ng kết quả kiểm tra khi da ̣y phần nhiê ̣t ho ̣c bằng viê ̣c áp du ̣ng

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 65

 So sánh tinh thần và thái đô ̣ ho ̣c tâ ̣p của ho ̣c sinh khi không áp du ̣ng và

khi có áp du ̣ng phƣơng pháp mô hình trong quá trình giảng dạy

Tiêu chí xếp loại ho ̣c tâ ̣p theo các mƣ́c : Giỏi – Khá - Trung bình – Yếu – Kém về mặt điểm số. Xếp loại Điểm Giỏi 9, 10 Khá 7, 8 Trung bình 5, 6 Yếu 3, 4 Kém 0,1, 2

Tiêu chí xếp loại học tập theo điểm phẩy học kỳ Dhk:

Xếp loại Phẩy Xuất sắc 9 ≤ Dhk ≤ 10 Giỏi 8 ≤ Dhk < 9 Khá 7 ≤ Dhk < 8 Trung bình 5 ≤ Dhk < 7 Yếu 4 ≤ Dhk < 5 Kém Dhk < 4

4.4 Thời gian tiến hành thƣ̣c nghiê ̣m:

Tƣ̀ đầu năm học đến khi giảng dạy hết phần Dao động cơ, sóng cơ và sóng âm năm học 2009 – 2010.

4.5 Kết quả thƣ̣c nghiê ̣m và nhâ ̣n xét.

4.5.1 Kết quả kiểm tra phần kiến thức khác, không sử dụng phương pháp mô hình hóa

Bảng kết quả học tập môn Vật lý trong điểm phẩy tổng kết học kỳ 2 (lớp 11) của 2 lớp (chƣa áp du ̣ng phƣơng pháp mô hình trong giảng dạy):

Lớp Sĩ số Xuất sắc Giỏi Khá Trung bình Yếu Kém

12B 35 0 3 18 13 1 0

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 66 Bảng trên là số liệu so sánh tƣơng đối về sức học thể hiện qua kết quả kiểm tra của ho ̣c sinh hai lớp ở ho ̣c kỳ 2 lớp 11. Kết quả thể hiê ̣n tr ong bảng cho thấy, hết ho ̣c kỳ 2 lớp 11, lƣ̣c ho ̣c của ho ̣c sinh lớp đối chứng khá hơn lớp thực nghiệm một chút thể hiện ở số học sinh giỏi và khá.

4.5.2 Kết quả kiểm tra sau khi học xong nội dung Dao động, sóng cơ, sóng âm âm

Bảng kết quả kiểm tra hệ số 2 môn Vâ ̣t lý nội dung Dao động cơ, sóng cơ, sóng âm ở lớp đối chứng (không áp dụ ng phƣơng pháp mô hình trong giảng dạy) và lớp tiến hành áp dụng giảng dạy với sự hỗ trợ của các mô hình:

Lớp Sĩ số Giỏi Khá Trung bình Yếu Kém

12B 37 5 24 7 1 0

Đối chứng 38 5 20 11 2 0

Để dễ dàng so sánh sự thay đổi về mặt điểm số của 2 lớp từ học kỳ 2 lớp 11 đến khi học tập xong nội dung Dao động cơ, sóng cơ và sóng âm ta có thể vẽ các đồ thị theo tỉ lệ phần trăm nhƣ sau:

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 67

Hình 45: Kết quả so sánh của lớp Thực nghiệm

Đồ thị nhƣ Hình 44: Kết quả so sánh của lớp Đối chứng cho thấy tỉ lệ học sinh giỏi tăng lên nhƣng số học sinh yếu cũng tăng, trong khi đó số khá, trung bình lại giảm. Kết quả học tập về tổng thể không có nhiều thay đổi.

Đồ thị Hình 45: Kết quả so sánh của lớp Thực nghiệm cho thấy tỉ lệ học sinh khá, giỏi tăng từ 60% lên 78.4%, tỉ lệ học sinh trung bình, yếu giảm từ 40% xuống 21,6%. Nhƣ vậy kết quả về mặt điểm số đã thay đổi theo chiều hƣớng tích cực một cách rõ rệt.

Bài kiểm tra hệ số 2 không đánh giá đƣợc hết tổng thể kết quả học tập nhƣng là bài kiểm tra tổng quát nhất về nội dung, dài về thời gian chuẩn bị. Nhƣ vậy học sinh đã có cơ hội để hệ thống hóa kiến thức dựa trên những nội dung và trong môi trƣờng học tập với phƣơng pháp và phƣơng tiện mới.

4.5.3 Nhận xét chung

Điểm số của các môn học nhìn chung phản ánh đƣợc phần lớn hiệu quả của quá trình dạy học. Sự thay đổi theo hƣớng tăng tỉ lệ học sinh khá, giỏi trong lớp là dấu hiệu tích cực cho thấy phƣơng pháp giảng dạy ứng dụng các mô hình đƣợc xây dựng trong luận văn đã đóng góp một phần tác dụng.

Về mặt kiến thức, học sinh nhận biết các khái niệm, quy luật vận động một cách sâu sắc hơn. Điều đó thể hiện ở chỗ đa phần học sinh phát biểu đƣợc

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 68 khái niệm các đại lƣợng, mối quan hệ giữa các đại lƣợng, nêu các ví dụ không có trong sách giáo khoa và một phần trong số đó chủ động đƣa ra đƣợc các dự đoán đúng.

Quá trình tƣơng tác giữa thầy và học sinh, giữa học sinh với phƣơng tiện học tập (chủ yếu là các mô hình), các vấn đề phát sinh từ mô hình làm tăng tính chủ động, tích cực của học sinh trong quá trình học. Giáo viên hoàn toàn có thể giúp học sinh diễn tả, khắc sâu nội dung bài học thông qua việc chủ động chuẩn bị bài mới ở nhà , tự trình bày một số nội dung bài học trong đó có sử dụng mô hình đƣợc xây dựng bằng phần mềm máy tính. Đó là một trong các cơ sở để giáo viên chỉnh sửa lại một phần nội dung học sinh đã tìm hiểu và đƣa ra kết luâ ̣n cuối cùng cho bài giả ng. Nhƣ vâ ̣y cả thày và trò đều có tiếng nói chung trong bài h ọc nói riêng và trong quá trình học tập nói chung.

Trong quá trình tiếp thu bài giảng của giáo viên , học sinh có thể tham gia đóng góp nhiều ý kiến bổ sung khi sử dụng mô hình. Thí dụ: khi quan sát mô hình trong Hình 12: Mô phỏng mối quan hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều, học sinh đã tự đƣa nhận xét: nếu xét hình chiếu chạy trên trục hoành Ox thì phƣơng trình chuyển động của nó ắt hẳn là có dạng Cosin. Đây là một phát hiện không mới mẻ nhƣng nó là sản phẩm của tƣ duy. Các học sinh khác thì cho ý kiến: không rõ đơn vị của chiều dài trong mô hình... Đó là các phát hiện rất có ích cho ngƣời học bởi nó thể hiện một tƣ duy có quan sát thực tế, tƣơng tác và tích cực.

Trong các giai đoạn 3 và 4 của quá trình sử dụng phƣơng pháp mô hình trong da ̣y ho ̣c, học sinh phát huy đƣợc khả năng suy luận logic, khả năng biến đổi toán ho ̣c, cách thiết lâ ̣p các phƣơng trình và vẽ đồ thị. Thông qua đó, học sinh có thể hiểu mô ̣t cách sâu sắc hơn về ý nghĩa vâ ̣t lý của các biểu thƣ́c và đi ̣nh luâ ̣t.

Học sinh ghi nhớ kiến thƣ́c mô ̣t cách logic và có nguồn gốc . Nhƣ vâ ̣y học sinh không nhất thiết phải học thuô ̣c lòng, vì khi ôn la ̣i bài cũ theo các mô

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 69 hình thì khả năng hiểu bài để thuộc tăng lên rất nhiều . Thí dụ: thay vì phải nhớ khái niệm “biên độ dao động” bằng cách học thuộc hay phải tƣởng tƣợng thì học sinh có thể quan sát, vẽ lại hình ảnh của một đồ thị trong đó mô tả sự biến đổi của li độ x theo thời gian t, từ đó suy luận ngƣợc lại để ra kiến thức.

Thông qua các kết quả thƣ̣c nghiê ̣m sƣ pha ̣m ứng dụng các mô hình đƣợc xây dựng bằng phần mềm Matlab trong giảng dạy, ta có thể thấy kết quả học tập môn Vật lý của các học sinh trong lớp thực nghiệm đã tăng lên đáng kể. Điều đó thể hiện một phần trong điểm số, ngoài ra nó thể hiện khả năng quan sát đồ thị, phân tích các thông số, khái quát hóa thành quy luật vận động và mối quan hệ giữa các đại lƣợng, khả năng tƣơng tác, phối hợp. Đây là những thao tác tƣ duy rất quan trọng trong quá trình học tập hay lao động sau này của học sinh.

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 70

KẾT LUẬN 1. Kết quả đa ̣t đƣơ ̣c của đề tài

Dựa trên mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu và giả thuyết khoa học đã đặt ra, đề tài đã thực hiện những công việc nhƣ sau:

 Nghiên cứu cơ sở lý luận của phƣơng pháp mô hình hóa, trong đó tập trung vào các mô hình lý tƣởng, mô hình kí hiệu, đồ thị, hình ảnh, quy luật vận động, biến đổi của đối tƣợng Vật lý.

 Nghiên cứu nội dung dạy học thuộc phần Dao động cơ học, sóng cơ và âm học trong chƣơng trình Vật lý phổ thông.

 Nghiên cứu phƣơng pháp xây dựng mô hình bằng phần mềm Matlab.

 Thực nghiệm sƣ phạm để đánh giá hiệu quả của phƣơng pháp giảng dạy sử dụng mô hình đƣợc thiết kế bằng Matlab.

Kết quả của công việc đã đạt được như sau:

 Đề tài đã nêu rõ đƣợc hê ̣ thống cơ sở lý luâ ̣n về sƣ̉ du ̣ng phƣơng pháp

dạy học sử dụng mô hình, đặc biệt là các mô hình lý tƣởng, kí hiệu, đồ thị đƣợc xây dựng bằng phần mềm Matlab trong da ̣y ho ̣c Vâ ̣t lý ở trƣờng phổ thông.

 Nghiên cứu đầy đủ các nội dung dạy học phần Dao động cơ, sóng cơ và sóng âm trong chƣơng trình Vật lý phổ thông trung học.

 Xây dựng thành công một số mô hình ảo phục vụ công tác giảng dạy

với sự hỗ trợ của phần mềm Matlab.

 Thông qua việc sử dụng mô hình dƣới sự tổ chức dạy học của thầy giáo, học sinh đã có cơ hội tốt hơn để rèn luyện tƣ duy đối thoại, phê phán, sáng tạo, tăng tính tích cực, chủ động của học sinh.

Đinh Đức Chính – Học viên cao học LL&PP K2 71

 Việc dạy học sử dụng các mô hình đƣợc xây dựng bằng phần mềm Matlab giúp học sinh ghi nhớ, khắc sâu kiến thức một cách dễ dàng hơn.

2. Đó ng góp của đề tài

Dựa trên kết quả công việc đã thực hiện, có thể đánh giá sự đóng góp của đề tài nhƣ sau:

 Dạy học mô hình hóa không phải là phƣơng pháp giảng da ̣y hoàn toàn mới và có nhiều luận văn cao học đã từng ứng dụng các phần mềm máy tính thiết kế mô hình với các mức độ khác nhau. Mỗi phần mềm lại có một thế mạnh riêng dựa trên mục đích sử dụng. Luận văn này sử dụng Matlab làm nền tảng xây dựng các mô hình vật lý học và đã vận dụng tƣơng đối hiệu quả tài nguyên của phần mềm trên. Hầu hết các mô hình đƣợc xây dựng dƣới dạng ứng dụng độc lập, cho phép ngƣời dùng có thể vận dụng một cách dễ dàng, không cần có nhiều kĩ năng về phần mềm, không phải cài đặt chƣơng trình gốc của Matlab.

 Các mô hình đƣợc thiết kế có thể ứng dụng giảng dạy dƣới nhiều hình thức: giảng dạy lý thuyết, minh họa lý thuyết, bài tập, thảo luận... Đặc biệt, trong đó có nhiều mô hình đƣợc thiết kế đơn giản, mô tả quá trình dƣới dạng hình động (hoạt hình), có thể tƣơng tác đƣợc.

 Một số mô hình đƣợc các giáo viên sử dụng trong giảng dạy thực tế nhƣ một công cụ hữu hiệu để đạt đƣợc mục đích dạy học. Tính phù hợp của các mô hình đƣợc xây dựng đƣợc thể hiện một cách rõ nét mặc dù hiện nay có rất nhiều mô hình vật lý học đƣợc chia sẻ từ nhiều nguồn