9. Cấu trúc của luận văn
1.3.3.2. Thí 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. Hình 1.4 biểu thị một thiết bị TN được ghép nối với máy vi tính để nghiên cứu từ trường Trái Đất.
Đối tượng đo (Thí nghiệm)
Bộ cảm biến
(Sensor) Bộ ghép tương thích (Interface)Máy vi tính và phần mềmMàn hình hiển thị Để hỗ trợ được các TN vật lí thì máy vi tính cần được ghép nối với các thiết bị TN. Dưới đây là sơ đồ hệ thống thiết bị TN ghép nối với máy vi tính về mặt nguyên tắc.
Hình 1.5. Sơ đồ khối TN vật lí ghép nối máy vi tính [15]
Theo sơ đồ này, 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 hoá một cách hợp lí để đưa vào máy vi tính. Các tín hiệu đă được số hoá 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 hoá, có thể sử dụng máy vi tính (đã cài đặt phần mềm thích hợp) để tính toán, xử lí các tín hiệu số này theo mục đích của người nghiên cứu. Ví dụ như ta có thể lập bảng số liệu về mối quan hệ giữa các đại lượng mà bộ cảm biến đã thu thập được hay vẽ đồ thị về mối quan hệ này, hoặc xử lí tùy theo ý muốn nếu phần mềm cho phép. Thường thì các chuyên gia khi viết phần mềm đã lường hết tất cả các thuật toán mà người nghiên cứu có thể dùng đến để đưa nó vào nội dung của phần mềm cài đặt trong máy vi tính.
Các bước tiến hành một TN ghép nối với máy vi tính như sau:
- Tiến hành TN để có thể quan sát được (bằng mắt hay bằng các phương tiện hỗ trợ) hiện tượng, quá trình vật lí cần nghiên cứu;
- Thu thập số liệu đo;
- Xử lí số liệu đo (thông qua tính toán, 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 minh hoạ) sự tồn tại các mối quan hệ có tính qui luật trong hiện tượng, quá trình đang nghiên cứu [15].
Cùng có một tiến trình như nhau, song trong TN được hỗ trợ bằng máy vi tính có nhiều công việc được tiến hành hoàn toàn tự động theo một chương trình đã định sẵn. Do đó, TN được hỗ trợ bằng 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 hoàn toàn 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 toán cuối cùng do sử dụng các thiết bị hiện đại và phương pháp tính hiện đại [15].
Trong dạy học vật lý, TN vật lý là một khâu quan trọng không thể thiếu được. Khi tiến hành TN nhằm nghiên cứu một định luật, quá trình vật lý nào đó thì đồ thị thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng trong định luật, quá trình đó có vai trò hết sức quan trọng. Dựa vào đồ thị, chúng ta không những có thể giải thích được diễn biến của hiện tượng, quá trình vật lý mà điều quan trọng hơn là chúng ta có thể dễ dàng phát hiện và dự đoán mối quan hệ có tính quy luật giữa các đại lượng. Trong nhiều trường hợp, mối quan hệ này có thể được biểu diễn bởi các hàm số toán học đã biết và có thể phát biểu thành định luật vật lý... Để có thể vẽ được đồ thị thực nghiệm thì đòi hỏi phải thu thập được một số lượng lớn dữ liệu từ việc đo đạc, tính toán và đòi hỏi rất nhiều thời gian vì vậy mà cho dù có muốn thì cũng không thể thực hiện được trên lớp trong giờ học chính khóa với các dụng cụ TN truyền thống. Vì vậy, để có thể tạo điều kiện tổ chức cho HS hoạt động hoạt động tự chủ chiếm lĩnh kiến thức đòi hỏi phải có các phương tiện dạy học giúp HS có thể nhanh chóng thu thập được dữ liệu thực nghiệm, vẽ được đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng làm cơ sở cho hoạt động tư duy như phân tích, so sánh, khái quát hóa và dự đoán xây dựng giả thuyết [15]. TN với sự hỗ trợ của máy vi tính là một phương án khả thi và hiệu quả để giải quyết khó khăn trên.
Ngoài ra, do việc thu thập và xử lý số liệu, hiển thị kết quả của các TN ghép nối với máy tính rất nhanh chóng nên tạo điều kiện về mặt thời gian để tăng cường các hoạt động tư duy sáng tạo của HS như đề xuất dự đoán, xây dựng giả thuyết.
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. Ở nước ta, đây là vấn đề tương đối mới mẻ và chưa được ứng dụng đại trà trong dạy học vật lí ở trường phổ thông. 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 thông là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn. Đặc biệt là trong xu thế hội nhập và toàn cầu hóa hiện nay, HS Việt Nam cần được tiếp cận những thành tựu mới của khoa học kĩ thuật tiên tiến. 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.