6. Phương pháp nghiên cứu
1.3.2. Ưu điểm của việc sử dụng phần mềm mô phỏng thí nghiệm trong
trong quá trình dạy học vật lí.
Trong trường hợp giáo viên làm thí nghiệm thật trên lớp cho học sinh quan sát mà các dụng cụ thí nghiệm nhỏ, hiện tượng khó quan sát, lớp học đông, phòng học rộng. Như vậy khi làm thí nghiệm thì không phải tất cả các học sinh trong lớp đều có thể quan sát dễ dàng được, các em ở cuối lớp chỉ có thể nghe giáo viên nói mà không thể nhìn được thí nghiệm giáo viên làm như thế nào và chỉ có một số học sinh ở bàn trên mới có thể quan sát rõ thí nghiệm. Trong khi đó thí nghiệm mô phỏng được thực hiện trên một màn chiếu, mà thông thường màn chiếu được đặt sao cho tất cả học sinh trong lớp học có thể nhìn rõ tất cả những gì thực hiện trên đó, đồng thời giáo viên hoàn toàn có thể
chỉnh kích cỡ của dụng cụ thí nghiệm cho đủ lớn để cho cả lớp đều có thể quan sát rõ ràng kể cả các em ngồi ở cuối lớp học.
Tiếp theo nói tới vấn đề an toàn của thí nghiệm, với một số thí nghiệm hoá học nếu làm với các hoá chất thật, đôi khi do sơ xuất để xảy ra cháy nổ không mong muốn, nhưng với thí nghiệm mô phỏng thì các thí nghiệm hoàn toàn an toàn, không lo cháy nổ ngoài dự định của giáo viên và học sinh, nếu có hiện tượng nhầm hoá chất diễn ra trên máy vi tính thì hiện tượng xảy ra chỉ là mô hình cháy nổ trong máy chứ không phải là thật nên rất an toàn.
Hơn nữa thí nghiệm mô phỏng do đã được lập trình sẵn nên có thể nói gần như tất cả các thí nghiệm đều chuẩn xác, thực hiện thí nghiệm đem lại hiệu quả như mong đợi.
Một vấn đề nữa là công tác chuẩn bị công cụ thí nghiệm, với chương trình đổi mới giáo dục như hiện nay thì trong chương trình phổ thông cơ sở, hầu như tiết học nào cũng có thí nghiệm. Với một thí nghiệm đơn giản, ít dụng cụ thì giáo viên có thể dễ dàng chuẩn bị dụng cụ, dễ dàng chuyển từ lớp học này sáng lớp học khác. Tuy nhiên với một thí nghiệm mà các dụng cụ cồng kềnh thì đây lại không phải là một điều đơn giản, vì thực tế ở phần lớn các trường THPT chưa có cán bộ chuyên trách thiết bị. Còn với thí nghiệm mô phỏng thì giáo viên hoàn toàn không phải lo lắng gì về vấn đề này, các dụng cụ có sẵn trong máy vi tính giáo viên chỉ cần một lần thực hiện đưa phần mềm thiết kế thí nghiệm vào trong máy và cài đặt chương trình, như thế lần sau sẽ hoàn toàn yên tâm về dụng cụ thí nghiệm…
Như vậy có thể thấy khá nhiều ưu điểm của thí nghiệm mô phỏng như trên đây, hơn nữa hiện nay, khi mà tin học được ứng dụng nhiều vào trong trường học thì việc sử dụng các thí nghiệm mô phỏng hỗ trợ cho giảng dạy các môn học là hoàn toàn hợp lý.
1.3.3. Tác dụngcủa việc sử dụng PMMP thí nghiệm trong quá trình dạy học
Có thể sử dụng PMMP các bài thí nghiệm vật lí như để minh họa kiến thức, khai thác kiến thức, thảo luận hay có thể dùng các buổi xemina vào quá trình tự học của HS. Khi sử dụng PMMP thí nghiệm vào quá trình dạy học sẽ có những tác dụng:
- Kiến thức được mô tả dưới nhiều hình thức phong phú, kèm theo hình ảnh động có lồng ghép âm thanh gây hứng thú cho tiết học, hình thành động cơ học tập.
- Quá trình thiết lập kiến thức mới được xây dựng chặt chẽ, chính xác, mô phỏng sinh động giúp người học tin tưởng vào kết quả của các định luật đã phát minh, chính xác hóa các khái niệm.
- Người học tập trung chú ý hơn, tham gia vào bài học một cách tích cực, nhanh chóng nắm bắt được nội dung bài học, ghi nhớ bài tốt và rèn luyện được khả năng quan sát, khắc sâu, nhớ lâu.
- Gắn liền lý thuyết với thực tiễn.
- Tạo niềm say mê nghiên cứu, tìm tòi, tự học.
1.3.4. Nguyên tắc sử dụng phần mềm mô phỏng thí nghiệm vào tiết dạy học trên lớp.
Nguyên tắc 1: Chỉ sử dụng PMMP thí nghiệm khi các phương tiện dạy học truyền thống không giúp HS nhận thức một cách khoa học (đầy đủ và chính xác) kiến thức vật lí được nghiên cứu [10].
GV sử dụng PMMP thí nghiệm với các chức năng ưu việt của nó, có thể giúp HS thu thập thông tin, dữ liệu về hiện tượng, quá trình vật lí cần nghiên cứu một cách trực quan và đầy đủ hơn so với phương tiện dạy học truyền thống. Nhờ vậy, HS nhận thức về hiện tượng, quá trình vật lí đó một cách khoa học hơn.
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều PMDH. Do đó các công cụ tạo nên các PMMP thí nghiệm ngày càng hoàn thiện nên các phần mềm này về chức năng cũng như hình thức thẩm mỹ rất đẹp. Chính vì vậy, nhiều GV đã lạm dụng chúng. Trong việc lạm dụng này có sai lầm về mặt nhận thức. Đó là: Thí nghiệm mô phỏng không thể dùng làm thí nghiệm khảo sát quá trình, hiện tượng, mối quan hệ giữa các đại lượng vật lí mà chính nó mô phỏng. Nó chỉ được dùng minh hoạ các quá trình, hiện tượng, mối quan hệ giữa các đại lượng vật lí đã được xây dựng (bằng con đường nào đó).
Nguyên tắc 2: Chỉ sử dụng PMMP thí nghiệm khi các phương tiện dạy học truyền thống không thể quan sát, thu thập được thông tin về đối tượng cần nghiên cứu.
Ta thấy rằng, trong nhiều trường hợp, phương tiện dạy học truyền thống, do hạn chế của nó, không thể cung cấp đầy đủ thông tin về đối tượng nghiên cứu để trên cơ sở đó, học sinh phân tích, tổng hợp để:
- Phát hiện ra vấn đề mới cần nghiên cứu hay mâu thuẫn cần giải quyết, hoặc trên cơ sở đó, HS phân tích, tổng hợp đưa ra giả thuyết khoa học.
- Giải quyết vấn đề đang đặt ra một cách khoa học.
Nguyên tắc 3: Sử dụng đúng chỗ.
Bố trí hợp lý các thiết bị để trình chiếu, giúp cho học sinh dễ dàng quan sát ở mọi vị trí ngồi trong lớp.
Nguyên tắc 4: Sử dụng đúng lúc.
Trình chiếu vào lúc cần thiết, lúc học sinh mong muốn được quan sát nhất; xuất hiện đúng vào lúc nội dung và phương pháp giảng dạy cần đến nó.
Nguyên tắc 5: Sử dụng ở mức độ vừa phải hợp lý.
Việc trình chiếu không nên kéo dài thời gian quá mức cần thiết; sắp xếp các nội dung trình diễn phải phù hợp; thời gian trình chiếu cho mỗi nội dung cần hợp lý; không nên lặp lại một nội dung quá nhiều lần trong một tiết giảng.
1.3.5. Cách thức sử dụng PMMP thí nghiệm vào quá trình dạy học vật lí theo hướng tích cực hoá quá trình nhận thức của HS lí theo hướng tích cực hoá quá trình nhận thức của HS
- Những tư liệu khai thác từ các phần mềm được GV lựa chọn, hệ thống thành bộ sưu tập, để hỗ trợ cho bài giảng trên lớp.
- Bài giảng hiện đại đang có khuynh hướng sử dụng ngày càng nhiều các phương tiện công nghệ thông tin làm tăng sức hấp dẫn và hiệu quả. Muốn vậy, trước hết nên xây dựng bài giảng trên phần mềm Microsoft PowerPoint kết hợp với việc bố trí hợp lý việc sử dụng phần mềm đã thu thập.
- Để sử dụng hiệu quả những phần mềm dạy học cần phải có các thiết bị hỗ trợ cho việc trình diễn như máy chiếu projector nối với máy vi tính và màn ảnh.
- Tuỳ theo mục đích sư phạm mà GV có thể sử dụng PMMP trong từng giai đoạn hoạt động của HS.
Ở giai đoạn đầu có thể sử dụng PMMP để minh hoạ các hiện tượng trong đời sống có ẩn chứa các mối quan hệ vật lí cần nghiên cứu, tạo tình huống có vấn đề nhằm chuyển giao nhiệm vụ cho HS.
Sau khi HS đã ý thức được vấn đề, ở pha hoạt động tự chủ, tìm tòi giải quyết vấn đề sử dụng PMMP thí nghiệm gúp HS đưa ra giả thuyết khoa học. Trong quá trình tổ chức, thảo luận, PMMP sẽ được sử dụng để hiện thực hoá một cách trực quan, nhanh chóng, chính xác các ý tưởng thiết kế của HS, giúp HS nhanh chóng hiểu được tính hợp lý của các phương án đã đưa ra và xác định được phương án nào chưa đáp ứng được yêu cầu, phương án nào là tối ưu.
Trong giai đoạn vận dụng kiến thức mới có thể sử dụng PMMP để củng cố, mở rộng, đào sâu, hệ thống hoá kiến thức,…
Việc sử dụng PMMP thí nghiệm trong dạy học vật lí thực hiện được những nhiệm vụ sau:
1.3.5.1. Mô phỏng, minh hoạ các hiện tượng, quá trình vật lí một cách trực quan và chính xác hơn để dễ quan sát và nghiên cứu
* Đặc điểm của các hiện tượng, quá trình vật lí cần được minh hoạ nhờ máy vi tính.
Không phải các quá trình nào xảy ra trong tự nhiên cũng dễ quan sát. Đối với chuyển động của chiếc thuyền, đoàn tàu thì việc quan sát để xác định vị trí của chúng ứng với từng thời điểm hay quãng đường đi ứng với từng khoảng thời gian trôi qua là không khó khăn. nhưng cũng có những quá trình trong tự nhiên không thể quan sát bằng mắt thường để để xác định được các đại lượng cần thiết được vì diễn biến của quá trình xảy ra quá nhanh, hay quá chậm. Điều đó gây khó khăn trong việc nghiên cứu tìm ra qui luật của chúng. Các quá trình như vậy được nghiên cứu trong chương trình vật lí phổ thông có thể kể ra ở đây như: chuyển động rơi, chuyển động ném ngang của một vật, chuyển động của khối tâm và của các điểm của vật rắn, quá trình phân rã hạt nhân, phóng xạ...Một trong các giải pháp là mô phỏng minh họa các hiện tượng, quá trình vật lí bằng thí nghiệm mô phỏng với sự hỗ trợ của MVT.
Ví dụ như, khi nghiên cứu hiện tượng cảm ứng điện từ (trong SGK lớp 11 hiện hành), nếu chỉ quan sát thí nghiệm về chuyển động tương đối giữa nam châm và ống dây hay thí nghiệm thay đổi cường độ ḍòng điện ở ống dây lồng trong cuộn dây có nối với điện kế thì học sinh rất khó có thể đưa ra dự đoán đúng về nguyên nhân xuất hiện dòng điện cảm ứng. Để hỗ trợ cho việc đưa ra dự đoán đúng, có thể mô phỏng quá trì́nh diễn ra trong thí nghiệm, trong đó vẽ các đường cảm ứng từ của các nam châm (vĩnh cửu hay điện) như Hì́nh 1.1 dưới đây. Đối với học sinh yếu kém, ta có thể mô phỏng thêm cả số lượng đường cảm ứng từ xuyên qua mặt cắt ống dây ứng với từng thời điểm trong thí nghiệm.
Hình 1.1. Mô phỏng sự thay đổi của số đường cảm ứng từ gửi qua ống dây
Ví dụ, hiện tượng sóng dừng trên dây trong trường hợp sóng phản xạ ngược pha với sóng tới (tại đầu dây cố định) hoặc sóng phản xạ cùng pha với sóng tới (tại đầu dây tự do) rất khó hình dung. Nhờ phần mềm mô phỏng ta có thể giúp học sinh “quan sát” rõ quá trình sóng tới truyền đến đầu dây đó và quá ttrình tạo ra sóng phản xạ.
Hình 1.2. Mô phỏng sóng dừng được tạo bởi sóng tới và sóng phản xạ trong trường hợp hai đầu dây cố định
1.3.5.2. Sử dụng phần mềm để trình bày tri thức vật lí
Xây dựng giáo án điện tử bằng phần mềm Powerpoint, Fronpage, … đồng thời phối hợp với các thiết bị hiện đại khác như máy chiếu đa năng, camera, băng đĩa hình… để trình bày các kiến thức trong môn học vật lí [8], [16].
Bài giảng được lồng ghép với thí nghiệm ảo, các đoạn phim minh họa các hiện tượng vật lí xảy ra trong thực tế làm tăng thêm sự hấp dẫn của bài giảng. Liên kết với các trang web cùng trình bày vấn đề ở các trường, các nước khác nhau.
- Cùng một thời gian khối lượng kiến thức được truyền đạt nhiều hơn. - Tuy nhiên, thiết kế một bài giáo án điện tử là một công việc không dễ dàng, đòi hỏi nhiều thời gian và chuẩn bị công phu.
Ví dụ như trong quá trình tìm ra các tri thức mới bằng con đường lí thuyết có thể nhờ PMMP thí nghiệm, các bước được tiến hành tuần tự như sau:
Như mọi con đường nhận thức, quá trình nhận thức tìm ra tri thức mới bằng con đường lí thuyết ở đây bắt đầu từ "vấn đề". Để giải quyết vấn đề, cần phải xây dựng những tiên đề, mô hình vật lí (hoặc sử dụng các tiên đề, mô hình vật lí đã có), chúng được viết dưới dạng các biểu thức toán học.
Sau khi đã có mô hình, nhờ MVT để tiến hành các suy luận logic, tính toán lí thuyết trên mô hình đó và hiển thị các kết quả tính toán dưới dạng trực quan nhất để tạo điều kiện rút ra các kết luận về mối quan hệ mới có tính qui luật của hiện tượng hay quá trình nghiên cứu.
Kiểm tra các kết luận trên bằng TN để xác nhận tính đúng đắn của chúng.
Sử dụng các kết luận đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm để giải thích và tiên đoán các hiện tượng liên quan.
Qua đây ta thấy các bước trên cũng chính là các giai đoạn của con đường nhận thức lí thuyết. Để minh hoạ các bước trong quá trình tìm ra các kiến
thức mới bằng con đường lí thuyết nhờ mô phỏng bằng máy vi tính ta dẫn ra
đây một ví dụ trong việc khảo sát dao động của con lắc lò xo.
Dao động của con lắc lò xo là một trường hợp điển hình về dao động dưới tác dụng của lực đàn hồi của một vật có khối lượng m được gắn vào lò xo có khối lượng không đáng kể. Khi nghiên cứu về dao động của con lắc lò xo, các mối quan hệ quan trọng sau đây cần được rút ra (trong trường hợp bỏ qua ma sát):
Dao động của con lắc là một dao động điều hoà,
Li độ x được mô tả theo định luật hình sin, cosin,
Công thức tính vận tốc góc k m , hay chu kì T 2 m k , Độ lệch pha giữa x,v và a.
Trường hợp dao động theo phương nằm ngang ngang của con lắc lò xo có khối lượng m chỉ chịu tác dụng của một lực đàn hồi (bỏ qua lực ma sát) đã được nghiên cứu trong bài “Con lắc lò xo” (trong SGK Vật lí 12). Trình tự việc nghiên cứu đó ở đây như sau:
Xuất phát từ biểu thức: F = - k x (1)
(biểu thị mối quan hệ giữa độ dịch chuyển x của con lắc và lực đàn hồi F) và định luật 2 Niu tơn:
F = ma (2)
có thể suy ra: a = - (k/m).x (3)
Vì a = v’ và v = x’ nên a = x’’. Do đó ta viết được: x’’ = - x (4)
Đây là phương trình vi phân hạng 2. Khó khăn nhất ở đây mà con đường trình bày theo SGK gặp phải là học sinh lớp 12 chưa thể giải tìm nghiệm x được, mà phải thông báo dạng nghiệm cho học sinh.
( )
Chỉ sau khi chấp nhận dạng nghiệm đó ta mới rút ra được các qui luật về dao động theo phương nằm ngang của con lắc như sau:
Dao động của con lắc là một dao động điều hoà (trong trường hợp bỏ qua ma sát)
Li độ x được mô tả theo định luật hình sin.
Vận tốc góc k m (hay chu kì T 2 m k ) Độ lệch pha giữa x,v và a.
Có thể nhờ máy vi tính và các phần mềm trong việc mô phỏng dao động của con lắc lò xo để từ đó rút ra các mối quan hệ nêu trên mà không phải buộc học sinh chấp nhận dạng nghiệm của phương trình vi phân bậc 2. Trình tự con đường đó như sau:
Khi quan sát dao động của con lắc lò xo có thể đặt ra vấn đề: dao động của nó tuân theo qui luật như thế nào? Chu kì dao động phụ thuộc vào các yếu tố nào ( cụ thể phụ thuộc vào m và k như thế nào)? Độ lệch pha giữa x, v và a có quan hệ với nhau như thế nào?...
Để giải quyết vấn đề đó theo con đường lí thuyết trước hết ta cũng dựa