6. Phương pháp nghiên cứu
1.3.5. Cách thức sử dụng PMMP thí nghiệm vào quá trình dạy học vật lý
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 trên các mô hình, nguyên lí vật lí như SGK đã tiến hành. Trong trường hợp dao động của con lắc lò xo theo phương ngang bỏ qua lực ma sát, các mô hình, nguyên lí vật lí đó là các định luật:
- Định luật Hook: F = - k x - Định luật 2 Niu-tơn: F = ma và các biểu thức động học như:
vt = v0 + a. ∆t; xt = x0 + v. ∆t; t = t0 + ∆t
Để có thể tiếp tục nghiên cứu dao động của con lắc lò xo và từ đó rút ra các mối quan hệ có tính qui luật, ta cần đến PMMP để mô phỏng dao động
theo phương nằm ngang của con lắc dựa trên các định luật vật lí và biểu thức động học nêu trên. PMMP cho phép hiển thị trên màn hình:
- Hình ảnh về quá trình dao động ngang của con lắc trên trục toạ độ OX, ứng với mỗi giá trị cho trước k, m, x0, v0 (các điều kiện này có thể thay đổi trên máy vi tính một cách dễ dàng, theo ý muốn của người nghiên cứu),
- Đồ thị về li độ x, vận tốc v và gia tốc a theo thời gian của con lắc vv... Từ việc quan sát các hình ảnh và đồ thị đó cho phép ta suy ra các mối quan hệ (định lượng hay bán định lượng) có tính qui luật trong dao động của con lắc. Ví dụ như: từ việc quan sát hình ảnh về quá trình dao động của con lắc trên trục toạ độ OX cho ta thấy dao dộng của nó là dao động điều hoà. Khi ta thay đổi chỉ số k và giữ nguyên các điều kiện khác, trên màn hình sẽ cho các hình ảnh dao động của con lắc với các chu kỳ T khác nhau. Từ đó có thể rút ra mối quan hệ định lượng giữa k và T. Còn khi ta quan sát đồ thị về li độ x và vận tốc v theo thời gian của con lắc ta có thể rút ra li độ x biến đổi theo qui luật hình sin và xác định độ lệch pha giữa li độ x, vận tốc v và gia tốc a.
Hình 1.3. Thí nghiệm nghiên cứu về sự phụ thuộc của chu kỳ dao động vào khối lượng và độ cứng
Như vậy, các mối quan hệ này được tìm ra là hoàn toàn theo con đường lí thuyết có sự hỗ trợ của máy vi tính và phần mềm mô phỏng tương ứng.
Tóm lại, với sự hỗ trợ của máy vi tính và các phần mềm mô phỏng thí nghiệm đã chuẩn bị sẵn, giúp học sinh nghiên cứu được các mối quan hệ có tính qui luật trong hiện tượng dao động của con lắc ngang (bỏ qua ma sát) mà không cần phải chấp nhận nghiệm phương tŕnh vi phân hạng hai.
Bằng con đường tương tự như vậy, có thể nghiên cứu dễ dàng dao động của con lắc theo phương ngang có lực ma sát hay theo phương dọc (trong trường hợp bỏ qua lực ma sát hay có lực ma sát).
1.3.5.3. Sử dụng phối hợp thí nghiệm mô phỏng và thí nghiệm thật trong dạy học vật lí
Với việc sử dụng thí nghiệm trong dạy học vật lí vừa dùng làm phương tiện hỗ trợ trực tiếp hoạt động dạy học dưới các hình thức khác nhau nên chúng tôi tiến hành mô phỏng các thí nghiệm trên máy tính sao cho chúng càng giống thí nghiệm thật càng tốt. Trước hết là về hình ảnh của các dụng cụ phải giống như thí nghiệm thật cả về hình dạng màu sắc để qua đó GV và HS có thể tìm hiểu được tính năng, tác dụng của chúng [13].
Việc lắp ráp, bố trí thí nghiệm và đặc biệt là các bước tiến hành thí nghiệm phải được mô phỏng hoàn toàn như thí nghiệm thật để qua đó, GV và HS có thể nắm được cách lắp ráp, bố trí và tiến hành thí nghiệm với dụng cụ thật sau khi đã thao tác trên phần mềm.
Như vậy, khi sử dụng phần mềm dạy học, GV và HS đã tìm hiểu được dụng cụ thí nghiệm, biết cách lắp ráp và bố trí thí nghiệm, sau đó có thể tự lắp ráp và tiến hành thí nghiệm này với bộ dụng cụ thật.
Để khắc phục các khó khăn, hạn chế của GV và HS trong việc sử dụng các bộ thí nghiệm thật đã nêu ở trên, chúng tôi đưa ra giải pháp sử dụng phần mềm mô phỏng thí nghiệm thật trong dạy học vật lí ở trường phổ thông như sau:
- Trước hết, các phần mềm mô phỏng thí nghiệm được sử dụng như là tài liệu hướng dẫn chi tiết, sinh động cho GV tự tìm hiểu cách khai thác và sử dụng các bộ thí nghiệm thật tương ứng. Thao tác trên phần mềm, GV sẽ nắm được tính năng tác dụng của các dụng cụ, cách bố trí thí nghiệm và các bước tiến hành thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm dược mô phỏng trong phần mềm là các số liệu được lấy từ thí nghiệm thực tế, có tác dụng định hướng và giúp cho GV kiểm tra được sự đúng đắn trong quá trình thao tác với dụng cụ thật.
- Các phần mềm mô phỏng thí nghiệm thật được sử dụng như là một tài liệu ôn tập, rèn luyện kỹ năng cho học sinh. Sau các giờ học lý thuyết trên lớp, vì lý do nào đó không thể tiến hành các thí nghiệm mà chỉ mô tả như trong sách giáo khoa, giáo viên có thể giao cho học sinh sử dụng các thí nghiệm mô phỏng như là một cách ôn tập, củng cố kiến thức. Sau đó, có thể tổ chức cho HS quan sát các thí nghiệm biểu diễn trong phòng thực hành bộ môn. Việc này có thể được thực hiện sau mỗi chương, kết hợp với các buổi HS làm thí nghiệm thực hành theo chương trình, sách giáo khoa.
- Các phần mềm mô phỏng thí nghiệm thật được sử dụng như là tài liệu hướng dẫn HS chuẩn bị có hiệu quả cho các buổi thí nghiệm thực hành. Trước mỗi buổi làm thí nghiệm thực hành, GV giao cho HS sử dụng phần mềm mô phỏng để tự nghiên cứu về dụng cụ thí nghiệm, cách bố trí và các bước tiến hành thí nghiệm. Điều đó giúp cho việc chuẩn bị thí nghiệm của HS đạt hiệu quả cao hơn. Chất lượng của buổi thực hành được nâng lên.
- Các phần mềm mô phỏng thí nghiệm thật được sử dụng như là một bộ phận hữu cơ của các bài giảng điện tử để học sinh tự học một phần nội dung kiến thức. Nhờ vậy, gánh nặng học trên lớp của HS được giảm bớt và điều quan trọng hơn là nâng cao được năng lực tự học của học sinh.
1.3.5.4. Sử dụng MVT hỗ trợ việc phân tích băng video ghi các quá trình vật lí thực
Việc ghi các quá trình vật lí thực mà bình thường không quan sát được vào băng hình rồi cho chạy chậm lại hoặc nhanh lên để khảo sát nhiều lần, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tìm hiểu và nghiên cứu các hiện tượng vật lí là