XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM THÍ NGHIỆM ẢO HỖ TRỢ DẠY HỌC THÍ NGHIỆM VẬT LÝ Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG Phạm Kim Chung Khoa Sư phạm – Đại học Quốc gia Hà Nội 1. Đặt vấn đề Vật lí là môn khoa học thực nghiệm, với yêu cầu quan trọng của chương trình vật lí phổ thông là coi trọng thực nghiệm, tăng cường các tiết học Vật lí có làm thí nghiệm. Học vật lí qua thí nghiệm vật lí không chỉ dừng ở mức độ rèn luyện cho học sinh kỹ năng thực hiện các thao tác thí nghiệm mà cần giúp học sử dụng các thí nghiệm khám phá kiến thức Vật lí. Vì vậy không chỉ yêu cầu học sinh tiến hành thí nghiệm với bộ thí nghiệm thiết kế sẵn mà cần giúp học sinh hiểu sâu sắc thiết kế của thí nghiệm, đồng thời còn tạo điều kiện cho học sinh sử dụng các thí nghiệm đó tự lực chiếm lĩnh kiến thức trong quá trình học tập. Do các hạn chế về kỹ năng tiến hành thí nghiệm; việc chuẩn bị dạy học với các thí nghiệm cần nhiều thời gian chuẩn bị trong phòng thí nghiệm, các trường phổ thông chưa có cán bộ chuyên trách phòng thí nghiệm nên họ chuẩn bị dụng cụ chưa đúng theo yêu cầu; chưa có phòng bộ môn nên việc vận chuyển dụng cụ thí nghiệm, thủ tục mượn trả mất nhiều thời gian… vì vậy giáo viên ngại sử dụng thí nghiệm trong dạy học Vật lí. Hiện nay, có nhiều phần mềm về các thí nghiệm ảo hỗ trợ hiệu quả trong việc việc nghiên cứu các thí nghiệm của học sinh và cung cấp nội dung bài học. Tuy nhiên còn nhiều hạn chế trong việc hỗ trợ quá trình thực hiện thí nghiệm theo phương pháp thực nghiệm như thu thập số liệu, xây dựng đồ thị . Đồng thời các thí nghiệm này có dung lượng quá lớn hạn chế trong việc truyền tải trên Internet. Khắc phục khó khăn về thiết bị dạy học Vật lí, cần nghiên cứu và triển khai các phần mềm hỗ trợ dạy học thí nghiệm nhằm nâng cao chất lượng dạy học Vật lí ở trường phổ thông. 2. Xây dựng phần mềm hỗ trợ dạy học thí nghiệm Vật lí 2.1. Xây dựng phần mềm mô phỏng thí nghiệm thật Để giúp cho nhanh chóng tiếp cận được với bộ thí nghiệm thật, người làm thí nghiệm phải nhận diện được các dụng cụ đo, biết cách sử dụng chúng, hiểu về sơ đồ lắp ráp và quy trình tiến hành thí nghiệm. Nhằm hỗ trợ việc nghiên cứu và tiến hành với thí nghiệm thật, chúng tôi tiến hành xây dựng phần mềm hoàn toàn giống thí nghiệm thật cả về hình ảnh, quy trình và thao tác tiến hành thí nghiệm. Bằng hình ảnh của bộ thí nghiệm thật và lập trình bằng phần mềm Flash, phần mềm có dung lượng nhỏ, dễ sử dụng. Ví dụ: Nghiên cứu chuyển động đều trên máng CT10 và đồng hồ hiện số MC 946. 1 Bộ thí nghiệm với máng CT10-2 và đồng hồ hiện số MC 946 thuộc danh mục thiết bị dạy học Vật lí của Bộ Giáo dục và đào tạo ban hành. Các thiết bị này đã được trang bị cho các trường phổ thông. Khi tiến hành thí nghiệm với phần mềm, có thể điều chỉnh đồng hồ đo theo các chế độ đo thời gian bằng cách nhấn các nút chức năng trên đồng hồ. Nhấn nút nam châm điện, viên bi chuyển động trên máng và thời gian chuyển động qua 2 cổng quang điện hiển thị trên đồng hồ một cách ngẫu nhiên trong khoảng giá trị sai số cho phép, mỗi lần thực hiện sẽ có kết quả khác nhau. Đòi hỏi thu thập số liệu, xác định sai số. Các kết quả này được nghiên cứu từ thí nghiệm thật, vì vậy nó có thể được sử dụng để tham khảo khi tiến hành thí nghiệm thật. Một số bộ dụng cụ thí nghiệm chưa được trang bị đại trà ở trường phổ thông, giáo viên và học sinh chỉ được nghiên cứu trên giấy, Ví dụ: Đệm khí và đồng hồ đo thời gian hiện số đa chức năng J0201. Bằng phần mềm thí nghiệm mô phỏng giúp giáo viên và học sinh tiếp cận với các thiết bị thí nghiệm đa dạng và hiện đại hơn. 2.2. Xây dựng phần mềm hỗ trợ thí nghiệm khó thực hiện với thí nghiệm thật Nhiều hiện tượng vật lí có thể quan sát trong thực tiễn hoặc tiến hành với thí nghiệm thật, tuy nhiên việc nghi nhận kết quả khó khăn, việc xử lí số liệu, tính toán, vẽ đồ thị phức tạp, mất nhiều thời gian. Ví dụ chuyến động vật bị ném, dao động điều hòa của vật trên đệm khí… Bằng phương pháp phân tích băng hình, với các chức năng tính toán, vẽ đồ thị của phần mềm hỗ trợ hiệu quả cho quá trình dạy của giáo viên và học của học sinh. Ví dụ: Thí nghiệm khảo sát định luật bảo toàn cơ năng trong trường lực đàn hồi. 2 Hình 1: Thí nghiệm khảo sát chuyển động đều với máng CT10-2 và đồng hồ MC964 Hình 2: Thí nghiệm khảo sát tương tác 2 vật với đệm khí và đồng hồ J0201 Bằng cách quay Video dao động của vật trên đệm khí và đưa vào phần mềm. Với các chức năng của phần mềm có thể đo độ dời của vật theo từng khung hình (thời gian dịch chuyển theo dạng video, hệ pal là 25 khung hình/s). Sử dụng phần mềm: - Nhấn nút hiển thị vạch đánh dấu vị trí cân bằng, cho hiển thị thước đo (đã được xác định đúng theo tỷ lệ của thí nghiệm thật). Nhấn nút để dịch chuyển từng khung hình, đo quãng đường dịch chuyển của vật qua từng khung hình, thời gian được xác định theo định dạng Video hệ pal là 0.04s. - Nhập số liệu vào bảng và nhấn nút tính cơ năng, phần mềm sẽ tính thế năng và động năng của vật tại từng vị trí. Nhấn nút vẽ đồ thị thực nghiệm và đồ thị lý thuyết để tìm quy luật. Hình 4: Đồ thị thực nghiệm khảo sát cơ năng trong trường lực đàn hồi Hình 45: Đồ thị lý thuyết dùng so sánh với đường thực nghiệm 3. Sử dụng phần mềm ảo hỗ trợ dạy học thí nghiệm Vật lý 3.1. Sử dụng phần mềm mô phỏng kết hợp thí nghiệm thật Luận dạy học nhấn mạnh rằng cần theo phương pháp khám phá và kỹ năng tư duuy giống như các nhà khoa học. Mặc nhiên giáo viên vật lý cần có kỹ năng lập kế hoạch, chuẩn bị và tiến hành các hoạt động thí nghiệm cho học sinh. Để dạy học với thí nghiệm thật, yêu cầu giáo viên tiến hành thí nghiệm thử trong phòng thí nghiệm, học cách sử dụng các dụng cụ thí nghiệm, lắp ráp thí nghiệm, tiến hành thử, thu thập và xử lý số liệu. Thường giáo viên chỉ nghiên cứu thí nghiệm trên giấy, vì vậy mất nhiều 3 Hình 3: Thí nghiệm khảo sát định luật bảo toàn cơ năng trong trường lực đàn hồi thời gian làm quen với dụng cụ và tiến hành thí nghiệm. Với phần mềm mô phỏng giáo viên có thể tiếp cận với thí nghiệm nhanh chóng, tập trung phát hiện và tìm giải pháp giải quyết những khó khăn nảy sinh trong quá trình dạy học với thí nghiệm trên lớp. Phần mềm thí nghiệm mô phỏng thí nghiệm thật có thể được sử dụng như tài liệu học tập cho phép học sinh nghiên cứu bài học ở nhà, trên lớp tập trung thảo luận, tiến hành các thí nghiệm thực hành, rèn luyện các kỹ năng tâm vận. Với các thí nghiệm biểu diễn của giáo viên, dụng cụ đòi hỏi phải có kích thước đủ lớn để học sinh quan sát. Bằng các chức năng phóng to của máy tính, giáo viên có thể sử dụng phần mềm thí nghiệm mô phỏng thực hiện thí nghiệm biểu diễn trên lớp. 3.2. Sử dụng phần mềm thí nghiệm ảo mở rộng, đào sâu kiến thức lý thuyết Thí nghiệm vật lí là phương tiện duy nhất để kiểm tra tính đúng đắn của kiến thức. Nhiều hiện tượng vật lý khó khăn nghiên cứu theo con đường thực nghiệm phải nghiên cứu theo con đường lý thuyết, trong điều kiện ở trường phổ thông không thể tiến hành các thí nghiệm thật được, ví dụ định luật bảo toàn cơ năng theo SGK Vật lí 10 hoàn toàn được xây dựng trên cơ sở lý thuyết mà không có thí nghiệm khảo sát cũng như kiểm chứng. Bằng các phần mềm phân tích video quay các hiện tượng thật, học sinh có thể kiểm chứng lại kiến thức lý thuyết. Giáo viên cũng có thể tổ chức dạy học những kiến thức đó theo con đường thực nghiệm bằng phần mềm. 4. Kết luận và kiến nghị Sử dụng phần mềm thí nghiệm ảo đem lại hiệu quả cao trong quá trình dạy học ở trường phổ thông, tuy nhiên cần có sự kết hợp hài hòa với việc sử dụng thí nghiệm thật nhằm rèn luyện cho học sinh cả về lĩnh vực nhận thức cũng như kỹ năng tâm vận. Để sử dụng phần mềm thí nghiệm ảo hiệu quả, cần xây dựng các phần mềm có hệ thống, sát với chương trình vật lý ở phổ thông. Việc xây dựng phần mềm là mất nhiều thời gian, công sức, cần có sự tham gia của nhiều cơ quan, tố chức, cá nhân, đồng thời cũng cần có đơn vị đứng ra sưu tầm, chọn lọc, sắp xếp theo hệ thống, tạo ra cơ sở dữ liệu hỗ trợ cho dạy và học dùng chung cho cả nước. Tài liệu tham khảo 1. Nguyễn Đức Thâm (chủ biên), Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế (2002). Phương pháp dạy học Vật lý ở trường phổ thông. Nxb Đại học Sư phạm Hà Nội. 2. Nguyễn Xuân Thành. Mô phỏng thí nghiệm trên máy tính để sử dụng phối hợp với thí nghiệm thật trong dạy học Vật lý ở trường phổ thông. Tạp chí khoa học, số 6/2007. trường Đại học Sư phạm Hà Nội. tr 82. 3. Phạm Xuân Quế, Phạm Kim Chung. Role, requirements of online interactive physics experiment and how to develop the experiment. Tạp chí khoa học, số 6/2007. trường Đại học Sư phạm Hà Nội. tr 87. 4 . của chương trình vật lí phổ thông là coi trọng thực nghiệm, tăng cường các tiết học Vật lí có làm thí nghiệm. Học vật lí qua thí nghiệm vật lí không chỉ dừng. dụng phần mềm thí nghiệm mô phỏng thực hiện thí nghiệm biểu diễn trên lớp. 3.2. Sử dụng phần mềm thí nghiệm ảo mở rộng, đào sâu kiến thức lý thuyết Thí nghiệm