Tổ chức dạy học môn Vật lí ở trường Trung học Phổ thông với sự hỗ trợ của thí nghiệm kết nối máy tính - Mai Văn Trinh

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE DOI: 10.18173/2354-1075.2015-0148 Educational Sci., 2015, Vol. 60, No. 8, pp. 85-91 This paper is available online at TỔ CHỨC DẠY HỌCMÔN VẬT LÍ Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH Mai Văn Trinh1, Nguyễn Đăng Thuấn2 1Cục khảo thí và kiểm định chất lượng giáo dục, Bộ Giáo dục và Đào tạo 2Khoa Sư phạm Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Sài Gòn Tóm tắt. Thí nghiệm kết nối máy tính được hiểu là những thí nghiệm mà các dữ liệu được thu thập bởi các cảm biến, sau đó được đưa lên máy tính nhờ một thiết bị kết nối và cuối cùng là được phân tích bằng các phần mềm trên máy tính. Với những ưu điểm ghi số liệu nhanh, tự động, khả năng phân tích số liệu đa dạng, chuyên sâu, các thí nghiệm kết nối máy tính đã mở ra một hướng mới trong thực hiện các thí nghiệm dạy học vật lí. Trong bài viết này, chúng tôi đề cập đến quy trình xây dựng một thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học vật lí và minh họa bằng thí nghiệm chứng minh con lắc đơn dao động điều hòa với bộ cảm biến siêu âm Go! Motion và phần mềm kết nối Logger Pro của hãng Vernier. Từ khóa: Thí nghiệm, kết nối máy tính, cảm biến, vật lí, con lắc đơn, dao động điều hòa. 1. Mở đầu Các thí nghiệm trong dạy học vật lí không những là công cụ tổ chức dạy các kiến thức vật lí mà còn là công cụ rèn luyện các kĩ năng tư duy, các kĩ năng thao tác, khả năng sáng tạo và khả năng làm việc nhóm. Ngày nay, với sự xuất hiện và phát triển của máy vi tính và các bộ ghép nối đã mở ra một hướng cải tiến các thí nghiệm dạy học, ở đó các số liệu được đo đạc tự động nhờ cảm biến và được xử lí mạnh mẽ nhờ máy tính, các thí nghiệm (TN) như vậy là “thí nghiệm kết nối máy tính” (TNKNMT) [6]. Một số nghiên cứu đã bước đầu xây dựng các TNKNMT sử dụng trong dạy học vật lí như của tác giả Nguyễn Ngọc Lê Nam [5, 6] sử dụng ghép nối có sẵn GQY của Trung Quốc, hay của tác giả Cao Tiến Khoa [7] chế tạo thiết bị tạo dao động với tần số và pha thay đổi được từ máy tính. Các nghiên cứu này đều đã chỉ ra ưu điểm của việc sử dụng các bộ TNKNMT trong dạy học vật lí, đặc biệt với các TN xảy ra nhanh, khó đo đạc số liệu bằng các thiết bị đo thông thường. Trong các nghiên cứu đó, việc thiết kế thí nghiệm sao cho phù hợp với đặc điểm tâm sinh lí và đặc thù môn học đã được các tác giả quan tâm nhưng chưa đưa ra được quy trình xây dựng một TNKNMT. Trên cơ sở đó, chúng tôi xây dựng quy trình thiết kế, xây dựng một TNKNMT sử dụng trong dạy học rồi minh họa qua thí nghiệm kiểm chứng dao động điều hòa – vật lí 12 trung học phổ thông (THPT), một thí nghiệm xảy ra nhanh và khó thực hiện với các thiết bị đo thông thường. Ngày nhận bài: 15/5/2015. Ngày nhận đăng: 17/10/2015. Liên hệ: Mai Văn Trinh, e-mail: mvtrinh@moet.edu.com 85 Mai Văn Trinh, Nguyễn Đăng Thuấn 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Khái niệm thí nghiệm kết nối máy tính Thí nghiệm vật lí là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào đối tượng của hiện thực khách quan. Thông qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của sự tác động, ta có thể thu nhận được tri thức mới [8]. Thí nghiệm trong dạy học vật lí rõ ràng cũng là một thí nghiệm vật lí, chỉ khác là tri thức mới thu được từ thí nghiệm đa phần chỉ là “mới” đối với học sinh. Tùy vào các tiêu chí khác nhau, ta có thể có nhiều loại thí nghiệm vật lí trong dạy học. Nếu căn cứ vào mục đích lí luận dạy học của TN, ta có các loại sau: TN biểu diễn và TN thực tập của HS [8]. Nếu dựa vào môi trường làm việc của TN, ta lại có thể chia TN ra thành hai loại TN thật và TN ảo. TN ảo là các TN được xây dựng trên máy tính, kể cả thiết bị thí nghiệm lẫn chủ thể nghiên cứu, học sinh tương tác thông qua màn hình và hệ thống chuột, bàn phím. TN thật là những TN được học sinh thực hiện trực tiếp, tương tác trực tiếp với chủ thể nghiên cứu và thiết bị đo. Với sự ra đời và phát triển mạnh của máy vi tính, ngày càng có nhiều công đoạn của TN được thực hiện hoặc hỗ trợ nhờ máy vi tính và cảm biến. Nếu dựa vào tiêu chí này, ta lại chia TN thật làm hai loại: + TN truyền thống là TN trong đó người học thực hiện TN và không có sự hỗ trợ của máy vi tính. + TN kết nối máy tính (hay thí nghiệm với sự hỗ trợ của máy tính) là TN trong đó việc tiến hành TN được thực hiện như TN truyền thống nhưng có máy tính được sử dụng như là một công cụ hỗ trợ việc thu thập và xử lí số liệu. Như vậy có thể định nghĩa TNKNMT là các thí nghiệm vật lí được tiến hành trực tiếp và có sự kết nối với máy vi tính nhằm thu thập và xử lí số liệu. 2.2. Tổ chức dạy học Vật lí với thí nghiệm kết nối máy tính 2.2.1. Quy trình xây dựng thí nghiệm kết nối máy tính Sử dụng thí nghiệm trong dạy học vật lí là vấn đề lí luận đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm, đề cập. Trong các tài liệu [3, 5], các tác giả đã xây dựng quy trình chế tạo thiết bị thí nghiệm cũng như quy trình sử dụng thí nghiệm trong các giai đoạn của tiến trình dạy học. Tuy nhiên, quy trình xậy dựng một TNKNMT trong dạy học vật lí thì chưa được đề cập đến. Vì vậy, dựa trên cơ sở lí luận về tổ chức dạy học vật lí, nội dung chương trình dạy học vật lí THPT [1], và cơ sở lí luận về việc sử dụng phương tiện thí nghiệm nói chung [3], máy tính trong dạy học vật lí nói riêng [2, 4], chúng tôi đề xuất quy trình xây dựng TNKNMT trong dạy học vật lí gồm 5 bước như trong sơ đồ 1. Trước hết, thí nghiệm mà chúng tôi quan tâm xây dựng là các thí nghiệm dạy học chứ không phải các thí nghiệm nghiên cứu, vì vậy việc xác định mục tiêu dạy học là việc làm cần thiết và phải làm trước. Ở bước thứ hai, xác định các thí nghiệm cần tiến hành là bước quan trọng nhất trong quy trình. Việc xác định thí nghiệm nào cần tiến hành trong dạy học tùy vào mục tiêu dạy học, trọng tâm dạy, đặc điểm đối tượng học sinh, ý tưởng sư phạm của người dạy học và tính khả thi của các thiết bị thí nghiệm sẵn có. Một thí nghiệm được chọn là một thí nghiệm làm rõ được trọng tâm kiến thức, góp phần hiện thực mục tiêu dạy học, phù hợp với kiến thức của học sinh, tạo sự dễ dàng cho phương án giảng dạy của giáo viên và rõ ràng phải khả thi. Với ưu điểm của mình về khả năng đo đạc và xử lí số liệu, các bộ TNKNMT cho phép người giáo viên lựa chọn nhiều thí nghiệm đáp ứng nhu cầu trên. Sau khi xác định thí nghiệm cần tiến hành thì bước bước ba là xây dựng phương án thí nghiệm và lựa chọn thiết bị thí nghiệm. Việc chọn lựa các thiết bị trong TNKNMT cần đảm bảo tính khả thi, tính trực quan và đảm bảo thể hiện rõ bản chất hiện tượng vật lí cần nghiên cứu. 86 Tổ chức dạy học môn Vật lí ở trường Trung học phổ thông với sự hỗ trợ của thí nghiệm... Từ phương án thí nghiệm đã vạch ra, bước bốn là giáo viên cần tiến hành làm thử để nhuần nhuyễn trong thao tác, lường trước các thao tác khó, các yếu tố gây nhiều sai số và các hiệu ứng phụ xảy ra trong quá trình thí nghiệm. Điều này đảm bảo việc thực hiện thí nghiệm trên lớp cũng như hỗ trợ HS thí nghiệm được thành công và hiệu quả. Sau khi phương án thí nghiệm đã thiết kế đảm bảo mục tiêu dạy học, đảm bảo tính khả thi thì ở bước năm, giáo viên cần thiết kế tiến trình dạy học phù hợp, nhằm khai thác tốt thí nghiệm đã thiết kế, làm rõ được bản chất vấn đề cần nghiên cứu. Bước 1: Xác định nội dung các kiến thức, kĩ năng mà học sinh (HS) cần có được trong quá trình học tập. ⇓ Bước 2: Xác định các thí nghiệm cần tiến hành ⇓ Bước 3: Xây dựng phương án thí nghiệm và lựa chọn thiết bị thí nghiệm. ⇓ Bước 4: Tiến hành thí nghiệm thử. ⇓ Bước 5: Xây dựng tiến trình dạy học tương ứng Sơ đồ 1. Sơ đồ quy trình 5 bước xây dựng TNKNMT trong dạy học vật lí 2.2.2. Tổ chức dạy học phần kiến thức Vật lí có sử dụng thí nghiệm kết nối máy tính Để hiện thực hóa quy trình đã đề xuất ở trên, chúng tôi đã tiến hành xây dựng thí nghiệm kiểm chứng dao động điều hòa của con lắc đơn với bộ cảm biến siêu âm Go! Motion và phần mềm Logger Pro của hãng Vernier, từ đó đề xuất tiến trình dạy học phần kiến thức “Con lắc đơn” – Vật lí 12 THPT. Cụ thể như sau: Bước 1: Xác định nội dung các kiến thức, kĩ năng mà HS cần có được trong quá trình học tập. Bài “Con lắc đơn” thuộc chương trình vật lí12 THPT, đề cập đến các kiến thức: cấu tạo con lắc đơn và chứng minh dao động của con lắc đơn là dao động điều hòa [1]. Như vậy, mục tiêu kiến thức của bài là HS khẳng định được dao động của con lắc đơn dao động điều hòa. Để làm được điều này, sách giáo khoa vật lí 12 tổ chức cho HS phân tích các lực tác dụng lên vật khi dao động, sau đó khảo sát gia tốc chuyển động trong trường hợp góc nhỏ, từ đó khẳng định chuyển động của con lắc đơn là dao động điều hòa. Phương án này có ưu điểm là đảm bảo tính logic về mặt suy luận, dễ dàng có được biểu thức chu kì, nhưng lại thiếu tính thực tế vì chỉ suy luận lí tưởng. Vì vậy, thiết kế thí nghiệm nhằm mục đích chứng minh con lắc đơn dao động với biên độ góc nhỏ sẽ điều hòa là cần thiết. Bước 2: Xác định các thí nghiệm cần tiến hành trong dạy học. Với phân tích như trên, chúng tôi xác định cần thiết kế thí nghiệm kiểm chứng dao động của con lắc đơn là điều hòa. Bước 3: Xây dựng phương án thí nghiệm và lựa chọn thiết bị thí nghiệm. Việc xác định dao động của con lắc đơn là điều hòa có nhiều phương án khác nhau. Tuy nhiên, chúng tôi chọn phương án sử dụng cảm biến vị trí để xác định tọa độ của vật theo thời gian, sau đó dùng phần mềm trên máy tính vẽ đồ thị để tìm ra bản chất của dao động. Để thực hiện được phương án này, chúng tôi lựa chọn cảm biến Go! Motion của hãng Vernier, với các ưu điểm là ổn 87 Mai Văn Trinh, Nguyễn Đăng Thuấn định, có sẵn phần mềm xử lí là Pro Logger được cung cấp bởi hãng Vernier. Hình 1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm Trong TN ta dùng dây treo là dây dù (hoặc dây chỉ) không co dãn và rất nhẹ. Cho quả nặng dao động trong mặt phẳng chứa cảm biến và dây treo. Lưu ý là trong quá trình dao động, quả nặng phải cách cảm biến tối thiểu 15 cm. Để dao động của con lắc là dao động điều hòa thì biên độ góc phải nhỏ (< 100) và chiều dài con lắc đơn được tính từ điểm treo đến trọng tâm (điểm giữa) của quả nặng. Bước 4: Tiến hành thí nghiệm thử. Chúng tôi tiến hành thí nghiệm thử với trình tự các bước như sau: - Kết nối cảm biến Go! Motion với máy tính bằng cáp USB và khởi động phần mềm Logger pro. Hai hệ trục: li độ theo thời gian và vận tốc theo thời gian xuất hiện ở giao diện của Logger pro. Chọn thời gian thu thập dữ liệu cho Logger pro là 10 giây. Hình 1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm - Đẩy nút gạt của cảm biến sang chế độ TN phù hợp như hình. - Đặt đầu dò cảm biến thẳng hàng với quả nặng của con lắc đơn, sao cho khi quả nặng ở vị trí cân bằng thì nó cách cảm biến 30 cm. - Vào thư mục “Experiment” của Logger pro, nhấp chuột để chọn chế độ đo “zero”. Khi đó vị trí cân bằng của quả nặng trở thành gốc tọa độ - là mốc để thu thập dữ liệu ví trí. Vị trí của quả nặng được xác định trong quá trình dao động chính là li độ của nó. - Kéo quả nặng lệch khỏi vị trí cân bằng một góc nhỏ, rồi thả nhẹ cho nó dao động. Chú ý thao tác thả phải thật nhẹ nhàng, để quả nặng dao động trong mặt phẳng chứa dây treo và cảm biến và tránh cho quả nặng lệch khỏi mặt phẳng này. - Khi con lắc lò xo dao động ổn định, nhấp chuột vào biểu tượng “Collect” trên cửa sổ phần mềm để bắt đầu quá trình thu thập dữ liệu. * Kết quả thí nghiệm - Quan sát đồ thị li độ, chúng ta có thể thấy đồ thị li độ là một hàm sin (cos) từ đó khẳng định dao động của con lắc đơn là điều hòa. - Để xác định chu kì dao động của con lắc, ta nhấp chuột vào biểu tượng trên cửa sổ phần mềm Logger pro. Công cụ này giúp ta xác định được các giá trị số liệu trên đồ thị, khi ta đưa chuột đến ví trí cần xác định. Do đó, ta có thể xác định khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp con lắc qua vị trí cân bằng, hoặc giữa hai lần liên tiếp con lắc qua vị trí biên dương (hoặc âm). Từ đó xác định được chu kì của con lắc đơn và kiểm chứng kết quả có phù hợp với công thức tính chu kì T = 2pi √ l g . - Ta thay đổi các quả nặng khác nhau, hay thay đổi chiều dài dây treo trong quá trình TN và tiến hành thu thập dữ liệu để kiểm chứng sự ảnh hưởng của khối lượng, chiều dài dây treo đến chu kì của con lắc. Bước 5: Xây dựng tiến trình dạy học phần kiến thức có sử dụng thí nghiệm. 88 Tổ chức dạy học môn Vật lí ở trường Trung học phổ thông với sự hỗ trợ của thí nghiệm... Hình 2: Đồ thị li độ - thời gian (trên) và vận tốc – thời gian (dưới) Với kết quả thí nghiệm khả quan ở trên, chúng tôi thiết kế tiến trình dạy học phần kiến thức “Con lắc đơn” như sau: Thời gian Hoạt động của giáo viên Hoạt động của HS Hoạt động 1: Cấu tạo Con lắc đơn 2’ - Giới thiệu cấu tạo Con lắc đơn. - Yêu cầu HS lắp Con lắc đơn và thực hiện dao động. - Yêu cầu HS nhận xét sự khác biệt gì về quỹ đạo của dao động con lắc đơn so với dao động con lắc lò xo. Từ đó đổi kí hiệu li độ x thành s. - Tiến hành lắp Con lắc đơn và thực hiện dao động (theo nhóm). - Nhận xét và trả lời câu hỏi. Hoạt động 2: Con lắc đơn có dao động điều hòa không? 5’ - Giáo viên đặt vấn đề: “Làm sao để biết dao động của con lắc đơn có điều hòa hay không?” - Hướng dẫn HS tìm ra hai phương án. - Làm việc theo nhóm, thảo luận dưới sự gợi ý của giáo viên để đề xuất được hai phương án: + Phương án 1: Khảo sát hợp lực rồi tìm gia tốc, kiểm chứng gia tốc có dạng a = −ω2x. + Phương án 2: Xác định tọa độ của vật theo thời gian, vẽ đồ thị và kiểm chứng tọa độ thay đổi theo quy luật hàm cos. 89 Mai Văn Trinh, Nguyễn Đăng Thuấn Hoạt động 3: Khảo sát dao động con lắc đơn 15’ - Giáo viên tiến hành cho HS thực hiện phương án thí nghiệm trước sau đó hướng dẫn các nhóm thực hiện phương án 1 để kiểm chứng. - HS tiến hành 2 phương án dưới sự hỗ trợ của giáo viên. - Từ đó đưa ra kết luận, dao động của con lắc đơn có điều hòa hay không? Hoạt động 4: Khảo sát cơ năng của Con lắc đơn 10’ - Đặt vấn đề: “Con lắc đơn khi dao động có những dạng năng lượng nào?” - Hướng dẫn HS nhớ lại biểu thức tính động năng và thế năng đàn hồi. - Hướng dẫn HS khảo sát sự thay đổi của động năng, thế năng, cơ năng. Và khảo sát lại bằng thực nghiệm. - Thảo luận và trả lời câu hỏi. - Nhớ lại biểu thức. - Làm việc theo nhóm nhằm trả lời câu hỏi: động năng, thế năng, cơ năng thay đổi theo quy luật nào? Hoạt động 5: Củng cố 10’ - Hệ thống hóa lại kiến thức. - Cho một ví dụ minh họa. - Phối hợp với giáo viên và giải bài ví dụ do giáo viên đưa ra. Như vậy, có thể thấy trong tiến trình dạy học đã đề xuất, giai đoạn đặt vấn đề, đề xuất phương án thí nghiệm được quan tâm đúng mức, nhằm góp phần tích cực hóa hoạt động tư duy của người học. 3. Kết luận Tổ chức dạy học bài “Con lắc đơn” với phương án phối hợp thí nghiệm kết nối máy tính như trên không những góp phần giúp HS hiểu rõ hơn bản chất điều hòa của dao động con lắc, mà còn giúp HS phát triển tư duy sáng tạo thông qua hoạt động đề xuất phương án kiểm tra tính điều hòa của con lắc đơn. Với các ưu điểm của các cảm biến và bộ ghép nối, nhiều thí nghiệm khác trong dạy học vật lí cũng có thể được tiến hành để hiểu một cách rõ ràng hơn về bản chất hiện tượng vật lí, ví dụ thí nghiệm va chạm, dao động tắt dần,. . . Tuy nhiên, trong khuôn khổ bài báo chúng tôi chỉ giới thiệu một thí nghiệm để minh họa cho những kết quả nghiên cứu của nhóm trong thời gian qua. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Giáo dục và đào tạo, 2007. Sách giáo khoa Vật lí 10, 11, 12. Nxb Giáo dục. [2] D.Scott Mackenzie, Duane G.Jasnen, 1996. Impact of Multimedia Computer – Based Intruction on Student Comprehension of Drafting Principles. Clolorado Sate University. [3] Lê Công Triêm, 2005. Sử dụng máy vi tính trong dạy học. Nxb Giáo dục. [4] Nguyễn Anh Thuấn, 2007. Xây dựng và sử dụng thiết bị thí nghiệm trong dạy học chương “Sóng cơ học” ở lớp 12 THPT theo hướng phát triển hoạt động nhận thức tự lực, sáng tạo của học sinh. Luận án tiến sĩ giáo dục học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội. [5] Nguyễn Ngọc Lê Nam, 2011. Mô phỏng thí nghiệm trên máy vi tính để sử dụng phối hợp với thí nghiệm thật trong dạy học chương “Dòng điện trong các môi trường” Vật lí 11 THPT. Tạp chí Giáo dục, Số 10-2011, tr.55 - 56. 90 Tổ chức dạy học môn Vật lí ở trường Trung học phổ thông với sự hỗ trợ của thí nghiệm... [6] Nguyễn Quang Lạc, Nguyễn Ngọc Lê Nam, 2011. Thiết kế, lắp ráp và sử dụng thí nghiệm ghép nối máy vi tính để thiết lập định luật ôm của dòng điện trong chất điện phân. Kỉ yếu hội thảo quốc gia về giảng dạy vật lí, tháng 10/2011, tr. 5 - 11. [7] Phạm Xuân Quế, Cao Tiến Khoa, 2011. Thiết kế, chế tạo thiết bị tạo dao động với các tần số thích hợp để dạy bài “giao thoa sóng” Vật lí 12 (Nâng cao). Tạp chí Thiết bị Giáo dục - Tháng 10 năm, số 2011, tr. 48. [8] Nguyễn Đức Thâm (chủ biên), Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế, 2003. Phương pháp dạy học Vật lí ở trường phổ thông. Nxb Đại học Sư phạm. ABSTRACT Connected computer experiments to – aid the teaching of physics in upper secondary school In connected computer experiments, data is collected automatic by sensors, posted to a computer using a connected device and analyzed by software. With this ability to record data quickly and automatically, and analyze diverse data, connected computer experiments have opened up a new direction in teaching physics experiments. In this article, we look at the process of building a connected computer experiment in teaching physics using a simple pendulum harmonic oscillator with ultrasonic sensors Go! Motion and Logger Pro software, provided by Vernier. Keywords: Experiments, computer connection, sensor, simple pendulum, harmonic oscillator. 91