Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Xây dựng và sử dụng thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học chương “dao động c...

Tài liệu Xây dựng và sử dụng thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học chương “dao động cơ” vật lí 12 trung học phổ thông

.PDF
226
779
60

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN ĐĂNG THUẤN XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG “DAO ĐỘNG CƠ” VẬT LÍ 12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ GIÁO DỤC HỌC NGHỆ AN - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN ĐĂNG THUẤN XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG “DAO ĐỘNG CƠ” VẬT LÍ 12 TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Chuyên ngành: Lý luận và Phương pháp dạy học bộ môn Vật lí Mã số: 62 14 01 11 LUẬN ÁN TIẾN SĨ GIÁO DỤC HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. MAI VĂN TRINH NGHỆ AN - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì một công trình khoa học nào khác. Tác giả Nguyễn Đăng Thuấn ii LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Sau đại học, Ban Chủ nhiệm Khoa Vật lí – Công nghệ và Bộ môn Phương pháp dạy học Vật lí Trường Đại học Vinh, và các trường THPT - nơi tiến hành thực nghiệm đề tài Luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Mai Văn Trinh đã tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô trong Khoa Vật lí – Công nghệ Trường Đại học Vinh đã dành nhiều thời gian góp ý cho tác giả trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đối với bố, mẹ, vợ, con, gia đình, bạn bè, và những người đã giúp đỡ, động viên tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tác giả Nguyễn Đăng Thuấn iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. CLĐ Con lắc đơn 3. ĐC Đối chứng 2. 4. 5. 6. 7. 8. 9. CLLX DHVL GV HĐDH HĐNT HS PTDH 10. SGK 11. SGV 12. TBTN 13. THPT 14. TN 15. TNg 16. TNKNMT 17. TNSP 18. TNVL Con lắc lò xo Dạy học vật lí Giáo viên Hoạt động dạy học Hoạt động nhận thức Học sinh Phương tiện dạy học Sách giáo khoa Sách giáo viên Thiết bị thí nghiệm Trung học phổ thông Thí nghiệm Thực nghiệm Thí nghiệm kết nối máy tính Thực nghiệm sư phạm Thí nghiệm vật lí iv MỤC LỤC Lời cam đoan ................................................................................................................ i Lời cảm ơn .................................................................................................................. ii Danh mục các chữ viết tắt ........................................................................................... iii Mục lục ...................................................................................................................... iv Danh mục các bảng, biểu, đồ thị ............................................................................... viii Danh mục các hình ảnh ............................................................................................... ix MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG “DAO ĐỘNG CƠ” ................................................................................................................ 5 1.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài ........................................................................... 5 1.2. Các nghiên cứu ở trong nước ........................................................................... 7 1.3. Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu .......................................................... 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA VIỆC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ NHẰM TÍCH CỰC HÓA HOẠT ĐỘNG NHẬN THỨC CỦA HỌC SINH .......................................... 15 2.1. Tổ chức hoạt động dạy học vật lí theo định hướng tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh ......................................................................................... 15 2.1.1. Tổ chức hoạt động dạy học......................................................................... 15 2.1.2. Tính tích cực và tích cực nhận thức ............................................................ 25 2.1.3. Tổ chức dạy học vật lí như thế nào để tích cực hóa được hoạt động nhận thức của học sinh? ..................................................................................... 27 2.2. Thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học vật lí ......................................... 29 2.2.1. Khái niệm thí nghiệm kết nối máy tính....................................................... 29 2.2.2. Các thành phần của thí nghiệm kết nối máy tính ........................................ 30 2.2.3. Vai trò, chức năng của thí nghiệm kết nối máy tính .................................... 32 2.2.4. Ưu điểm và hạn chế của thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học vật lí .. 35 2.2.5. Các yêu cầu về thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học vật lí nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh ................................................. 39 v Kết luận chương 2 ................................................................................................. 41 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH TRONG DẠY HỌC CHƯƠNG “DAO ĐỘNG CƠ” NHẰM TÍCH CỰC HÓA HOẠT ĐỘNG NHẬN THỨC CỦA HỌC SINH ........................................................ 43 3.1. Khảo sát thực trạng dạy học chương “Dao động cơ” với thí nghiệm kết nối máy tính nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh ......................... 43 3.1.1. Mục đích khảo sát ...................................................................................... 43 3.1.2. Nội dung khảo sát ...................................................................................... 43 3.1.3. Phương pháp khảo sát ................................................................................ 44 3.1.4. Đối tượng khảo sát ..................................................................................... 45 3.1.5. Thực trạng thiết bị thí nghiệm và thí nghiệm kết nối máy tính liên quan đến chương “Dao động cơ”. ............................................................................. 46 3.1.6. Thực trạng nhận thức của giáo viên, các nhà quản lí về tầm quan trọng của TN và TNKNMT nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh..... 48 3.1.7. Thực trạng dạy học chương “Dao động cơ” với thí nghiệm kết nối máy tính nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh. ................................ 49 3.2. Quy trình xây dựng và sử dụng thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học vật lí nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh ............................... 55 3.3. Phân tích nội dung dạy học “Dao động cơ” và xác định những thí nghiệm kết nối máy tính cần xây dựng .................................................................................... 59 3.4. Phân tích một số thí nghiệm kết nối máy tính hiện có liên quan đến chương “Dao động cơ” ....................................................................................................... 67 3.4.1. Bộ thiết bị thí nghiệm kết nối máy tính Go!Motion của hãng Vernier......... 67 3.4.2. Bộ thiết bị thí nghiệm kết nối máy tính của hãng Fourier Education ........... 69 3.4.3. Bộ thiết bị thí nghiệm kết nối máy tính của hãng Addestation .................... 70 3.4.4. Bộ thiết bị thí nghiệm kết nối máy tính của hãng Pasco.............................. 72 3.4.5. Bộ thiết bị thí nghiệm kết nối máy tính Cassy của hãng LD-Didactic ......... 73 3.4.6. Nhận xét..................................................................................................... 74 3.5. Chế tạo thiết bị kết nối máy tính ViLabs....................................................... 76 3.5.1. Đặc tả về mặt kĩ thuật ................................................................................. 76 vi 3.5.2. Đặc tả các tính năng ................................................................................... 82 3.5.3. Quy trình tiến hành thí nghiệm với thiết bị kết nối máy tính ViLabs .......... 87 3.5.4. Các thử nghiệm đánh giá ổn định kết nối và sai số của cảm biến siêu âm SRF05 với thiết bị kết nối máy tính ViLabs ............................................... 87 3.5.5. Đối chiếu thiết bị ViLabs với các yêu cầu của thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học vật lí nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh. . 89 3.6. Xây dựng một số thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học chương “Dao động cơ” nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh ......................... 90 3.6.1. Thí nghiệm kết nối máy tính khảo sát dao động điều hòa của CLLX .......... 90 3.6.2. Thí nghiệm kết nối máy tính khảo sát dao động điều hòa của CLĐ ............ 93 3.6.3. Thí nghiệm kết nối máy tính khảo sát dao động tắt dần .............................. 96 3.6.4. Thí nghiệm kết nối máy tính khảo sát cưỡng bức – cộng hưởng cơ ............ 99 3.7. Soạn thảo tiến trình dạy học một số kiến thức chương “Dao động cơ” nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh ................................................. 102 3.7.1. Xác định mục tiêu dạy học chương “Dao động cơ” .................................. 102 3.7.2. Ý tưởng sư phạm ...................................................................................... 102 3.7.3. Tiến trình dạy học bài “Dao động điều hòa” (tiết 1) ................................. 109 3.7.4. Tiến trình dạy học bài “Con lắc lò xo” ..................................................... 113 3.7.5. Tiến trình dạy học bài “Bài tập con lắc lò xo, con lắc đơn” ...................... 117 Kết luận chương 3 ............................................................................................... 119 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM ......................................................... 122 4.1. Mục đích, đối tượng và phương pháp thực nghiệm sư phạm..................... 122 4.1.1. Mục đích thực nghiệm sư phạm ............................................................... 122 4.1.2. Đối tượng và phương pháp thực nghiệm sư phạm .................................... 122 4.1.3. Thời gian, địa điểm và công tác chuẩn bị thực nghiệm sư phạm ............... 122 4.2. Định hướng đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm.................................. 124 4.2.1. Bộ tiêu chí đánh giá tính khả thi của thiết bị kết nối ViLabs ..................... 124 4.2.2. Bộ tiêu chí đánh giá tính tích cực của học sinh ......................................... 124 4.2.3. Đánh giá kết quả học tập qua bài kiểm tra kiến thức cuối chương ............ 127 4.3. Phân tích, đánh giá định tính kết quả thực nghiệm sư phạm..................... 128 vii 4.3.1. TNSP vòng 1 và những điều chỉnh cho TNSP vòng 2 .............................. 128 4.3.2. Đánh giá định tính .................................................................................... 131 4.4.3. Đánh giá định lượng ................................................................................. 135 Kết luận chương 4 ............................................................................................... 142 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 143 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ................... 145 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 145 PHẦN PHỤ LỤC ................................................................................................... 155 PHỤ LỤC 1: CÁC PHIẾU KHẢO SÁT VÀ KẾT QUẢ KHẢO SÁT .................. 1 PHỤ LỤC 2: HỆ THỐNG CÁC TIÊU CHUẨN CỦA TN TRONG DHVL ...... 16 PHỤ LỤC 3: CÁC TIẾN TRÌNH DẠY HỌC CHƯƠNG DAO ĐỘNG CƠ ..... 17 PHỤ LỤC 4: CÁC PHIẾU HỌC TẬP CHƯƠNG DAO ĐỘNG CƠ.................. 31 PHỤ LỤC 5: PHIẾU QUAN SÁT GIỜ DẠY ...................................................... 44 PHỤ LỤC 6: ĐỀ KIỂM TRA CUỐI CHƯƠNG 1 .............................................. 46 PHỤ LỤC 7: HÀM TÍNH CÁC THAM SỐ THỐNG KÊ .................................. 50 PHỤ LỤC 8: MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM ...................................... 53 viii DANH MỤC CÁC BẢNG – BIỂU –ĐỒ THỊ Trang Bảng 2.1. Bảng mô tả mẫu khảo sát thực trạng .......................................................... 46 Bảng 3.1. Bảng nội dung kiến thức chương dao động cơ ........................................... 60 Bảng 3.2. Bảng kết quả đo sai lệch siêu âm SRF 05 ................................................... 88 Bảng 3.3. Bảng mô tả sơ lược các hoạt động dạy học chương “Dao động cơ”.......... 104 Bảng 4.1. Thông tin về lớp thực nghiệm và lớp đối chứng ....................................... 123 Bảng 4.2. Bảng ma trận đề kiểm tra chương “Dao động cơ" .................................... 127 Bảng 4.3. Bảng thống kê các tiêu chí đánh giá tính khả thi của TBTN ..................... 131 Bảng 4.4. Bảng thống kê các tiêu chí đánh giá tính tích cực của HS ........................ 132 Bảng 4.5. Bảng phân phối tần số điểm lớp TNg và ĐC ............................................ 136 Bảng 4.6. Bảng phân phối tần số tích lũy ................................................................. 136 Bảng 4.7. Bảng các tham số thống kê ...................................................................... 141 Đồ thị 3.1. Đồ thị thay đổi % sai lệch theo khoảng cách đo........................................ 88 Đồ thị 4.1a. Đồ thị phân phối điểm số lớp ĐC1 và lớp TNg1................................... 137 Đồ thị 4.1b. Đồ thị phân phối tần suất lũy tích ĐC1 và lớp TNg1 ............................ 137 Đồ thị 4.1c. Đồ thị phân phối điểm số ĐC2 và lớp TNg2 ......................................... 138 Đồ thị 4.1d. Đồ thị phân phối tần suất lũy tích ĐC2 và lớp TNg2 ............................ 138 Đồ thị 4.1e. Đồ thị phân phối điểm số ĐC3 và lớp TNg3 ......................................... 139 Đồ thị 4.1f. Đồ thị phân phối tần suất lũy tích ĐC3 và lớp TNg3 ............................. 139 Đồ thị 4.1g. Đồ thị phân phối điểm số ĐC4 và lớp TNg4......................................... 140 Đồ thị 4.1h. Đồ thị phân phối tần suất lũy tích ĐC4 và lớp TNg4 ............................ 140 ix DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ - HÌNH ẢNH Trang Sơ đồ 1.1. Sơ đồ TNVL với sự hỗ trợ của máy vi tính................................................ 10 Sơ đồ 2.1. Sơ đồ liên hệ kiến thức giữa hai hoạt động: dạy và học ............................. 18 Sơ đồ 2.2. Sơ đồ các thành tố của hoạt động dạy học ................................................. 20 Sơ đồ 2.3. Sơ đồ các thành tố của quá trình tổ chức hoạt động dạy học ...................... 23 Sơ đồ 2.4: Sơ đồ các thành phần của một thí nghiệm vật lí ........................................ 31 Sơ đồ 2.5: Sơ đồ các thành phần của một thí nghiệm kết nối máy tính ....................... 32 Sơ đồ 3.1: Sơ đồ mô tả quy trình xây dựng và sử dụng TNKNMT trong dạy học vật lí nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh. ................................................ 59 Sơ đồ 3.2. Sơ đồ kiến thức chương dao động cơ......................................................... 62 Sơ đồ 3.3. Sơ đồ kết nối các cụm phần cứng. ............................................................. 79 Sơ đồ 3.4. Sơ đồ liên hết các cụm phần mềm của hệ thống điều khiển trung tâm ....... 81 Hình 3.1. Cảm biến Go!Motion và giao diện phần mềm Logger Pro .......................... 68 Hình 3.2. Cảm biến Distance Sensor và giao diện phần mềm MiLab ......................... 69 Hình 3.3. Cảm biến Motion Sensor và giao diện phần mềm aMixer MGA ................. 71 Hình 3.4. Cảm biến PASPORT Motion Sensor, thiết bị kết nối 850 Universal Interface và phần mềm PASCO Capstone................................................................................. 73 Hình 3.5. Sơ đồ thí nghiệm khảo sát dao động của con lắc lò xo với cảm biến Laser Sensor S, thiết bị kết nối Sensor-Cassy và phần mềm Cassy Lab 2 ............................ 74 Hình 3.6. Hình ảnh thực tế vi mạch Raspberry Pi 3 và sản phẩm hộp điều khiển trung tâm sau khi hoàn thiện ............................................................................................... 77 Hình 3.7. Cảm biến SRF 05 và hộp cảm biến hoàn thiện...................................................... 78 Hình 3.8. Bảng cơ sở dữ liệu lưu lại thông tin lúc thực hiện thí nghiệm. ....................... 80 Hình 3.9. Bảng cơ sở dữ liệu lưu lại giá trị cảm biến của thí nghiệm. ............................ 80 Hình 3.10. Giao diện chính của phần mềm xử lí số liệu ........................................................ 82 Hình 3.11. Giao diện bảng số liệu ........................................................................................ 84 Hình 3.12. Giao diện thêm cột số liệu .................................................................................. 84 Hình 3.13. Giao diện hiển thị đồ thị mới (ở đây là đồ thị tọa độ - thời gian) ......................... 85 Hình 3.14. Giao diện thêm hàm so sánh ............................................................................... 85 x Hình 3.15. Giao diện đồ thị khi đã thêm đồ thị chuẩn để so sánh.......................................... 86 Hình 3.16. Hàm chuẩn trùng với hàm li độ x sau khi chỉnh các tham số ............................... 86 Hình 3.17. Bố trí TN đánh giá sai lệch ................................................................................. 87 Hình 3.18. Bố trí thí nghiệm con lắc lò xo ................................................................. 90 Hình 3.19. Đồ thị li độ con lắc lò xo .......................................................................... 91 Hình 3.20. Đồ thị li độ CLLX với hàm so sánh (phóng to một đoạn đồ thị) ............... 91 Hình 3.21. Đồ thị li độ - vận tốc – gia tốc của CLLX ................................................. 92 Hình 3.22. Bố trí thí nghiệm con lắc đơn ................................................................... 93 Hình 3.23. Đồ thị li độ con lắc đơn ............................................................................ 93 Hình 3.24. Đồ thị li độ CLĐ với hàm so sánh ............................................................ 94 Hình 3.25. Đồ thị li độ - vận tốc – gia tốc của CLĐ ................................................... 95 Hình 3.26. Bố trí thí nghiệm dao động tắt dần chậm .................................................. 96 Hình 3.27. Đồ thị li độ dao động tắt dần chậm ........................................................... 96 Hình 3.28. Biên độ dao động tắt dần giảm theo hàm mũ ............................................ 97 Hình 3.29. Đồ thị li độ - vận tốc của dao động tắt dần chậm ...................................... 97 Hình 3.30. Bố trí thí nghiệm dao động tắt dần nhanh ................................................. 98 Hình 3.31. Đồ thị li độ dao động tắt dần nhanh .......................................................... 98 Hình 3.32. Đồ thị li độ với hàm sin chuẩn cho thấy chu kì không đổi ........................ 98 Hình 3.33. Đồ thị li độ với biên độ giảm theo hàm mũ ............................................... 99 Hình 3.34. Đồ thị li độ li độ với hàm sin chuẩn cho thấy chu kì không đổi................. 99 Hình 3.35. Bộ tạo dao động cưỡng bức .................................................................... 100 Hình 3.36. Sơ đồ thí nghiệm dao động cưỡng bức ................................................... 100 Hình 3.37. Đồ thị li độ dao động cưỡng bức ............................................................ 101 Hình 3.38. Đồ thị li độ giai đoạn tăng dần tần số đến cộng hưởng............................ 101 1 1. Lí do chọn đề tài MỞ ĐẦU Ngày nay, sự xuất hiện của máy vi tính và internet đã làm thay đổi một cách sâu sắc, toàn diện đời sống con người. Những công nghệ hiện đại như giao tiếp từ xa, lưu trữ và xử lí những dữ liệu khổng lồ, chế tạo và sử dụng các công cụ tự động đã đem lại sự phát triển vượt bậc của xã hội loài người. Chính vì thế, đòi hỏi giáo dục phải tạo ra những con người không những có kiến thức chuyên môn và các kỹ năng nền tảng, mà còn phải biết tiếp cận và sử dụng các thành tựu khoa học hiện đại. Vật lí là môn khoa học thực nghiệm, các tri thức vật lí là nền tảng cho sự phát triển của khoa học và công nghệ, nhất là các công nghệ hiện đại, hỗ trợ sản xuất và đời sống, vì vậy có vai trò quan trọng trong tổng thể quá trình giáo dục, đào tạo con người mới. Điều này cũng dẫn đến yêu cầu cần thiết phải cải tiến các thí nghiệm, tăng cường vai trò của thí nghiệm (TN) trong từng đơn vị của kiến thức. Với sự xuất hiện của máy vi tính, các thiết bị đo đạc cảm biến và các bộ kết nối đã mở ra một hướng đi mới, nâng cao chất lượng của các thí nghiệm nói chung và thí nghiệm vật lí trong dạy học nói riêng. Các thiết bị cảm biến cho các kết quả đo tức thời với độ chính xác cao, đồng thời thông qua các bộ kết nối và phần mềm chuyên dụng cài đặt trên máy tính, dữ liệu được xử lí ngay lập tức, cho kết quả liên tục, thể hiện rõ bản chất của hiện tượng, nhất là những hiện tượng vật lí xảy ra nhanh, khó quan sát quy luật. Các bộ thí nghiệm mà số liệu thu được nhờ cảm biến, thiết bị kết nối và được xử lí dữ liệu trên máy tính như vậy được gọi là thí nghiệm kết nối máy tính (TNKNMT). Chương “Dao động cơ” lớp 12 vật lí trung học phổ thông đề cập đến những hiện tượng gần gũi, như dao động con lắc đơn, dao động của con lắc lò xo, ... nhưng thường lại xảy ra rất nhanh, khó quan sát và rất khó hình dung về bản chất. Việc trình bày kiến thức chương này đa phần dựa trên các lập luận toán học, dẫn đến sự khô cứng trong việc chiếm lĩnh tri thức của học sinh. Vì vậy nếu đưa vào sử dụng các bộ TNKNMT, sẽ làm cho các hiện tượng được quan sát một cách dễ dàng hơn và dễ hiểu hơn về mặt bản chất, tạo hứng thú và tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh. Tuy vậy, vẫn còn những câu hỏi cần giải quyết, đó là: (1) Lựa chọn bộ TNKNMT cụ thể nào? Hay, (2) cần xây 2 dựng các bộ TNKNMT mới? Và (3) sử dụng như thế nào trong dạy học để có thể tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh, góp phần nâng cao chất lượng dạy học? Vì vậy, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Xây dựng và sử dụng thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học chương “Dao động cơ” vật lí 12 trung học phổ thông”. 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng và sử dụng thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học chương “Dao động cơ” nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh, góp phần nâng cao chất lượng dạy học vật lí ở trường trung học phổ thông. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - - Đối tượng nghiên cứu: + Quá trình dạy học vật lí ở trường THPT. + Các bộ TNKNMT và khả năng ứng dụng của nó trong dạy học Vật lí. Phạm vi nghiên cứu: + Phần “Dao động cơ” vật lí 12 THPT (ban cơ bản). 4. Giả thuyết khoa học Nếu xây dựng và sử dụng thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học chương “Dao động cơ” một cách hợp lí thì sẽ tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh, góp phần nâng cao chất lượng dạy học vật lí ở trường trung học phổ thông. 5. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý luận về việc xây dựng và sử dụng thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học vật lí ở trường trung học phổ thông nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của HS. - Tìm hiểu thực trạng dạy học chương “Dao động cơ” với thí nghiệm kết nối máy tính nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh. - Xây dựng một số thí nghiệm kết nối máy tính phục vụ dạy học chương “Dao động cơ” nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh. - Soạn thảo tiến trình dạy học một số kiến thức chương “Dao động cơ” với các TNKNMT đã xây dựng nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh. - Thực nghiệm sư phạm để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của các tiến trình dạy học với TNKNMT đã soạn thảo. 3 6. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu giáo dục học, tâm lí học, lý luận dạy học, các nghiên cứu khoa học liên quan đến đề tài nghiên cứu. - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Xây dựng và sử dụng các phiếu khảo sát, phỏng vấn GV và HS để tìm hiểu về thực trạng dạy học chương “Dao động cơ” với thí nghiệm kết nối máy tính nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: + Xây dựng một số TNKNMT phục vụ cho việc tổ chức dạy học chương “Dao động cơ” – Vật lí 12 THPT. + Thiết kế tiến trình dạy học một số kiến thức chương “Dao động cơ” với TNKNMT nhằm tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh. - Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Tổ chức thực nghiệm sư phạm có đối chứng để đánh giá tính khả thi của đề tài. - Phương pháp thống kê toán học: Xử lí kết quả khảo sát thực trạng và xử lí thống kê kết quả thực nghiệm sư phạm để kiểm định giả thuyết khoa học bằng phần mềm Microsoft Excel phiên bản năm 2013. 7. Kết quả và những đóng góp của luận án Luận án đã góp phần làm sáng tỏ cơ sở lý luận của việc xây dựng và sử dụng thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học vật lí ở trường trung học phổ thông nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của HS. Luận án đã chỉ ra được thực trạng dạy học chương “Dao động cơ” với thí nghiệm kết nối máy tính nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh. Luận án đã chế tạo thành công bộ thiết bị kết nối máy tính (lấy tên là ViLabs), đồng thời xây dựng được 6 TNKNMT dùng dạy học chương “Dao động cơ”. Luận án đã soạn thảo 7 tiến trình dạy học chương “Dao động cơ” với các TNKNMT đã xây dựng nhằm tích cực hoá hoạt động nhận thức của HS. Các tiến trình dạy học đã được thực nghiệm có đối chứng khẳng định tính khả thi và hiệu quả của chúng trong việc tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh, góp phần nâng cao chất lượng dạy học vật lí ở trường trung học phổ thông. 4 8. Cấu trúc luận án Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương, phần kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục. Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về xây dựng và sử dụng thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học chương “Dao động cơ” Chương 2: Cơ sở lý luận của việc xây dựng và sử dụng thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học vật lí ở trường trung học phổ thông nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh Chương 3: Xây dựng và sử dụng thí nghiệm kết nối máy tính trong dạy học chương “Dao động cơ” vật lí 12 trung học phổ thông nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh Chương 4: Thực nghiệm sư phạm 5 Chương 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ PHỔ THÔNG 1.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, các công cụ và phương tiện hỗ trợ ngày càng hiện đại tạo sự thay đổi cực kỳ lớn trong các hoạt động kinh tế xã hội nói chung và các ngành khoa học nói riêng. Đặc biệt sự ra đời của máy vi tính, kèm theo đó là sự phát triển bùng nổ của công nghệ thông tin đã mở ra một giai đoạn phát triển mới trong lịch sử nhận loại, ở đó một số hoạt động tay chân của con người được tự động hóa bởi các công cụ. Trong vật lí học và trong dạy học vật lí, các ứng dụng kỹ thuật, công nghệ thông tin được quan tâm từ rất sớm và ngày càng thể hiện vai trò quan trọng. Ở Pháp, các nghiên cứu về việc phát triển học tập với sự hỗ trợ của máy vi tính và các thiết bị công nghệ đã có từ những năm 1970. Còn ở Mỹ, từ năm 1982, các trường học đã sử dụng các phần mềm dạy học như Basic, Logo ... và năm 1994, Internet đã được đưa vào ứng dụng trường học. Tại Anh, dự án MEP (Microeletronics Education Program – Chương trình giáo dục vi điện tử) đã được triển khai từ những năm đầu thập kỷ 80 của thế kỷ trước. Chương trình tập trung vào hai hướng chính đó là sử dụng máy vi tính với tư cách một phương tiện hỗ trợ cho dạy học, thực hiện cá thể hóa trong dạy học và đưa tin học vào nhà trường. Tại Canada, cũng từ năm 1980, tổ chức SIMEQ đã tiến hành lắp máy tính trong các trường trung học để phục vụ cho việc dạy học. Tại CHLB Đức, máy vi tính được đưa vào nhà trường từ năm 1984 với tư cách là phương tiện dạy học, bước đầu thông qua các chương trình phần mềm dạy học và tiến xa hơn trong sử dụng máy tính như công cụ hỗ trợ thí nghiệm vật lí. Tại Australia, năm 1984 tổ chức NSCU (National Software Condination Unit) đã cung cấp chương trình giáo dục máy vi tính cho các trường trung học với nhiều phần mềm dạy học ở nhiều môn học. Tại Hàn Quốc, Nhật Bản và một số nước Đông Nam Á như Singapore, Thái Lan, ... 6 cũng đã sớm đưa ứng dụng công nghệ thông tin và máy vi tính vào trường học phổ thông từ những năm 90 của thế kỷ trước. Vấn đề sử dụng máy vi tính và cảm biến như là công cụ hỗ trợ thí nghiệm dạy học cũng bắt đầu được thảo luận trong khoa học từ khoảng thời gian này. Có thể kể đến các nghiên cứu của Smith (1963), Messick và Rapaport (1964), Cooperband (1966), Johnson (1967), Kleinmuntz và McLean (1968), Aronson & Carlsmith (1969), Stang và O'Connell (1974). Trong bài viết “The effects of computerized experimentation on response variance” của Victor Rezmovic trên tạp chí Behavior Research Methods & Instrumentation (1977), tác giả đã đề cập những lợi ích của việc sử dụng máy vi tính hỗ trợ thí nghiệm thực như không phụ thuộc vào cảm xúc và kĩ thuật đo của người làm thí nghiệm, thu được nhiều số liệu nên giảm sai số ngẫu nhiên, tạo nhiều thời gian cho người nghiên cứu suy nghĩ vì giảm bớt thời gian đo và xử lí số liệu, tăng cường tư duy nhận thức thực nghiệm (experimental realism) [88]. Bắt đầu từ những năm 80, 90 của thế kỉ 20 và nhất là những năm đầu thế kỉ 21, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của máy vi tính và các ngôn ngữ lập trình, các nghiên cứu ứng dụng TNKNMT vào hỗ trợ thí nghiệm cụ thể và các đánh giá tác động sư phạm xuất hiện nhiều hơn, có thể kể đến các tác giả František Schauer (1984), Ahl David H. (1983), Van Staden, J. C. (1987) [92], Ivo Kuřitka (2003), ... Nhưng đáng kể nhất về mặt thiết bị là sự xuất hiện một số công ty thiết bị giáo dục chuyên về cảm biến và TNKNMT như Vernier, Pasco, Fourier, Addestation, Leybold, ... Liên quan đến các TNKNMT thuộc chương “Dao động cơ”, các hãng cung cấp các bộ TNKNMT chủ yếu sử dụng cảm biến siêu âm xác định vị trí, bên cạnh đó, một số hãng có thêm cảm biến lực, cảm biến gia tốc, cảm biến góc xoay để hỗ trợ nghiên cứu quy luật dao động của vật. Ví dụ như hãng Vernier cung cấp cảm biến siêu âm Go!Motion và phần mềm Logger Pro, hãng Passco cung cấp cảm biến siêu âm PASPORT Motion Sensor và phần mềm PASCO Capstone hoặc phần mềm MatchGraph! Software, hoặc hãng Leybold với bộ Cassy, ... Các nghiên cứu ứng dụng các sản phẩm này vào trường hợp tổ chức hoạt động dạy học cụ thể cũng đã được triển khai ở nhiều nước, cho các kết quả khả quan trong việc góp phần tích cực hóa hoạt động nhận thức của HS, nâng cao chất lượng dạy học. Có thể kể đến các nghiên cứu của Kah- 7 Chye Tan [82], Li-jun [85], Shrivastava, A. K. [90], ... Các nghiên cứu ứng dụng này đã thiết kế được các phương án sử dụng các TNKNMT sẵn có vào dạy học các kiến thức vật lí cụ thể, cả ở bậc phổ thông lẫn đại học. Ví dụ, nghiên cứu của Chye Tan [82] sử dụng bộ thiết bị kết nối máy tính của hãng Addestation vào dạy học các kiến thức điện học, nhiệt học. Hay nghiên cứu của Li-jun [85] sử dụng bộ thiết bị cảm biến của hãng Pasco trong nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng âm, ... Liên quan đến nội dung dao động cơ, cũng có một vài nghiên cứu sử dụng TN và TNKNMT trong dạy học. Có thể kể đến nghiên cứu của Van Staden, J. C. và các cộng sự, nghiên cứu dạy học dao động của con lắc đơn với TNKNMT, cụ thể là đưa ra các gợi ý của việc thiết kế các TNKNMT dạy học nội dung này như phân tích video, sử dụng cảm biến của hãng Vernier [92]. Hoặc nghiên cứu của Shrivastava, A. K. và các cộng sự, nghiên cứu sử dụng cảm biến siêu âm dùng chip P89C51RD2 để khảo sát khoảng cách trong các chuyển động vật lí (bao gồm cả dao động) [90]. Hoặc nghiên cứu của Kodejška, Č. và các cộng sự ở Hà Lan, nghiên cứu các giải pháp thí nghiệm kết nối máy tính với giá rẻ trong dạy học vật lí [83]. Như vậy có thể thấy, các nghiên cứu của nước ngoài đã quan tâm rất sớm đến ứng dụng của máy tính trong dạy học nói chung và ứng dụng của máy tính trong hỗ trợ thí nghiệm vật lí nói riêng. Các nghiên cứu đã xây dựng và sử dụng TNKNMT trong dạy học, cả trường hợp cụ thể của dao động cơ, theo cả hướng ứng dụng các TNKNMT sẵn có, lẫn tìm các phương án kết nối máy tính khác để dạy học vật lí được tích cực hơn và khả thi hơn trong điều kiện của các trường. Tuy nhiên, chưa có các nghiên cứu cụ thể phân tích và đánh giá các thiết bị TNKNMT sẵn có, đặc biệt là không có nghiên cứu nào đề cập đến xây dựng và sử dụng TNKNMT trong dạy học chương “Dao động cơ” ở Việt Nam nhằm tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh. 1.2. Các nghiên cứu ở trong nước Tại Việt Nam, cũng từ những năm 80 của thế kỷ trước, các nhà khoa học trong đó đi đầu là Viện khoa học giáo dục đã nghiên cứu đưa chương trình tin học vào dạy ở các trường phổ thông. Đồng thời sau đó cũng xuất hiện nhiều nghiên cứu lý luận về ứng dụng của máy vi tính trong dạy học. Có thể kể đến công trình “Mấy quan điểm sử dụng máy tính điện tử như là công cụ dạy học” của các tác giả Nguyễn Bá Kim – Đỗ Thị 8 Hồng Anh (NXB Giáo dục – 1988); công trình “Cơ sở thiết kế các phần mềm dạy học trên máy vi tính” của tác giả Lê Công Triêm (1994); công trình “Một số điểm về cơ sở lý luận dạy học của việc sử dụng máy tính điện tử” của tác giả Nguyễn Quang Lạc – Lê Công Triêm (1992) đăng trên tạp chí nghiên cứu khoa học giáo dục; công trình “Vai trò mô phỏng bằng máy vi tính trong việc đưa ra kiến thức mới bằng con đường lý thuyết” của tác giả Phạm Xuân Quế (1999); công trình “Máy vi tính làm phương tiện dạy học” dùng trong đào tạo cao học tại trường Đại học Vinh của tác giả Nguyễn Quang Lạc – Mai Văn Trinh (2002); công trình “Sử dụng máy vi tính trong dạy học” của tác giả Lê Công Triêm (2005); các công trình “Giáo trình tin học trong dạy học Vật lí” (2006), “Giáo trình sử dụng máy tính trong dạy học vật lí” (2007), “Giáo trình ứng dụng công nghệ thông tin trong tổ chức hoạt động nhận thức tích cực, tự lực và sáng tạo” (2007) của tác giả Phạm Xuân Quế; ... Các tác giả đã kì công xây dựng cơ sở lý luận vững chắc cho việc ứng dụng máy vi tính và công nghệ thông tin trong dạy học nói chung và dạy học vật lí nói riêng theo một số hướng sau: + Hướng thứ nhất là ứng dụng công nghệ thông tin trong hệ thống quản lí giáo dục, xây dựng trường học thông minh (Smart School). + Hướng thứ hai là ứng dụng công nghệ thông tin trong hệ thống đào tạo từ xa, xây dựng hệ thống Elearning, trường học số. + Hướng thứ ba là phát huy chức năng đa phương tiện, tính năng giao tiếp của máy vi tính nhằm trực quan hóa, tích cực hóa hoạt động nhận thức của học sinh, phát triển các kỹ năng tư duy bậc cao, khả năng sáng tạo, kỹ năng giải quyết vấn đề, hợp tác nhóm, tăng cường cá thể hóa trong dạy học ... + Hướng thứ tư là ứng dụng trong thu thập và xử lí số liệu thí nghiệm, hỗ trợ thí nghiệm, điều khiển thí nghiệm. Các tác giả đặc biệt xem ứng dụng công nghệ thông tin như một hướng đi mới nhằm tích cực hóa hoạt động của học sinh trong dạy học góp phần nâng cao hiệu quả dạy học. Tuy nhiên các tác giả cũng chỉ ra rằng để công nghệ thông tin có thể hỗ trợ tốt quá trình giáo dục trong nhà trường, người giáo viên cần chủ động lựa chọn phương pháp, lựa chọn phần mềm, ứng dụng thích hợp cho từng mục đích giáo dục cụ thể. Nhất là trong thiết kế và thi công từng bài dạy, từng nội dung kiến thức, từng thí nghiệm, từng
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan