Nghiên cứu quá trình vật lí thực ở trường phổ thông với phương tiện dạy học số - Trần Bá Trình

Nghiên cứu quá trình vật lí thực ở trường phổ thông với phương tiện dạy học số 74 HNUE JOURNAL OF SCIENCE DOI: 10.18173/2354-1075.2018-0007 Educational Sciences, 2018, Vol. 63, Iss. 2, pp. 74-81 This paper is available online at NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH VẬT LÍ THỰC Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG VỚI PHƯƠNG TIỆN DẠY HỌC SỐ Trần Bá Trình, Đỗ Thị Hồng Quyên Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt. Các quá trình vật lí trong tự nhiên luôn gắn với các yếu tố thực như ma sát, hao phí năng lượng, và sự biến đổi của các thông số chi phối hiện tượng. Trong dạy học theo con đường suy luận lí thuyết, việc tính đến các yếu tố thực này sẽ dẫn đến các phương trình vi phân mà học sinh gặp bế tắc khi giải với kiến thức toán phổ thông hiện có. Trong khảo sát thực nghiệm trên lớp học, giáo viên khó có thể thiết kế các phương án thí nghiệm khả thi với các dụng cụ đo hiện có. Các phương án khảo sát này thường đòi hỏi: a) dụng cụ đo nhạy, chính xác, và thu thập được nhiều số liệu trong thời gian ngắn một cách tự động và b) công cụ hỗ trợ học sinh biểu diễn và phân tích đồ thị thực nghiệm phức tạp. Bài báo trình bày một phương án suy luận lí thuyết với phần mềm xây dựng mô hình và một phương án khảo sát thực nghiệm với thí nghiệm ghép nối máy tính. Tính thuận tiện của các phương án này và sự phù hợp của các kết quả thu được đã chứng tỏ tính khả thi của việc sử dụng phương tiện dạy học số trong nghiên cứu các quá trình vật lí ở trường phổ thông, có tính đến các yếu thực. Việc này sẽ góp phần đưa các giờ học vật lí đến gần với cuộc sống hơn và phát triển năng lực tìm tòi, khám phá thế giới tự nhiên ở học sinh. Từ khóa: Dao động tắt dần, phần mềm xây dựng mô hình, phương tiện dạy học số, quá trình vật lí thực, thí nghiệm ghép nối máy tính. 1. Mở đầu Vật lí phổ thông chủ yếu là vật lí thực nghiệm [1]. Do đó, khi dạy học vật lí phổ thông cần gắn kiến thức với bối cảnh thực tế. Việc khảo sát quá trình vật lí thực không thể bỏ qua: ma sát, tỏa nhiệt và sự biến đổi của các thông số tác động. Ví dụ, cần kể đến nhiệt lượng truyền ra môi trường ngoài khi nghiên cứu các quá trình trao đổi nhiệt; cần tính đến ma sát khi khảo sát các chuyển động. Các hệ dao động luôn chịu tác dụng của lực ma sát; lực này làm suy giảm dần năng lượng và làm tắt dần dao động sau một thời gian nhất định (dao động tắt dần). Dao động tắt dần phổ biến trong đời sống (xích đu, con lật đật, thú nhún) và có nhiều ứng dụng trong kĩ thuật (bộ giảm xóc xe máy, thiết bị đóng cửa tự động, đệm lò xo). Tuy vậy, giáo viên và học sinh gặp nhiều khó khăn khi khảo sát các quá trình vật lí thực vì kiến thức toán phổ thông không đủ để khảo sát theo con đường lí thuyết. Mặt khác, các dụng cụ thí nghiệm hiện có cũng không đáp ứng được yêu cầu khảo sát theo con đường thực nghiệm [2]. Ví dụ dưới đây là các khó khăn cụ thể khi khảo sát dao động tắt dần của con lắc lò xo. Ngày nhận bài: 15/10/2017. Ngày chỉnh sửa: 10/12/2017. Ngày nhận đăng: 13/12/2017. Tác giả liên hệ: Trần Bá Trình, e-mail: trinhtb@hnue.edu.vn Trần Bá Trình, Đỗ Thị Hồng Quyên 75 Khảo sát theo con đường lí thuyết Để nghiên cứu dao động tắt dần theo con đường lí thuyết, cần sử dụng kiến thức: Lực ma sát tỉ lệ thuận với độ lớn vận tốc và ngược chiều chuyển động của vật: (c là hệ số nhớt của môi trường) Áp dụng định luật II Newton: (1) Giải phương trình (1), thu được nghiệm Việc giải phương trình (1) yêu cầu kiến thức vượt quá kiến thức toán phổ thông, vì thế, học sinh không thể thực hiện được. Do đó, phương trình dao động tắt dần không có trong chuẩn kiến thức và sách giáo khoa Vật lí hiện hành chỉ mô tả, giải thích dao động tắt dần một cách định tính như sau: - “Trong thực tế, khi kéo con lắc ra khỏi vị trí cân bằng, rồi thả cho nó dao động, ta thấy biên độ giảm dần. Dao động như vậy gọi là dao động tắt dần” [3]. - “Lực cản của môi trường tác dụng lên vật luôn luôn sinh công âm làm giảm cơ năng của vật. Cơ năng giảm thì thế năng cực đại giảm, do đó, biên độ A giảm, tức là dao động tắt dần” [4]. Hình 1. Đồ thị của dao động tắt dần trong các môi trường nhớt khác nhau, được phác họa trong sách giáo khoa Vật lí 12 nâng cao [4] Khảo sát theo con đường thực nghiệm Khảo sát dao động tắt dần trong lớp học theo con đường thực nghiệm đòi hỏi phải: ghi được nhiều vị trí của vật dao động theo thời gian trong khoảng thời gian ngắn; vẽ đồ thị dao động một cách nhanh chóng từ bộ số liệu thực nghiệm ghi được. Dựa trên đồ thị vẽ được, cần phân tích, tìm ra được dạng hàm số mô tả dao động. Ở điều kiện thiết bị thí nghiệm hiện có ở trường phổ thông, giáo viên và học sinh sẽ gặp khó khăn với yêu cầu khảo sát thực nghiệm này. Do đó, khi tìm hiểu kiến thức về dao động tắt dần, học sinh chỉ được quan sát hình vẽ bố trí thí nghiệm, hình phác họa đồ thị dao động trong sách giáo khoa (Hình 1) và phải công nhận khái niệm, các lập luận về dao động tắt dần. Như vậy, những thiếu hụt, hạn chế về phương tiện dạy học đã giới hạn cơ hội phát triển năng lực tìm tòi, khám phá thế giới tự nhiên của học sinh. Phần mềm xây dựng mô hình và thí nghiệm ghép nối cảm biến, máy tính là các phương tiện dạy học số [5, 6], có thể giúp khắc phục được những khó khăn trên. “Xây dựng mô hình” là một Nghiên cứu quá trình vật lí thực ở trường phổ thông với phương tiện dạy học số 76 phương pháp nghiên cứu lí thuyết, được các nhà khoa học sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau để mô tả, giải thích và đưa ra dự đoán về các hệ thống, hiện tượng, quá trình phức tạp [7, 8]. Phần mềm xây dựng mô hình hỗ trợ quá trình “mô hình hóa” các hiện tượng, quá trình vật lí. Ví dụ, gán các biến số, hằng số với các đại lượng, hằng số vật lí; thiết lập các biểu thức liên hệ đại số giữa các biến số, hằng số dựa trên bản chất, quy luật vật lí chi phối. Phần mềm tự động hóa tính toán theo phương pháp số để giải các phương trình vi phân như phương trình (1) ở trên. Kết quả tính toán từ mô hình có thể được nhanh chóng biểu diễn trên bảng số, đồ thị. Như vậy, những quá trình vật lí thực có thể khó mô tả với toán phổ thông, nhưng có thể tương đối dễ dàng mô tả với phần mềm xây dựng mô hình. Thí nghiệm với cảm biến ghép nối máy tính là một phương pháp nghiên cứu theo con đường thực nghiệm [7]. Nhờ cảm biến, các đại lượng vật lí (nhiệt độ, lực, áp suất,) được ghi và chuyển thành tín hiệu điện. Qua thiết bị ghép nối tương thích, tín hiệu này được số hóa thành tín hiệu điện số và đưa vào máy tính để lưu trữ, hiển thị và xử lí nhờ phần mềm chuyên dụng. Cảm biến cho phép thực hiện các phép đo nhạy, chính xác và thu thập nhiều số liệu trong thời gian ngắn một cách tự động. Phần mềm hỗ trợ biểu diễn và phân tích đồ thị thực nghiệm phức tạp một cách nhanh chóng. Như vậy, cảm biến ghép nối máy tính có chức năng như bộ dụng cụ đo hiện số, nhạy, chính xác, đa năng và đồng bộ [9, 10]. Trong khuôn khổ bài báo, các tác giả mô tả: một phương án sử dụng phần mềm xây dựng mô hình và một phương án thí nghiệm với cảm biến ghép nối máy tính nhằm hỗ trợ giáo viên, học sinh khảo sát các quá trình vật lí thực. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Khảo sát thực nghiệm dao động tắt dần với cảm biến ghép nối máy tính Mục đích thí nghiệm: - Ghi và phân tích được đồ thị thực nghiệm của dao động tắt dần. - Kiểm nghiệm được các yếu tố ảnh hưởng đến sự tắt dần của hệ. Dụng cụ và bố trí thí nghiệm: - Kết nối cảm biến lực (1) với máy tính cài đặt phần mềm (7) (Coach 7) thông qua thiết bị ghép nối tương thích (2) (€Lab). Cài đặt các thông số trên phần mềm: tần số lấy mẫu 50 số liệu/s; thời gian lấy mẫu 10s; loại đồ thị biểu diễn F (t). Hình 2. Bố trí thí nghiệm ghi đồ thị dao dộng của con lắc lò xo trong chất lỏng Trần Bá Trình, Đỗ Thị Hồng Quyên 77 - Treo cảm biến vào giá đỡ (6). Vật nặng khối lượng m (3) ghép với lò xo có độ cứng k (4) để tạo thành con lắc lò xo. Một đầu của lò xo treo vào cảm biến lực; đầu còn lại nhúng trong bình đựng chất lỏng (5). Lực ma sát nhớt giữa vật nặng và chất lỏng cản trở dao động. - Thiết lập giá trị lực bằng 0 khi hệ cân bằng (set to zero). Khi đó, số đo từ cảm biến lực chỉ độ lớn của lực hồi phục F = - k.x (x là li độ của vật khỏi vị trí cân bằng). Như vậy, đồ thị F(t) có cùng dạng hàm số với đồ thị x(t) mô tả dao động của con lắc. Tiến hành thí nghiệm: - Kích thích vật nặng dao động ổn định bằng cách: sử dụng nam châm hút vật về phía đáy bình, sao cho lò xo có phương thẳng đứng, rồi thả ra. Khi vật bắt đầu dao động, phần mềm sẽ tự động ghi lại và biểu diễn các số liệu trên đồ thị F(t) đã thiết lập trước (Hình 3). - Xác định quy luật của đồ thị thực nghiệm bằng cách: dự đoán hàm toán học mô tả được quy luật của đồ thị và kiểm tra đồ thị của hàm này có khớp vừa với đồ thị thực nghiệm vừa thu được không. Hàm toán học tìm được gọi là hàm fit và thao tác tìm hàm fit gọi là fit hàm. Phân tích các tham số của hàm fit sẽ xác định được các đặc trưng của quá trình vật lí thực đang khảo sát, ví dụ: tốc độ tắt dần, hệ số nhớt. - Lần lượt thay đổi khối lượng vật, loại chất lỏng để khảo sát sự phụ thuộc của tốc độ tắt dần vào khối lượng và hệ số nhớt của môi trường. Kết quả thí nghiệm và thảo luận: Hình 3. Đồ thị dao động tắt dần của vật nặng 60g trong nước Phần mềm ghi và hiển thị được đồ thị thực nghiệm của dao động tắt dần. Hình 3 biểu diễn đồ thị thực nghiệm này và hàm fit của đồ thị có dạng: , trong đó: A0 = 0.2323 N, ω = 10.2269 s-1, c/2m = 0.4208 s-1. Biết khối lượng m của quả lắc, sẽ xác định được hệ số nhớt c của chất lỏng. So sánh các đồ thị dao động của vật nặng 20 g và vật nặng 60 g trong nước (Hình 4), nhận thấy: dao động tắt dần càng nhanh khi khối lượng của vật càng nhỏ. (a) (b) Hình 4. Đồ thị dao động tắt dần của vật nặng a) 20 g và b) 60 g trong nước Nghiên cứu quá trình vật lí thực ở trường phổ thông với phương tiện dạy học số 78 So sánh các đồ thị dao động của vật nặng trong dầu ăn và trong nước (Hình 5), nhận thấy: dao động tắt dần càng nhanh khi môi trường càng nhớt (dầu ăn nhớt hơn nước). (a) (b) Hình 5. Đồ thị dao động tắt dần của vật nặng a) trong dầu ăn và b) trong nước Các kết quả thực nghiệm trên phù hợp với lí thuyết về dao động tắt dần được trình bày, thông báo trong sách giáo khoa. 2.2. Phương án khảo sát lí thuyết với phần mềm xây dựng mô hình Mục đích: Mô hình hóa dao động của con lắc lò xo trong chất lỏng nhờ phần mềm. Phân tích quá trình vật lí: Vật có khối lượng m, dao động với li độ x, vận tốc v, gia tốc a, dưới tác dụng của lực hồi phục F1 = - k.x (k là độ cứng của lò xo). Ngoài ra, vật còn chịu tác dụng của lực ma sát nhớt, luôn ngược chiều chuyển động và có độ lớn tỉ lệ với tốc độ của vật: Fc = - c.v (c là hệ số nhớt). Như vậy, lực tổng hợp tác dụng lên vật: F = F1 + Fc = - k.x – c.v (2). Theo định luật II Newton, dưới tác dụng của lực tổng hợp này, vật thu được gia tốc: a = F/m (3). Xây dựng mô hình máy tính: - Tạo các biến trạng thái ứng với li độ x, vận tốc v. - Tạo các biến trung gian ứng với gia tốc a, lực tổng hợp F. - Tạo các hằng số ứng với độ cứng k của lò xo, khối lượng m của vật nặng và hệ số nhớt c của môi trường. - Thiết lập liên kết giữa các biến số, hằng số thông qua các mũi tên tượng trưng, dựa trên mối liên hệ vật lí chi phối quá trình thực đang xét. - Thiết lập các mối liên hệ: (2) ở biến F và (3) ở biến a. - Tạo và gán biến F1 = - k.x, dựng sẵn đồ thị F1(t). (a) (b) Hình 6. Mô hình dao động tắt dần (a) và đồ thị kết quả vận hành mô hình (b) Trần Bá Trình, Đỗ Thị Hồng Quyên 79 Vận hành mô hình: Nhấn nút khởi động trên phần mềm; phầm mềm tự động tính các giá trị của lực hồi phục F1 theo thời gian; kết quả tính được tự động biểu diễn trên đồ thị (Hình 6). Xác nhận mô hình – Đánh giá chất lượng mô tả của mô hình: Để đánh giá chất lượng mô tả của mô hình, cần so sánh đồ thị F1(t) thu được từ vận hành mô hình (Hình 6) với đồ thị thực nghiệm tương ứng [8, 11]. - Chọn một đồ thị thực nghiệm thu được khi khảo sát dao động tắt dần với cảm biến ghép nối máy tính. Các hằng số ứng với dao động được khảo sát thực nghiệm là: độ cứng lò xo k = 6 N/m; khối lượng m = 60 g; độ nhớt chất lỏng c = 0.05 Ns/m. - Điều chỉnh các hằng số k, m, c trên mô hình (Hình 6) cho bằng đúng các giá trị thực trên; vận hành mô hình: Thu được đồ thị kết quả mô hình gần trùng với đồ thị thực nghiệm (Hình 7). Sự khớp gần đúng này khẳng định chất lượng mô tả của mô hình; mô hình mới xây dựng được xác nhận. Hình 7: Đồ thị thu được từ vận hành mô hình gần khớp đồ thị thực nghiệm tương ứng 3. Kết luận Tính thuận tiện của hai phương án khảo sát trình bày ở trên và sự phù hợp của các kết quả thu được đã chứng tỏ tính khả thi của việc: học sinh sử dụng phương tiện dạy học số trong tìm tòi, khám phá các hiện tượng, quá trình thuộc chương trình vật lí phổ thông, có tính đến các yếu thực. Việc sử dụng hợp lí các phương tiện dạy học số sẽ góp phần đưa các giờ học vật lí đến gần với cuộc sống hơn [12, 13] và gia tăng cơ hội để học sinh được trải nghiệm các hoạt động học vật lí như nghiên cứu vật lí [14]. Ví dụ, lập kế hoạch và thực hiện kế hoạch giải quyết vấn đề; quan sát, thu thập thông tin; phân tích, xử lý số liệu; và sử dụng các chứng cứ khoa học để rút ra kết luận. Ngoài ra, với mô hình hóa, học sinh được trải nghiệm một chu trình nhận thức khoa học đầy đủ: từ phân tích quá trình vật lí thực (dao động của con lắc trong chất lỏng) đến xây dựng, vận hành mô hình về quá trình này và dùng thực nghiệm kiểm tra tính đúng đắn của kết quả thu được từ vận hành mô hình. Như vậy, nghiên cứu quá trình vật lí thực với phương tiện dạy học số sẽ giúp học sinh đào sâu, mở rộng kiến thức vật lí phổ thông. Những trải nghiệm nghiên cứu này sẽ góp phần hình thành và phát triển ở học sinh năng lực tìm tòi, khám phá thế giới tự nhiên – một năng lực chuyên môn cốt lõi được xác định trong Chương trình giáo dục phổ thông tổng thể sau năm 2017 [15]. Nghiên cứu quá trình vật lí thực ở trường phổ thông với phương tiện dạy học số 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Ngọc Hưng, 2016. Một số hướng đổi mới dạy học vật lí ở trường phổ thông. Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, 61(8B), tr. 3 – 10. [2] Phạm Xuân Quế, 2007. Giáo trình sử dụng máy tính trong dạy học vật lí. Nxb Đại học Sư phạm, Hà Nội. [3] Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên), Vũ Quang (Chủ biên), Nguyễn Thượng Chung, Tô Giang, Trần Chí Minh, Ngô Quốc Quýnh, 2006. Vật lí 12. Nxb Giáo dục Việt Nam, Hà Nội. [4] Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên), Vũ Thanh Khiết (Chủ biên), Nguyễn Đức Hiệp, Nguyễn Ngọc Hưng, Nguyễn Đức Thâm, Phạm Đình Thiết, Vũ Đình Túy, Phạm Quý Tư, 2006. Vật lí 12 nâng cao. Nxb Giáo dục Việt Nam, Hà Nội. [5] Phạm Xuân Quế, 2007. Khái niệm và phân loại phương tiện dạy học số trong dạy học vật lí. Tạp chí Giáo dục, 167, tr. 31 – 33. [6] Newton, L., Rogers, L., 2001. Teaching science with ICT. London: Continuum. [7] Trần Bá Trình, 2016. Integration of information communication technology into inquiry-based science education: Relevance in stimulating learners’ authentic inquiry practices. Journal of Science of HNUE, 61 (11), pp. 66 – 74. [8] Van Buuren, O., Uylings, P., Ellermeijer, A. L., 2010. Towards a learning path on computer modelling. In D. Raine, C. Hurkett, & L. Rogers (Eds.), Proceedings of the GIREP-EPEC & PHEC 2009 International Conference (Vol. 1, p. 110-125). Leicester: Lulu/The Centre for Interdisciplinary Science. [9] Trần Bá Trình, 2009. Chế tạo bộ thí nghiệm về các định luật chất khí dùng cảm biến và tổ chức hoạt động nhận thức tích cực, sáng tạo của học sinh trong dạy học chương chất khí ở lớp 10 trung học phổ thông. Luận văn thạc sĩ khoa học giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội. [10] Heck, A., Ellermeijer, A. L., 2014. Realizing Authentic Inquiry Activities with ICT. In M. F. Tasar (Ed.), Proceedings of the World Conference on Physics Education (pp. 775-786). Istanbul: Pegem Akameni. [11] Heck, A., Ellermeijer, A. L., 2009. Giving students the run of sprinting models. American Journal of Physics, 77(11), pp. 1028-1038. [12] Andre Heck, 2009. Bringing reality into the classroom. Teaching Mathematics and its Appliations, 28(4), pp. 164 - 179. [13] Andre Heck, Ton Ellermeijer, Ewa Kedzierska, 2010. Striking results with bouncing balls. Paper presented at the Physics Curriculum Design, Development and Validation conference, Nicosia, Cyprus. [14] Pham Xuan Que, 2005. Support of the mordern technologies and ICT in Organization of the learning of physics as the researching of physics at secondary level. World conference on Physics and sustainable development, South Africa-Durban, [15] Ban Chỉ đạo đổi mới chương trình, sách giáo khoa giáo dục phổ thông, 2017. Chương trình giáo dục phổ thông tổng thể. Trần Bá Trình, Đỗ Thị Hồng Quyên 81 ABSTRACT Authetic investigation of high school physics phenomena with ICT tools Tran Ba Trinh, Do Thi Hong Quyen Faculty of Physics, Hanoi National University of Education Authentic inquiry of physics phenomena must consider friction, energy loss, and change of influential factors. For theoretical deduction, this consideration often yields to differential equations which school students cannot solve with their current mathematics knowledge. For experimental investigation in the classroom, teachers find difficult to design experiments with available laboratory apparatus. Such investigation experiments often require: a) automatic, sensible, accurate measurement in short time and b) representation and analysis of data through complex graph. This paper presents one example of theoretical deduction with modelling software and one example of experimental investigation with computer-based experiments. Convenience in implementing these computer-based activities and relevance of modelling/experimentation outcomes prove feasibility of using ICT tools to investigate high school physics phenomena in consideration with realistic factors. This ICT use will bring reality into the classroom, deepen students’ knowledge and enable development of their inquiry skills. Keywords: Authentic physics phenomena, computer-based experiments, damped oscillation, ICT tools, modelling software.