Sáng kiến kinh nghiệm Sử dụng thí nghiệm ảo trong dạy học lí thuyết Vật Lí THPT

Đề tài: Sử dụng thí nghiệm ảo trong dạy học lí thuyết Vật Lí THPT.
A.ĐẶT VẤN ĐỀ
 I. Lý do chọn đề tài
 1. Thực trạng.
 a, Giáo dục. 
	Việc ứng dụng CNTT trong dạy học là một điều hết sức cần thiết và là một xu hướng khi muốn đổi mới phương pháp dạy học “quan niệm lấy người học làm trung tâm”. 
 b, Bộ môn. 
- Phòng bộ môn chưa có hoặc đã có thì việc sắp xếp, quản lí và bảo quản các trang thiết bị - đồ đùng dạy học chưa hợp lí và khoa học.
- Có những thí nghiệm biểu diễn, chứng minh về chất lượng và số lượng chưa đủ để đảm bảo tốt (thời lượng, hiệu quả) trong quá trình dạy học.
- Có những thí nghiệm khó thực hiện thành công vì nhiều điều kiện như do thời tiết quá nóng, quá lạnh, ẩm; thiết kế dụng cụ khá phức tạp, nặng, cồng kềnh, hoặc quá nhỏ khó quan sát; nguồn điện không ổn định; hiện tượng không rõ rệt; độ chính xác chưa cao...
- Có các hiện tượng Vật Lí trừu tượng, chưa thể thực hiện thí nghiệm để quan sát thấy, ví dụ như: đường sức điện, chuyển động điện tích trong điện trường (từ trường), mẫu nguyên tử Bohr...
- Có những bộ thí nghiệm khá đắt tiền
 2. Giải pháp.
	Khi nghiên cứu và ứng dụng phần mềm Physics 2.1(Part II) kết hợp PowerPoint (với đồ dùng dạy học kèm theo: máy vi tính, màn hình) trong dạy học Vật Lí chương trình cơ bản. Việc thiết kế, sử dụng các thí nghiệm ảo, chứng minh, mô phỏng các hiện tượng Vật Lí đã và đang đem lại hiệu quả cao trong dạy học Vật Lí. Với phương pháp thay thế các thí nghiệm thật (không kể bài thực hành) sẽ giảm được nhiều chi phí trong việc mua trang thiết bị dạy học. Vì vậy, tôi đã viết sáng kiến kinh nghiệm với đề tài: “Sử dụng thí nghiệm ảo trong dạy học lí thuyết Vật Lí THPT”.
 II. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
 1. Mục tiêu.
- Tạo niềm tin, đam mê, hứng thú với Vật Lí cho học sinh.
- Nâng cao chất lượng bộ môn. 
 2. Nhiệm vụ.
- Nghiên cứu và đề xuất các phương pháp sử dụng, thiết kế các thí nghiệm ảo biểu diễn, chứng minh, mô phỏng các hiện tượng Vật Lí lớp 10, 11 bằng phần mềm Physics 2.1(Part II). 
- Khảo sát tính khả thi và hiệu quả của quá trình dạy học Vật Lí có sử dụng Physics 2.1(Part II). .
 III. Khách thể, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 1. Khách thể.
Học sinh với bộ môn Vật Lí 
 2. Đối tượng. 
- Phần mềm Physics 2.1(Part II). 
- Tính khả thi và hiệu quả.
 3. Phạm vi nghiên cứu.
Chương trình Vật Lí lớp 10 và 11.
 4. Giả thuyết khoa học.
	Trong tương lai, nhà trường THPT sẽ xây dựng dựa trên mô hình lớp học TLC (Teaching And Learning With Computer), chương trình dạy học theo dự án. Phần mềm Physics 2.1(Part II) là rất cần thiết và không thể thiếu trong quá trình dạy học Vật Lí trong đó.
 5. Phương pháp nghiên cứu.
 - Phương pháp nghiên cứu lý luận: 
Thu thập những thông tin lý luận ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học Vật Lí trên các tập san giáo dục, các bài tham luận ở các diễn đàn Vật Lí trên các Website (Internet).
 - Phương pháp quan sát:
Quan sát các hoạt động của học sinh trong các tiết Vật Lí.
 - Phương pháp điều tra:
Trò chuyện, trao đổi với học sinh.
 B. NỘI DUNG
 I. Tổng quan về Physics 2.1(Part II)
 1. Thông tin về nhóm tác giả, chương trình.
2. Download và cài đặt.
- Vào website  hoặc  để tải chương trình hoặc mua đĩa “Các thí nghiệm chứng minh Cơ, nhiệt, điện, quang ở THPT” tại 147. Hoàng Diệu- TP Đà Nẵng(0511-3582217)
- Thuộc dạng “tự chạy”, chạy một trong những file sau: 
3. Giao diện.
4. Chức năng - nội dung.
Đây là một phần mềm vi tính thiết kế các thí nghiệm ảo biểu diễn, chứng minh, mô phỏng các hiện tượng Vật Lí về điện, từ trường, quang học và vật lí hiện đại. Có thể nghiệm lại được một số bài toán.
5. Ưu điểm.
- Không cần cài đặt phức tạp, có thể chạy ngay trên đĩa CDR hoặccó thể chép vào bất cứ ổ đĩa cứng nào trên máy vi tính để sử dụng.
- Tính linh động, với dung luợng 280MB nên có thể lưu trữ trên ổ cứng di động.
- Hoạt động tốt trên các hệ điều hành từ Windows 98 đến Windows XP với cấu hình máy tính không cao.
- “Nhẹ”, chiếm ít bộ nhớ Ram - tài nguyên hệ thống máy tính.
- Giá rẻ, chỉ khoảng 7000đồng/1CDR.
- Nội dung phong phú, đa dạng, dễ hiểu, dễ nhớ lâu.
- Trực quan, sinh động, đẹp, chính xác.
- Dễ dàng thao tác sử dụng.
II. Một số bài dạy học minh hoạ tiêu biểu
Thiết kế thí nghiệm ảo kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng
Bước 1: Phác thảo sơ đồ thí nghiệm.
Hình 1
Thí nghiệm kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng được mô tả ở SGK gồm 2 xe lăn chuyển động trên đệm không khí. Do đó, ta cần tạo được một va chạm của 2 xe lăn chuyển động trên mặt phẳng ngang không ma sát để thu thập các số liệu cần thiết nhằm kiểm chứng định luật.
Bước 2: Tạo một không gian làm việc riêng cho thí nghiệm
Trong thí nghiệm này, ta chỉ cần các số liệu về vận tốc của 2 xe lăn sau va chạm. Chính vì vậy, chỉ cần tạo một không gian thí nghiệm vừa đủ để 2 xe lăn chuyển động va chạm vào nhau là được.
Ta chọn mục Space và kéo rê chuột sang khung làm việc để tạo một không gian tiến hành thí nghiệm ( hình 1)
Bước 3: Đưa các thiết bị từ kho vào không gian làm việc.
Để tiến hành thí nghiệm này, ta cần có các thiết bị và các nút hiển thị như sau:
Tên thiết bị
Hình ảnh thể hiện
Hình ảnh thiết bị ,nút hiển thị
Công dụng
Số lượng
Xe đẩy
Tạo va chạm để kiểm chứng định luật
2
Hộp nhập số liệu.
Nhập vào số liệu khối lượng, vận tốc và thu thập số liệu vận tốc sau va chạm để kiểm chứng định luật
4
Mặt phẳng ngang
Tạo mặt phẳng ngang không ma sát.
1
Dụng cụ xe lăn và mặt phẳng ngang được lấy từ kho thiết bị cơ học (Nhóm Motion & ForceàMotion) (hình 2). Nhấp chuột lên dụng cụ tương ứng và kéo rê sang phần không gian tiến hành thí nghiệm.
Hình 3
Hình 2
Hộp nhập số liệu được lấy từ kho thiết bị hiển thị (Presentation) (hình 3). Ta cần có 4 hộp nhập số liệu, cần chú ý số liệu ta nhập vào là số liệu về khối lượng và vận tốc của hai xe trước va chạm. Sau khi va chạm, vận tốc của hai xe sẽ thay đổi, vì vậy, hộp nhập số liệu bây giờ lại là công cụ để hiển thị, dựa vào đó sẽ thu thập được vận tốc của hai xe sau va chạm. Từ đó kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng. 
Hình 4
Bước 4: Sắp xếp, lắp ráp các thiết bị theo sơ đồ thích hợp.
Các dụng cụ nêu ra ở trên sau khi được “gắp” sang phần không gian làm việc được sắp xếp như hình trên. Mặt phẳng ngang được đặt trong phần không gian làm việc, 2 xe lăn được đặt trên mặt phẳng ngang đó, 4 hộp nhập số liệu được đặt tùy ý trong không gian làm việc (hình 4)
Bước 5: Thiết lập các thuộc tính cho từng đối tượng.
Ta cần thiết lập thuộc tính cho từng xe lăn một bằng cách nhấp chuột vào ký hiệu, sau đó nhấp vào núm và kéo rê chuột đến xe lăn như hình ảnh bên cạnh. Thao tác này có nghĩa là đã “gán” hộp nhập số liệu này cho xe lăn 1. ( hình 5)
Hình 5
Vấn đề tiếp theo là cần phải thiết lập thuộc tính của hộp nhập số liệu đó là gì?
Trong TNA này, ta cần nhập vào giá trị khối lượng của xe lăn 1 Nhấp chuột vào chữ Property, một loạt các thuộc tính sẽ hiện ra, nhấp chọn tiếp Mass (khối lượng) như hình dưới đây (hình 6)
Hình 6
Tiến hành tương tự cho hộp nhập số liệu thứ hai, thuộc tính của hộp nhập số liệu thứ hai là Velocity (x) ( Vận tốc theo phương x)
Hai hộp nhập số liệu còn lại, lần lượt thiết lập thuộc tính khối lượng và vận tốc theo phương x cho xe lăn 2.
Bước 6: Tiến hành thí nghiệm, quan sát, đo đạc
Lần lượt nhập các số liệu về vận tốc và khối lượng của xe lăn 1 và xe lăn 2 ở các hộp nhập số liệu tương ứng. Và nhấn nút Pause/Play trên thanh công cụ để tiến hành thí nghiệm.
Khi dạy bài này, khi tiến hành làm thí nghiệm, học sinh sẽ quan sát và có thể điền vào bảng số liệu như sau:
Trước va chạm
Sau va cham
Nhận xét
m1
v1
m2
v2
Pt
m1
v’1
m2
v’2
Ps
Dựa vào bảng số liệu trên, kết hợp tính toán các em có thể dễ dàng kiểm chứng được định luật bảo toàn động lượng.
2. Khai thác thí nghiệm ảo sẵn có trong phần mềm Crocodile Physics để kiểm chứng định luật bảo toàn cơ năng (trường hợp cơ năng con lắc đơn được bảo toàn)
Một đặc điểm của phần mềm Crocodile Physics là đã có các ví dụ được thiết kế sẵn theo từng chủ đề. Trong phần này, chúng tôi xin giới thiệu cách khai thác ví dụ sẵn có của phần mềm để vận dụng vào bài dạy cụ thể.
Mở chương trình Crocodile Physics lên, chọn mục Contents ở giao diện ban đầu của chương trình. Hay trong cửa sổ làm việc chính của chương trình, chọn mục Contents.
Sau đó vào phần Energy and Motion để tìm hiểu các TNA đã thiết lập sẵn cho phần năng lượng và cơ học.
TNA về sự bảo toàn năng lượng của con lắc đơn nằm trong phần Other ExampleàChange in Energy 2
Khi nhấp chuột vào đó, sẽ hiện ra TNA đã được thiết kế sẵn như hình bên cạnh.
Hình 7
Trong TNA này, các dụng cụ gồm có một con lắc, và 2 đồ thị biểu diễn thế năng và động năng. Cùng với một đoạn văn bản giới thiệu TNA này bằng tiếng Anh. (hình 7)
Ta sẽ thiết kế thêm hai hộp hiển thị số liệu để TNA này trực quan hơn. Trước hết, chọn lệnh Save as để lưu lại TNA này với một tên khác.
Sau đó, chọn Parts Library, chọn tiếp công cụ hiển thị Presentation để “gắp” ra hộp hiển thị Number. Tiếp đến, chọn thuộc tính Properties cho hai hộp hiển thị này lần lượt là Kinetic Energy (Total) (Động năng) và Gravitational Potential Energy (Thế năng) như hai hình dưới đây (hình 8 và hình 9)
Hình 9
Hình 8
Hình 8
Có thể tiến hành thay đổi số liệu khối lượng của quả nặng và tốc độ của quả nặng. Sau đó học sinh sẽ quan sát đồ thị, ghi nhận các số liệu về thế năng và động năng ở từng thời điểm khác nhau để kiểm chứng định luật bảo toàn cơ năng cho trường hợp con lắc đơn.
3. Điện trường.
Bài 3. Điện trường. Đường sức điện. Cường độ điện trường.
- Vấn đề đặt ra: 
+ Hình 3.8,9 SGK/19 hình dạng đường sức điện trong trường hợp 2 điện tích cùng độ lớn. Thế thì nếu hai điện tích khác độ lớn sẽ có hình dạng như thế nào? Khoảng cách 2 điện tích ảnh hưởng đến hình dạng đường sức điện ra sao?
+ Đường sức điện của một điện tích khi khác nhau về độ lớn thì khác nhau? 
+ Các đặc điểm của đường sức điện?
+ Học sinh “nghi ngờ” công thức(3.2), (3.3) SGK/17, (3.4)SGK/18.
- Giải quyết vấn đề: Kích đôi chuột trái vào biểu tượng đã hiện màu xanh đậm sau: 
+ Nghiệm lại công thức theo cách sau:
+ Ví dụ: Tính cường độ điện trường do điện tích q = 1,6.10-19C gây ra tại điểm cách nó đoạn r = 5.10-11m.
+ Giải: .
+ Minh hoạ: 
+ Minh hoạ bằng lý thuyết: 
4. Từ trường.
- Vấn đề đặt ra: Thí nghiệm từ phổ khó thấy, khó thực hiện khi thời tiết ẩm, mạt sắt bị oxy hoá, mất khá nhiều thời gian(nếu thực hiện thành công). Tính chất đường sức từ?
+ Khi I thay đổi B như thế nào? Hình ảnh đường sức từ khác nhau ra sao?
 + Chỉ nêu công thức thì mang tính áp đặt HS. Công thức (21.1)SGK/130; (21.2a),(21.3b)SGK/131 đúng? Trường hợp áp dụng?
- Giải quyết vấn đề: Kích đôi chuột trái vào biểu tượng sau:
+ Đối với dòng điện thẳng: 
+ Đối với dòng điện tròn: 
 + Ống dây: 
5. Quang hình học.
- Vấn đề đặt ra: Những khó khăn trong quá trình dạy học thông thường là thí nghiệm khó thực hiện thành công, tia sáng khó thấy, đồ dùng đắt tiền, dễ vỡ, kồng kềnh, nặng...
- Giải quyết vấn đề: 
+ Vẽ hình minh hoạ trên bảng(hoặc vẽ sẵn trên bảng phụ) : trực quan, HS dễ dàng tiếp thu nội dung bài học. Nhưng việc này mắc nhược điểm là độ chính xác không cao và mất nhiều thời gian.
+ Minh hoạ bằng Physics 2.1(Part II): ưu điểm vượt trội.
 + Hiện tượng phản xạ, khúc xạ ánh sáng, phản xạ toàn phần.
+ Thấu kính phân kì, thấu kính hội tụ. Sự tạo ảnh bởi thấu kính phân kì, hội tụ. Nếu di chuyển vật thì ảnh sẽ như thế nào? Nghiệm lại công thức thấu kính. Kiểm tra đáp án bài toán.
++ Mắt, sự điều tiết của mắt. Các tật của mắt và cách sửa.
III. Kết quả
Khả thi, hiệu quả: vận dụng dạy học linh động (có thể kết hợp soạn giảng trên PowerPoint ở lớp, thực hành thí nghiệm ở phòng bộ môn); tạo niềm tin và sự hứng thú, đam mê học môn Vật Lí hơn ở học sinh; sau những tiết dạy đó, tỉ lệ học sinh hiểu bài và thuộc bài cũ tăng lên so với dạy tiết thông thường khác; học sinh có thể giải được nhiều dạng các bài tập định tính và định lượng nhanh và chính xác hơn.
Tiết kiệm thời gian: thời gian chuẩn bị, kết nối Laptop- máy chiếu, khởi động máy, màn chiếu và chạy chương trình chiếm bình quân khoảng 5 phút.
Thay thế tốt được một số thí nghiệm đắt tiền khác, chi phí đầu tư giảm mà hiệu quả cao.
C. KẾT LUẬN
	Những tiết dạy học có ứng dụng CNTT, với nhiều minh họa đẹp, sinh động và đúng, đã làm cho học sinh hứng thú, say mê học tập. Cùng một thời lượng như nhau nhưng số lượng kiến thức và kỹ năng các em tiếp thu được lại nhiều hơn, cụ thể và sâu sắc. Số lượng bài tập, kĩ năng thực hành của các em cũng được rèn luyện nhiều hơn, thành thục hơn. Hầu như tất cả các giờ học được dạy theo phương pháp này không có một học sinh nào tỏ ra chán nản, lười biếng học tập hoặc học với tâm trạng đối phó, thụ động, mà ngược lại các em đều rất thích thú. Rõ ràng học tập đối với các em đã trở thành một niềm vui lớn. 
	Tuy nhiên, hiệu quả của việc dạy học có ứng dụng CNTT của quý thầy cô giáo sẽ phụ thuộc vào 2 yếu tố chính: khả năng hiểu biết CNTT và vận dụng đúng đắn CNTT vào quá trình giảng dạy.
Những kiến nghị - đề xuất.
- Xây dựng phòng bộ môn đúng mục đích sử dụng.
 - Lập kế hoạch bảo dưỡng trang thiết bị trong thời gian nghỉ hè.
- Đầu tư các thí nghiệm Vật lý đầy đủ, kịp thời và rẻ tiền. 
- Tổ chức các buổi hội thảo - sinh hoạt chuyên đề về “ứng dụng CNTT trong dạy học Vật lí” để cho giáo nhiều trường có dịp trao đổi để rút kinh nghiệm.
MỤC LỤC
NỘI DUNG
TRANG
A.ĐẶT VẤN ĐỀ
01
I. Lý do chọn đề tài
02
II. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
02
III. Khách thể, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
02
B. NỘI DUNG
04
I. Tổng quan về Physics 2.1(Part II)
04
II. Một số bài dạy minh hoạ
07
III. Kết quả
16
C. KẾT LUẬN
17
Mục lục
18