Chương 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN CỦA VIỆC SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM ẢO TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ Ở THPT 1. Cơ sở lý luận của việc sử dụng thí nghiệm ảo trong dạy học vật lý ở THPT 1. Vai trò của TN ảo trong việc dạy học vật lý ở THPT - Dễ dàng, trực quan sinh động: Giao diện thân thiện và hình ảnh trực quan sinh động, học sinh không chỉ được nhìn, xem, còn có cơ hội tham gia thực sự các TN ảo qua các thao tác đã được trực quan hóa với các thiết bị ảo, đây chính là điểm mạnh của phần mềm so với những bài giảng Powerpoint truyền thống.
Tính chủ động của học sinh, sinh viên tăng lên do có thể tự học ở nhà trên đĩa CD hay trên Web trong khi giáo viên có thể sử dụng trên lớp như giáo cụ trực quan minh họa cho bài giảng, do đó khắc phục được phần nào tình trạng thiếu thiết bị, nguyên vật liệu TN như hiện nay. - Tăng hứng thú và tính chủ động: Để hỗ trợ tự học, một giáo viên ảo với giọng nói truyền cảm sẽ giúp sinh viên khi học, giáo viên ảo có thể bày tỏ thái độ khuyến khích hay chê trách giúp sinh viên dễ định hướng kiến thức trong khi học. Sự kết hợp hài hòa giữa câu hỏi trắc nghiệm truyền thống (lựa chọn, đúng sai,.) với hình thức trắc nghiệm kĩ năng giàu tính tương tác thu hút chú ý và tăng tính chủ động người học. Giao diện học tập được tính toán yếu tố màu sắc, tiện lợi và chiến lược giáo dục.
Có thể chọn một chủ đề tự học tập bất kì, tùy thuộc vào tiến độ, khả năng tiếp thu cá nhân, giáo viên dùng mẫu này trên lớp. - Hiệu quả đạt được: Do kết hợp bài giảng + tương tác thực hành + trắc nghiệm đánh giá. Thí nghiệm mô phỏng góp vai trò vào 2/3 yếu tố làm tăng tính chủ động học tập trực quan, tương tác cao, cho phép đánh giá mức độ tiếp thu kiến thức của HS là những yếu tố không thể thiếu đối với một phần mềm giáo dục hiện đại. - Tích hợp đa phương tiện: Việc tích hợp tính năng multimedia (đoạn phim, âm thanh,.) làm thí nghiệm sinh động cùng với việc lập trình hành động tạo đối tượng thí nghiệm ảo dễ dùng lại sẽ tiết kiệm công thức thiết kế phát triển đối với những vòng đời sau của phần mềm.
- Không chỉ lập trình: Muốn phần mềm tốt cần kịch bản tốt, có tính sư phạm, chính xác, khoa học, kết cấu chặt chẽ. Người viết kịch bản cần tham khảo nhiều tài liệu, ý kiến chuyên gia, giảng viên và sinh viên về môn học. Sự tương đồng với kịch bản phim hoạt hình (phân cảnh) giúp phần mềm thêm sinh động mà vẫn đảm bảo các 4 tiêu chí giáo dục cần thiết. Việc xây dựng thư viện đối tượng TN, thiết bị ảo giúp tối ưu quá trình phát triển phần mềm vì cho phép dùng lại khi xây dựng phần mềm tương đương.
Thiết bị TN ảo giúp HS làm quen với thiết bị, nắm được kiến thức và yêu cầu thực nghiệm, làm tiền đề khai thác thiết nghiệm thực. Thiết bị ảo được xây dựng qua nhiều bước: Thiết kế trạng thái, hành vi, tính chất, chụp hình, bóc tách,. lập trình, lồng ghép, đóng gói. Khả năng tiến hành các thiết bị ảo, thử nghiệm các tình huống giả định, khó thu được trong thực nghiệm, tiến hành nhiều lần giúp tiết kiệm thời gian, chi phí nguyên vật liệu, giảm sai hỏng thiết bị do thao tác sai.
- Đây là một ưu điểm của phần mềm so với bài giảng kiểu cũ. Một điều tra đã cho thấy mức độ sinh động bài giảng thí nghiệm ảo tăng lên 26% so với bài giảng trên Powerpoint. Tính thân thiện tăng lên 19%, độ khó hiểu giảm 4%. Như vậy áp dụng phần mềm đã thực sự hiệu quả, chất lượng bài giảng.
Tiến trình tổ chức hoạt động dạy học với việc sử dụng TN ảo có sự hỗ trợ của phần mềm trong dạy học Vật lí ở THPT Trên cơ sở nghiên cứu lí luận hoạt động nhận thức cho học sinh theo hướng tích cực hóa trong dạy học vật lí, chức năng của TN và khả năng hỗ trợ TN ảo của phần mềm, chúng tôi xin đề xuất tiến trình tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh theo hướng tích cực hóa với việc sử dụng thí nghiệm có sự hỗ trợ của phần mềm sau: Vấn đề Sử dụng TN với sự hỗ trợ Điều kiện cần sử dụng để đi của phần mềm tìm câu trả lời cho vấn đề đặt ra Sử dụng TN với sự Giải quyết bài hỗ trợ của phần Kết luận/ nhận định Sử dụng TN với sự hỗ trợ của phần mềm củng cố Vận dụng vận dụng kiến thức Sơ đồ 1.1: Tiến trình dạy học kiến thức vật lí có sử dụng thí nghiệm với sự hỗ trợ của phần mềm. Quy trình xây dựng và sử dụng một số TN ảo với sự hỗ trợ của phần mềm trong dạy học vật lý ở THPT Để xây dựng và sử dụng TN với sự hỗ trợ của phần mềm, đầu tiên chúng ta cần xác định mục tiêu bài học thông qua nghiên cứu SGK và chuẩn kiến thức kĩ năng. Tiếp theo GV phải xác định TN cần sử dụng trong bài học. Sau đó, dự kiến những khó khăn gặp phải khi thực hiện mục tiêu đó.
Đặc biệt là các khó khăn trong xây dựng và sử dụng TN. Tiếp đến, GV nghiên cứu khả năng hỗ trợ của phần mềm trong các TN cũng như trong quá trình tổ chức hoạt động nhận thức cho HS. Trên cơ sở những khả năng đó, GV khai thác hoặc xây dựng các TN với sự hỗ trợ của phần mềm và thiết kế tiến trình dạy học tương ứng để sử dụng các TN đó. Sau tiết dạy, GV có thể bổ sung những khó khăn gặp phải trong thực tế, từ đó xây dựng khai thác các TN khác hoặc điều chỉnh tiến trình dạy học cho các tiết dạy sau tốt hơn.
Qui trình xây dựng và sử dụng TN với sự hỗ trợ của phần mềm trong tổ chức hoạt động nhận thức cho HS có thể tóm tắt bằng sơ đồ sau: Nghiên cứu SGK, chuẩn kiến thức, kỹ năng để xác định mục tiêu của bài học Xác định các TN cần sử dụng trong bài học Dự kiến những khó khăn gặp phải trong dạy học và trong các TN Nghiên cứu khả năng hỗ trợ các phần mềm trong các TN cụ thể cũng như trong quá trình tổ chức hoạt động nhận thức cho HS Xây dựng (hoặc khai thác) các TN Thiết kế tiến trình dạy học trong đó có sử dụng TN với sự hỗ trợ của phần mềm Giảng dạy với tiến trình dạy đã thiết kế Sơ đồ 1.2: Quy trình xây dựng và sử dụng một số TN với sự hỗ trợ của phần mềm. Nguyên tắc tạo và sử dụng một số TN ảo với sự hỗ trợ của phần mềm trong việc dạy học Vật lý ở THPT * Nguyên tắc 1: Về việc kết hợp giữa nội dung TN hiển thị và kịch bản sư phạm Nội dung bài giảng, nội dung thực sự của TN phải là sự kết hợp giữa nội dung TN nhằm cung cấp thông tin và kịch bản sư phạm đã xây dựng nhằm biến nội dung thông tin thành kiến thức. Do đó, một TN hay, đẹp đến mấy nhưng nó có hợp lý hay không, có biến được lượng thông tin thành kiến thức hay không là ở kịch bản sư phạm của GV. * Nguyên tắc 2: Tập trung làm rõ, hướng dẫn cho HS quan sát hiện tượng chính.
Các TN muốn thu được nhiều số liệu, muốn dễ điều khiển, muốn đẹp thì đa số đều chứa các liên kết, các bộ phận phức tạp. Vì vậy, GV phải làm rõ các chủ đích của từng bước TN làm rõ trọng tâm của TN đó và đồng thời, qua đó hướng dẫn HS quan sát đúng theo mục đích giáo dục của TN. * Nguyên tắc 3: Tạo cho HS tương tác với tài liệu, với TN. Một sự nguy hiểm là đôi khi GV không kiểm soát được TN và đồng thời cũng làm cho HS tiếp nhận một cách thụ động, bỏ mất cơ hội tương tác của HS-GV và HS-TN.
Đây là một tai họa cho quá trình giảng dạy. Do đó, GV cũng như người thiết kế TN ảo cần nghiên cứu tìm ra hướng khắc phục. Có thể khắc phục theo các hướng sau: - Thiết kế TN và kịch bản sư phạm làm sao cho người học cùng với GV tham gia vào xây dựng mô hình, nguyên tắc TN. - GV khuyến khích HS tham gia vào bài TN bằng các câu hỏi hay các cuộc thảo luận về hiện tượng TN, cải tiến TN hay hơn, chính xác hơn.
* Nguyên tắc 4: Sự hòa hợp giữa ảo và thực. Thí nghiệm ảo là ảo chứ không thực. Biến một hiện tượng tự nhiên thành một TN theo chủ ý của con người rồi lại giả lập trên máy tính. Như vậy, TN ảo này chắc chắn còn nhiều cái không thật không hoàn chỉnh để đáp ứng nhiệm vụ thay thế tầm nhìn về thế giới thực.
Để tránh những tác hại do vấn đề này gây ra, người thiết kế TN phải tạo ra môi trường đủ thật bằng cách xây dựng một TN ảo đủ thật, chứa các phương pháp phức tạp hoặc có thể làm giảm đi càng nhiều càng tốt các hiệu ứng, tương tác giả quá lý tưởng, không phù hợp thực tế. Cơ sở thực tiễn của việc sử dụng thí nghiệm ảo trong việc dạy học vật lý ở THPT 1. Những khó khăn và hạn chế của các thí nghiệm truyền thống Để tiến hành một TN thực thụ trong không gian lớp học rất cần nhiều thứ: Thứ nhất, là thiết bị phải đồng bộ và thống nhất trên cả nước, hoạt động ổn định đồng thời GV phải tuyệt đối cẩn thận và tuyệt đối am hiểu hiện tượng để tránh xảy ra tai nạn. Thứ hai, là thời gian.Một TN chỉ được phép chiếm từ 5-10 phút trong giờ học.Nhưng với thời gian đó chỉ đủ cho GV chuẩn bị, lắp đặt dụng cụ.
Do đó lượng kiến thức mà HS thu được phải giảm bớt đi. Thứ ba, là về kinh tế.Ai cũng biết rằng một TN thực được tiến hành trong giờ học tốn rất nhiều thời gian và đặc biệt là tiền bạc. Tuy nhiên, có một điều cần chú ý rằng khi tiến hành một TN với các dụng cụ TN trong phòng TN, mô hình TN được gia công hết sức cẩn thận, công phu nhưng chỉ sử dụng một lần duy nhất, lần khác phải tiến hành lại. Như vậy không kinh tế và không khoa học.
Không phải TN nào cũng tiến hành trong phòng học. Có những TN rất khó tiến hành, rất khó quan sát, đo đạc do đó không có tác dụng, có khi còn gây ra phản tác dụng.