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. 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. 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. 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.
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. 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.
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 9 quá trình vật lí. cần có những phần mềm, những ứng dụng phù hợp, những phương án sử dụng công nghệ thông tin một cách tối ưu nhằm giúp học sinh tự lực nắm được kiến thức một cách sâu sắc, tạo cho các em niềm tin, hứng thú, say mê hơn trong học tập và nghiên cứu.