Luận án 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

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 2. CLLX Con lắc lò xo 3. ĐC Đối chứng 4. DHVL Dạy học vật lí 5. GV Giáo viên 6. HĐDH Hoạt động dạy học 7. HĐNT Hoạt động nhận thức 8. HS Học sinh 9. PTDH Phương tiện dạy học 10. SGK Sách giáo khoa 11. SGV Sách giáo viên 12. TBTN Thiết bị thí nghiệm 13. THPT Trung học phổ thông 14. TN Thí nghiệm 15. TNg Thực nghiệm 16. TNKNMT Thí nghiệm kết nối máy tính 17. TNSP Thực nghiệm sư phạm 18. TNVL 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 ............................ 10