Xây dựng phòng thí nghiệm ảo môn vật lý đại cương

Chủ nhiệm đề tài: Ts. Nguyễn Ngọc Duy;

Đồng chủ nhiệm: TS. Trần Minh Hùng;  và các cộng sự

Cơ quan thực hiện: Trường Đại học Đồng Nai

Mục tiêu của đề tài:

– Cung cấp phần mềm tự học cho sinh viên ngành Vật lý bậc cao đẳng, đại học. Góp phần phát huy tính chủ động, nâng cao hiệu quả việc tự học của sinh viên, đáp ứng phương pháp đổi mới  trong giáo dục là lấy người học làm trung tâm.

– Khắc phục những hạn chế cả về số lượng lẫn chất lượng của các thiết bị thực hành, tránh hỏng hóc cho các thiết bị sẵn có, tránh rủi ro tai nạn.

– Giúp hình thành tư duy thực nghiệm cho sinh viên là cần tiến hành mô phỏng, ước lượng quá trình Vật lý về mặt lý thuyết trước khi tiến hành đo đạc thực tế để đảm bảo đạt hiệu quả cao khi tiến hành thực nghiệm.

– Góp phần nâng cao chất lượng đào tạo trong quá trình giảng dạy và tiếp cận với mô hình đào tạo trực tuyến.

– Xây dựng phần mềm thí nghiệm ảo Vật lý Đại cương cho sinh viên sư phạm Vật lý của Đại học Đồng Nai, và các đại học khác cũng có thể sử dụng với một số bài thực hành này. Kết quả đề tài sẽ bổ sung thêm các bài thực hành thí nghiệm thực hành ảo Vật lý Đại cương mà các trường cao đẳng, đại học khác còn thiếu.

Kết quả nghiên cứu:

1. Thực trạng ứng dụng công nghệ thông tin trong giảng dạy thực hành Vật lý Đại cương

Để xác định được những khó khăn, thuận lợi của sinh viên khi tiến hành đo các thí nghiệm trong các phòng thí nghiệm Vật lý Đại cương, để từ đó tìm ra biện pháp khắc phục. Chúng tôi đã thực các bài khảo sát thực tế theo phiếu khảo sát dành cho cả giảng viên và sinh viên. Quá trình khảo sát trạng trang thiết bị và việc ứng dụng công nghệ thông tin trong giảng dạy thực hành môn Vật lý Đại cương được thực hiện tại trường Đại học Đồng Nai, trường Đại học Công nghệ Miền Đông, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hồ Chí Minh và trường Đại học Sư phạm Hồ Chí Minh.

Kết quả khảo sát được trình bày chi tiết trong chuyên đề 1 và toàn văn báo cáo tổng kết. Trong đó, việc khảo sát được thực hiện với các tiêu chí về nhận thức của giáo viên, của người học và tình hình trang thiết bị thực hành tại các trường. Từ kết quả của việc khảo sát thực trạng xây dựng các thí nghiệm ảo trong VPEchúng ta thấy được những tồn tại, hạn chế hiện nay trong việc ứng dụng công nghệ thông tin vào quá trình dạy – học Vật lý Đại cương, chẳng hạn như còn rất ít những phần mềm hướng dẫn thực hành các bài theo chương trình đào tạo ; khả năng sử dụng máy tính và internet ; thiếu trang thiết bị truyền thông đa phương tiện cho việc thực hành ; chưa nhận thức đúng tầm quan trọng của việc ứng dụng công nghệ thông tin trọng dạy học thực hành; chưa có các phần mềm tự học cho sinh viên ; khả năng sử dụng máy tính và lập trình còn thấp. Bên cạnh đó, có thể nói ứng dụng công nghệ thông tin cũng có thể giúp chúng ta khắc phục được những khó khăn về trang thiết bị, dụng cụ đo đạc thực hành. Sự thiếu thốn và kém chất lượng về trang thiết bị là một vấn đề mà hầu hết các trường đều gặp phải.

2. Những khó khăn và hạn chế cơ bản khi xây dựng phòng thí nghiệm ảo trong giảng dạy Vật lý Đại cương hiện nay

2.1. Hạn chế từ phía người dạy

Phương pháp dạy học cũ vẫn còn như một lối mòn khó thay đổi trong gian tới. Với phương pháp cũ này, người học sẽ ghi nhận kiến thức theo kiểu thụ động (đọc chép). Hậu quả người học sẽ bị hạn chế các kỹ năng tổng hợp thông tin, kỹ năng phân tích tình huống và tổng hợp kết quả, kỹ năng lập kế hoạch…

Tuy máy tính điện tử mang lại rất nhiều thuận lợi cho việc dạy học nhưng ở một mức độ nào đó, thì công cụ hiện đại này cũng không thể hỗ trợ giáo viên hoàn toàn trong các bài giảng của họ. Nguyên nhân chủ yếu do chúng ta chưa xây dựng được một lượng các bài giảng và bài mô phỏng đủ phong phú để có thể dạy xuyên suốt toàn bộ chương trình. Chính sự rời rạc và thiếu xuyên suốt trong hệ thống bài giảng, bài thực nghiệm làm người học hạn chế trong việc tiếp thu bài học, giảm sự hứng thú trong việc tự tìm hiểu và nghiên cứu bài học.

Một số giảng viên hiện nay còn nhầm lẫn khái niệm ứng dụng thông tin trong giảng dạy. Điều này thể hiện qua việc họ sẵn sàng copy toàn bộ giáo án, giáo trình và bài giảng vào các slide, sau đó trình chiếu trên lớp học. Như vậy rõ ràng việc sự dụng công nghệ thông tin để đổi mới phương pháp dạy – học cần phải được nghiên cứu kỹ lưỡng để có thể ứng dụng nó đúng lúc, đúng chỗ và tránh lạm dụng nó.

Hiện nay chúng ta có nhiều giảng viên giỏi về chuyên môn và khả năng sư phạm, tuy nhiên khả năng sử dụng công nghệ như ghi hình, thu âm và đặc biệt là khả năng sử dụng và tự viết các chương trình mô phỏng còn hạn chế nên chưa phát huy hết khả năng ứng dụng CNTT.

2.2. Hạn chế từ phía người học

Bản thân các bạn sinh viên cũng đã quen với kiểu học đọc chép nên khá thụ động trong việc tự học, tự tìm hiểu, thiếu khả năng tự tổng hợp thông tin.

Với những bạn sinh viên học tập tích cực, các bạn rất chịu khó tìm hiểu và xem các đoạn clip hướng dẫn học tập, tiến hành một số các thí nghiệm ảo mà các em download được trên mạng internet. Tuy nhiên, các bài giảng và các thí nghiệm mà các em download được cũng chỉ giúp các em giải quyết được từng bài nhỏ trong chương trình. Bên cạnh đó các bài thí nghiệm các em tham khảo được cũng không hoàn toàn giống với những thiến bị, hệ thống các em được học trong phòng thí nghiệm, thậm chí các thínghiệm này chưa được cơ quan nào kiểm định tính đúng sai của nó.

2.3. Hạn chế về cơ sở vật chất

Hạn chế thứ nhất: những phần mềm thiết kế thí nghiệm ảo có sẵn như Crocodile Physics, Working Model, Pakma, vv…mặc dù rất đa dạng và phong phú. Tuy nhiên, người dạy đôi khi vẫn không thể tránh khỏi việc thiếu công cụ để thiết kế bài thí nghiệm theo sát nội dung chương trình hoặc nội dung bài học.

Hạn chế thứ hai : Do điều kiện kinh tế hiện nay, một số sinh viên có điều kiện kinh tế khó khăn nên chưa thể có được các thiết bị để có thể tự học và tự nghiên cứu các bài giảng trực tuyến, hay các bài thí nghiệm ảo. Bên cạnh đó một khi các bài giảng và bài thí nghiệm ảo được đưa vào ứng dụng thực tế sẽ cần phải có cơ sở hạ tầng công nghệ thông tin đủ mạnh.

3. Biện pháp xây dựng phòng thí nghiệm ảo Vật lý Đại cương

3.1. Xây dựng cơ sở lý thuyết cho các bài thực nghiệm mang tính đo đạc

Các bài thí nghiệm mang tính đo đạc thường là các bài thí nghiệm mà người học đã được tìm hiểu về bản chất vật lý và nắm được các biểu thức định lượng của chúng. Vì vậy, trong bài thí nghiệm mang tính đo đặc thì việc hiểu rõ các đại lượng trong công thức toán học là rất cần thiết, chúng tôi đã xây dựng tổng số 14 bài thí nghiệm mang tính chất đo đạc, khảo sát để rút ra các quy luật, kiến thức cần thiết. Hệ thống 14 bài thí nghiệm đo đạc bao gồm : thí nghiệm đo hệ số ma sát, thí nghiệm xác định gia tốc trọng trường bằng con lắc thuận nghịch, thí nghiệm đo mô-men quán tính đĩa tròn, thí nghiệm đo hệ số căng mặt ngoài, thí nghiệm hiện tượng quang điện ngoài, thí nghiệm đo điện trở bằng cầu Wheatstone, thí nghiệm xác định tiêu cự thấu kính, thí nghiệm đo bước sóng ánh sáng bằng giao thoa kế, thí nghiệm đo khối lượng riêng chất rắn, thí nghiệm khảo sát trạng thái khí, thí nghiệm đo vận tốc truyền âm, thí nghiệm xác định hệ số nhớt bằng phương pháp Stokes, thí nghiệm đo tỉ số nhiệt dung riêng của chất khívà thí nghiệm khảo sát linh kiện bán dẫn diode-transitor.  Kế tiếp chúng tôi tiến hành xây dựng cơ sở lý thuyết nhằm cung cấp mục tiêu, mục đích, kỹ năng và kiến thức khoa học cần thiết cho sinh viên đối với từng bài thí nghiệm thực hành. Các công thức dùng để vận dụng tính toán các thông số liên quan đến bài thực nghiệm được trình bày một cách chi tiết. Cuối cùng, chúng tôi đã thực hiện các thí nghiệm này trong thực tế, ghi nhận kết quả, xây dựng mô hình toán học cho mỗi thí nghiệm để đảm bảo tốt nhất tính đồng dạng giữa các bài thí nghiệm ảo và bài thí nghiệm thực. Về các yêu cầu xây dựng cơ sở lý thuyết cho VPE, nhìn chung với mỗi bài thí nghiệm khác nhau sẽ có những khái niệm và cơ sở lý thuyết khác nhau. Do đó, với mỗi bài chúng tôi đã xây dựng cơ sở lý thuyết rất chi tiết trong chuyên đề 2.

3.2. Thiết kế chương trình máy tính cho các bài thực nghiệm mang tính đo đạc

Ở phần thiết kế các thí nghiệm ảo cho mục này, khi sử dụng các công cụ, ngôn ngữ lập trình máy tính để thiết kế phần mềm thí nghiệm ảo cho các bài thực hành mang tính đo đạc chúng tôi sử dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic 6.0. Để tiến hành thiết kế các thí nghiệm ảo này, chúng tôi dựa vào các thí nghiệm thực tế để thiết kế hình ảnh trong các bài thí nghiệm ảo sát với các thí nghiệm thực. Sau đó dựa vào các mô hình toán học mô tả các chuyển động, các quá trình biến đổi vật lý, chúng tôi đã thiết kể các quá trình động học xảy ra trong thí nghiệm ảo tương đồng với các quá trình thực. Như vậy giữa thí nghiệm thật và mô hình thí nghiệm ảo được tạo ra không những có hình ảnh giống nhau mà cả chuyển động cũng rất giống với thực tế. Để thuận tiện, chúng tôi tích hợp thêm các liên kết để người sử dụng có thể dễ dàng tra cứu các cơ sở lý thuyết của thí nghiệm và các biểu mẫu báo cáo và các file ghi số liệu thực nghiệm. Từ những số liệu thu được từ thí nghiệm ảo, người học sẽ có căn cứ để kiểm tra đánh giá với kết quả đo đạc trong phòng thí nghiệm.

Hình 1. Giao diện của bài thí nghiệm đo moment quán tính của đĩa tròn.

Giao diện bài thí nghiệm đo moment đĩa tròn được chỉ ra trong hình 1. Giao diện của 14 bài thí nghiệm thực hành (xem phần phụ lục 3 trong toàn văn báo cáo) cùng với cơ sở lý thuyết và hướng dẫn thực hành các bài thí nghiệm này được trình bày chi tiết trong chuyên đề 2, đính kèm theo báo cáo toàn văn. Một số mã code và hình ảnh thiết kế giao diện cho các bài thí nghiệm được trình bày trong phụ lục 4 của báo cáo toàn văn.

3.3. Các yêu cầu hướng dẫn thực hành cho các bài thực nghiệm mang tính đo đạc

Căn cứ vào mục đích, nội dung kiến thức người học cần rút ra từ các thí nghiệm, chúng ta đặt ra các yêu cầu dẫn dắt thực hiện các bước mô phỏng việc đo đạc theo logic, và trình tự bản chất hiện tượng Vật lý.

3.4 Lập biểu mẫu báo cáo biện luận số liệu thực nghiệm và nhận xét tính chất

Cùng với quá trình hướng dẫn thực hành thí nghiệm, chúng tôi cũng thiết kế các biểu mẫu báo cáo kết quả thí nghiệm. Từ những bước tiến hành thực hành trên phần mềm thí nghiệm ảo, người học phải ghi lại số liệu quan sát được vào các mẫu báo cáo kết quả thí nghiệm và lập luận tính toán. Dựa vào các biểu mẫu này, người học sẽ hình dung ra cách xử lí các số liệu mà mình đo được từ các bài thí nghiệm. Dựa vào mục đích, yêu cầu của bài học chúng ta lập biểu mẫu báo cáo, biện luận số liệu thực nghiệm và nhận xét tính chất Vật lý của từng bài để người học sử dụng báo cáo kết quả thực hành. Qua các bước xử lý số liệu và trả lời các câu hỏi thảo luận giúp người học hiểu sâu hơn vấn đề mình đang làm, từ đó có thể hiểu rõ bản chất các quá trình vật lý xảy ra trong các thí nghiệm. Về các mẫu báo cáo cho từng bài chúng tôi đã trình bày theo file đính kèm của chương trình máy tính theo từng bài thí nghiệm.

3.5. Xây dựng cơ sở lý thuyết cho các bài thực nghiệm mang tính mô tả

Ngoài những bài thực hành mang tính đo đạc, chúng ta cũng cần có những thí nghiệm ảo dùng để phân tích hiện tượng, mô tả các quá trình vật lý sao cho người học có thể dễ dàng lĩnh hội những kiến thức cho bài học mới. Với các bài thì nghiệm này, chúng ta tiến hành xây dựng cơ sở lý thuyết nhằm cung cấp mục tiêu, mục đích, kỹ năng và kiến thức khoa học cần thiết cho sinh viên. Bao gồm 07 bài : chuyển động ném ngang, chuyển động ném xiên, dao động lắc đơn, dao động tắt dần lắc lò xo, dao động điện, mối tương quan dao động điều hòa-chuyển động tròn đều và lắc trùng phùng.

3.6. Thiết kế chương trình máy tính cho các bài thí nghiệm mang tính mô tả

Để tiến hành thiết kế các thí nghiệm ảo mô tả lý thuyết, chúng tôi dựa vào những nội dung kiến thức cần cung cấp cho người học mà tương đối trừu tượng, khó diễn giải bằng ngôn từ. Những nội dung nào gặp khó khăn trong việc hình dung hiện tượng vật lý hoặc cần hiển thị đồng thời các quá trình vật lý xảy ra sẽ được dạy-học kết hợp với các thí nghiệm ảo mô tả này. Chúng ta không thực hiện đo đạc như trong các thí nghiệm thực hành ảo.

Hình 2. Thí nghiệm ảo dùng cho mô tả bài học lý thuyết về lắc trùng phùng.

Hình 2 mô tả thí nghiệm ảo minh họa cho nội dung bài học con lắc trùng phùng. Khi giảng dạy kết hợp với thí nghiệm này, người dạy dễ dàng chỉ ra thế nào là hiện tượng trùng phùng, phân biệt sự kiện trùng phùng và sự giao nhau của hai con lắc. Ngoài ra, người học cũng dễ dàng nhận thấy vận tốc góc, chu kỳ của hai con lắc phụ thuộc vào chiều dài dây treo và hoàn toàn có thể thấy được khoảng thời gian giữa hai sự kiện trùng phùng từ cửa sổ hiện thị trên giao diện.

3.7. Hướng dẫn sử dụng phần mềm phòng thí nghiệm ảo VPE

Hình 3. Giao diện chính chương trình phòng thí nghiệm ảo Vật lý Đại cương VPE.

Sau khi thực hiện các bước nghiên cứu và lập trình máy tính, chúng tôi thu được kết quả là chương trình máy tính bao gồm giao diện thao tác đo đạc; các tập tin cơ sở lý thuyết, hướng dẫn thực hành, mẫu báo cáo, bảng tính ghi và xử lý số liệu; bảng các hằng số và đơn vị đo trong Vật lý. Bên cạnh đó, phần mềm đi kèm với hướng dẫn sử dụng phần mềm VPE. Tất cả được tổ hợp trong tập tin cài đặt của chương trình. Trong đó, việc cài đặt, đường dẫn các file, sử dụng giao diện như thế nào được trình bày một cách cụ thể sao cho người sử dụng có thể thực hiện một cách dễ dàng nhất. Giao diện VPE được thiết kế với hai ngôn ngữ là tiếng Việt và tiếng Anh. Các bài thí nghiệm được nhóm lại với nhau và hiển thị trên menu lựa chọn bài thực hành trong giao diện chính của chương trình. Những yêu cầu cần thiết đối với máy tính để chạy chương trình cũng được trình bày trong hướng dẫn sử dụng. Hình ảnh giao diện chính được trình bày trong hình 3.

3.8. Tiến hành cho sinh viên thực hành trên phòng thí nghiệm ảo

Tiến hành thực nghiệm chạy chương trình thực hành thí nghiệm ảo, sinh viên thao tác trực tiếp trên phần mềm máy tính. Từ đó, kiểm tra, ghi nhận lỗi của chương trình, nhận xét những điểm bất hợp lý của chương trình so với những gì các em đã được thực hiện trên các thí nghiệm thực tại phòng thí nghiệm, qua đó chúng tôi hiệu chỉnh code chương trình máy tính nhằm đảmbảo các bài thực hành được sử dụng đúng yêu cầu và mục tiêu bài học. Cũng qua việc chạy thử nghiệm VPE, nhiều em sinh viên của chúng tôi tỏ ra rất háo hức và mong muốn có nhiều hơn nữa các bài mô phỏng thì nghiệm như thế này để việc học của các em chủ động và thu nhận được kết quả cao nhất.

Do hạn chế về lịch trình và thời gian của sinh viên tại các trường đại học. Để thực hiện được công việc này, chúng tôi chỉ tiến hành khảo sát với một số sinh viên (36 em) và giảng viên (03 thầy/cô), trong tổng số 402 sinh viên và 19 giáo viên được khảo sát, thực hành có sử dụng phòng thí nghiệm ảo trước khi tiến hành thực hành trong phòng thí nghiệm thật. Sau quá trình khảo sát chúng ôi ghi nhận được kết quả của việc đánh giá phòng thí nghiệm ảo – VPE từ phía sinh viên và các giảng viên. Các kết quả này được trình bày chi tiết trong chuyên đề 4 và toàn văn báo cáo.

3.9. Thử nghiệm giảng dạy lý thuyết cho các bài học sử dụng các thí nghiệm mô tả

Áp dụng phần mềm mô phỏng thí nghiệm vào các bài dạy lý thuyết trên lớp. Ở phần này chúng tôi đã khảo sát giảng dạy ở các lớp học Vật lý Đại cương. Với bài học trong các giáo trình hiện này, nhiều vấn đề trước sinh viên chỉ được nghe giảng lý thuyết thuần túy, nay kết hợp với các phần mềm thí nghiệm ảo, các em gần như được tận mắt thấy được các quá trình vật lý được học sẽ diễn ra trong thực tế như thế nào. Kết quả là tiết học trở nên sôi động và xuất hiện nhiều hơn các vấn đề thảo luận. Cũng qua quá trình tích hợp phần mềm trong giảng dạy vật lý, chúng tôi cũng nhận được nhiều phản hồi từ phía các giảng viên để từ đó một lần nữa rút tìa và chỉnh sửa để bài nghiên cứu đạt hiệu quả tốt nhất. Bằng kết quả đánh giá qua phiếu khảo sát đa số các giảng viên thực hành giảng dạy lý thuyết môn Vật lý Đại cương kết hợp các chương trình máy tính đều cho những nhận xét tích cực cà tán thành công việc của chúng tôi. Các kết quả này được trình bày chi tiết trong chuyên đề 4 và toàn văn báo cáo.

3.10. Đánh giá tính hiệu quả của đề tài và công bố kết quả nghiên cứu

Kết quả của đề tài đã tạo ra phần mềm thí nghiệm ảo dành cho sinh viên Sư phạm Vật lý, đại học Đồng Nai nói riêng và các đại học học khác nói riêng. Đề tài bổ sung các bài thí nghiệm thực hành ảo mà hiện còn thiếu, khắc phục những hạn chế về trang thiết bị cũng điều kiện thời gian giúp sinh viên nâng cao hiệu quả việc tự học. Đề tài góp phần nâng cao chất lượng dạy – học thực hành Vật lý Đại cương. Với kết quả từ những lần dạy và học thử nghiệm qua thí nghiệm ảo, với kết quả thu được từ những lần đánh giá bằng phiếu khảo sát chúng tôi thấy rằng kết quả mà đề tài nghiên cứu mang lại đạt hiệu quả tốt nếu được đưa vào ứng dụng trong thực tế giảng dạy. Từ một số kết quả nghiên cứu của đề tài này, chúng tôi đã công bố ba báo cáo khoa học trên Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Nai [13, 14] và trang điện tử Ứng dụng Khoa học và Công nghệ của Liên hiệp các hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) [15].