Sáng kiến kinh nghiệm Ứng dụng của phần mềm Geometer’s Sketchpad trong dạy học Vật Lí

BIỆN PHÁP: ỨNG DỤNG CỦA PHẦN MỀM GEOMETER’S SKETCHPAD TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ
Giáo viên: Nguyễn Hải Phước – Tổ Vật lí – CNCN
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU	1
NỘI DUNG	2
Đánh giá thực trạng	2
Trình bày biện pháp	3
Giới thiệu phần mềm Geometer’s Sketchpad	3
Ưu nhược điểm của phần mềm Geometer's Sketchpad	4
Tóm tắt cách sử dụng phần mềm Geometer's Sketchpad	4
Ứng dụng phần mềm Geometer's Sketchpad để tạo bộ công cụ
dựng hình cho môn vật lí	6
Ứng dụng các công cụ xây dựng được vào một số bài học trong chương trình Vật lí THPT	7
HIỆU QUẢ THỰC HIỆN CỦA VIỆC ÁP DỤNG BIỆN PHÁP
VÀO THỰC TẾ DẠY HỌC	8
KẾT LUẬN	9
PHỤ LỤC	10
MỞ ĐẦU
Hiện nay, sự phát triển của công nghệ thông tin đã mở ra triển vọng to lớn trong việc đổi mới phương pháp dạy học và hỗ trợ mạnh mẽ cho người giáo viên trong việc soạn giảng. Hầu hết các trường đều được trang bị máy vi tính, phòng học công nghệ thông tin, kết nối internet Máy vi tính được sử dụng trong dạy học để hỗ trợ được các nhiệm vụ cơ bản của quá trình dạy học và nhất là hỗ trợ đắc lực cho việc dạy và học chương trình mới theo định hướng phát triển năng lực. Với sự trợ giúp của máy vi tính và phần mềm dạy học, GV có thể tổ chức quá trình học tập của HS theo hướng phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo trong hoạt động nhận thức của học sinh.
Với đặc thù của vật lí là môn khoa học thực nghiệm nên trong quá trình hình thành những kiến thức mới cho HS đòi hỏi GV và HS phải tiến hành các TN; đồng thời môn vật lí có quan hệ chặt chẽ với toán học, dùng nhiều công cụ của toán học, cả hình học và đại số, để thể hiện các mối quan hệ trong vật lí. Để học tốt môn vật lí, học sinh phải có tư duy logic tốt và trí tưởng tượng mới có thể nắm bắt hết các hiện tượng và dùng thành thạo các công cụ toán học để giải quyết các vấn đề đặt ra.
Từ nhiều năm qua, việc ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học vật lí đã được áp dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao. Các ứng dụng mạnh nhất có thể kể đến là: Mô phỏng thí nghiệm, phân tích video, phân tích số liệu thí nghiệm, vẽ đồ thị. Tuy nhiên, một khía cạnh trong việc dạy học vật lí chưa được quan tâm đúng mức đó là chưa có phần mềm chuyên biệt đủ mạnh để biểu diễn các mô hình toán học trong vật lí và chưa có phần mềm đủ tiện lợi để hỗ trợ giáo viên trong việc vẽ các hình vật lí trong dạy học.
Qua một thời gian nghiên cứu, tôi nhận thấy phần mềm Geometer’s Sketchpad có thể đáp ứng một phần nào đó các nhu cầu kể trên. Vì vậy, tôi chọn đề tài báo cáo: “Ứng dụng của phần mềm Geometer’s Sketchpad trong dạy học vật lí”.
NỘI DUNG
Đánh giá thực trạng
CNTT ngày càng được ứng dụng mạnh mẽ và đã tạo ra nhiều chuyển biến tích cực trong giáo dục. Các phần mềm hỗ trợ đã và đang là công cụ trợ giúp một cách rất tích cực cho GV và HS trong việc nâng cao chất lượng dạy - học. Tuy nhiên qua khảo sát các giáo viên dạy vật lí và học sinh ở trường THPT Lê Lợi, tôi nhận thấy một số vấn đề sau:
Việc sử dụng phần mềm dạy học phần lớn ở mức độ mô phỏng hiện tượng vật lí thuần túy. Đối với các hiện tượng kết hợp giữa vật lí và toán học thì chưa
đáp ứng được. Ví dụ như mô phỏng phép cộng vec-tơ, sự thay đổi của các vec-tơ vận tốc, gia tốc, lực, mối quan hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều, hình chiếu của chất điểm lên các trục trong chuyển động ném 
Khi sử dụng các phần mềm dạy học, giáo viên thường gặp hai tình huống: Nếu phần mềm dễ sử dụng thì phạm vi áp dụng hẹp và hình ảnh không đẹp mắt, khó điều khiển (VD: Crocodiles, Working Model ); Nếu phần mềm áp dụng rộng, hình ảnh đẹp mắt thì khó biên soạn phù hợp bài giảng, đòi hỏi kiến thức và kĩ năng cao (VD: Macromedia Flash ).
Phần lớn giáo viên tìm thường tìm các file mô phỏng có sẵn trên internet nên thiếu tính chủ động và không điều chỉnh được theo ý đồ dạy học của mình.
Chưa có phần mềm chuyên dụng để vẽ hình vật lí một cách tiện lợi và chuẩn xác. Hiện nay một số tác giả có biên soạn một số phần mềm vẽ hình nhưng phần lớn đều dựa vào các hình vẽ trong Word, xây dựng bằng macro tạo thành các hình có sẵn thường gặp trong vật lí. Cách làm này không khắc phục được các điểm yếu về hình vẽ trong Word đó là khó vẽ các giao điểm, khó căn chỉnh đoạn thẳng, không đo được chính xác độ dài, không làm được các phép dời hình như tịnh tiến, đối xứng, phép quay, không vẽ được các hình như hyperbol, parabol vv dẫn đến hình vẽ thiếu tính chuyên nghiệp.
Trình bày biện pháp
Giới thiệu phần mềm Geometer’s Sketchpad
The Geometer's Sketchpad (thường được gọi tắt là Sketchpad hay GSP) là một phần mềm thương mại với mục đích khám phá Hình học Euclid, Đại số, Giải tích và các ngành khác của Toán học. Tác giả phần mềm là Nicholas Jackiw người Canada. Geometer's Sketchpad được sử dụng rộng rãi trong việc giảng dạy ở nhiều trường trung học cơ sở ở Hoa Kỳ và Canada.
Phiên bản thương mại đầu tiên của Geometer's Sketchpad phát hành năm 1991 bởi công ty Key Curriculum Press sau một thời gian thử nghiệm ở Hoa Kỳ. Năm 1993, phiên bản đầu tiên dành cho hệ điều hành Windows mới chính thức ra đời. Geometer's Sketchpad từng nhận được nhiều giải thưởng công nghiệp và từng có mặt trong các bài thuyết trình của John Sculley (giám đốc Apple Computer) và Bill Gates (giám đốc Microsoft) về những công nghệ giáo dục tốt nhất.
Geometer's Sketchpad có các công cụ vẽ hình cổ điển của hình học Euclid là thước và com-pa, từ đó xây dựng nên các công cụ dựng hình cơ bản trong Hình học như: lấy trung điểm của đoạn thẳng, vẽ đường thẳng đi qua một điểm và vuông góc / song song với một đường thẳng khác, vẽ một góc bằng góc cho trước, vẽ tia phân giác của góc.
Chương trình cho phép đo độ dài của đoạn thẳng, góc, diện tích, bán kính và tính toán, thậm chí lập bảng thống kê với các con số này; thực hiện các phép biến hình như phép quay, tịnh tiến, vị tự Một tính năng quan trọng thường được sử dụng đến là cho chạy điểm, vẽ và xem quỹ tích. Nghiên cứu kĩ và có sự tìm hiểu, người dùng có thể phát hiện ra nhiều tính năng mở rộng thú vị của chương trình.
Tuy Geometer's Sketchpad được lập trình chủ yếu cho bộ môn Hình học nhưng nó cũng hỗ trợ một số công cụ cho Đại số: vẽ trục số, vẽ đồ thị hàm số, vẽ đồ thị hàm số với hệ số thay đổi, vẽ đồ thị của hàm số cho bằng tham số; công cụ cho Giải tích như tính giới hạn hàm số tại 1 điểm,
Người sử dụng có thể tải bản dùng thử của phần mềm tại website chính thức của hãng với dung lượng khoảng 5 MB, không cần cài đặt (Portable). Đây là phần mềm rất nhẹ, mọi máy với cấu hình hiện nay đều chạy được, tương thích tốt với mọi phiên bản Windows.
Ưu nhược điểm của phần mềm Geometer's Sketchpad
Ưu điểm
Hỗ trợ việc xây dựng các mô hình toán học thông dụng và được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay.
Khả năng đồ họa cao, chính xác, với nhiều chức năng hỗ trợ về hình ảnh. Phần mềm cho phép tạo ra các macro để lưu lại các bước xây dựng hình ảnh thành các công cụ, nếu biết cách sử dụng các công cụ người thực hiện có thể tạo ra được các hình phức tạp một cách nhanh chóng.
Phần mềm này khá nhỏ gọn, không cần cài đặt, giao diện đơn giản, dễ hiểu, đã được Việt hóa.
Hỗ trợ khả năng chuyển động và tạo vết điểm, đoạn thẳng, có thể ứng dụng cho một số minh họa trong vật lí.
Nhược điểm
Một số thao tác khác với các phần mềm soạn thảo thông thường nên ban
đầu có thể khiến người dùng lúng túng.
Nếu không xây dựng được bộ công cụ có sẵn thì việc vẽ một hình vật lí
đầy đủ khá mất thời gian.
Một số màu sắc không thể hiện trung thực.
Tóm tắt cách sử dụng phần mềm Geometer's Sketchpad
Đây là phần mềm phổ biến được áp dụng rộng rãi nhất trong toán học, nên các tài liệu hướng dẫn hiện nay rất phong phú và tỉ mỉ. Người dùng có thể tự học một cách dễ dàng, thời gian làm quen và thành thạo các thao tác chỉ trong
khoảng 2 ngày. Trong khuôn khổ bản báo cáo này, tôi chỉ xin điểm qua một số nét chính :
Giao diện làm việc:
Các lệnh chính:
Dựng hình: Điểm, đoạn thẳng, đường thẳng, tia, đường tròn, trung điểm, phân giác, tia vuông góc, đường song song.
Biến hình: Tịnh tiến, quay, vị tự, đối xứng.
Phép đo.
Vẽ đồ thị.
Nguyên tắc chung khi sử dụng:
Ý tưởng của Geometer's Sketchpad là biểu diễn động các hình hình học hay còn gọi là Dynamic Geometry, một ý tưởng rất độc đáo và từ lâu đã trở thành chuẩn cho các phần mềm mô phỏng hình học.
Phần mềm có chức năng chính là vẽ, mô phỏng quĩ tích, các phép biến đổi của các hình hình học phẳng. Giáo viên có thể sử dụng phần mềm này để thiết kế bài giảng một cách nhanh chóng, chính xác và sinh động. Sử dụng Geometer's Sketchpad, bạn sẽ có cảm giác là mình có thể tạo hình với không gian không có giới hạn, ví dụ như khi bạn vẽ một đường thẳng, độ dài của đường thẳng này là vô tận, nếu bạn tạo đường thẳng này với những công cụ thông thường: giấy, bút, thước kẻ thì chắc hẳn bạn sẽ gặp phải trở ngại là giới hạn không gian vẽ, nhưng với Geometer's Sketchpad, bạn không cần phải lo lắng vì điều đó. Một đặc điểm quan trọng của phần mềm này là cho phép ta thiết lập quan hệ giữa các đối tượng hình học, phần mềm sẽ đảm bảo rằng các quan hệ luôn được bảo toàn, mặc dù sau đó các quan hệ có thể được biến đổi bằng bất kì cách nào. Khi một thành phần của hình bị biến đổi, những thành phần khác
của hình có quan hệ với thành phần thay đổi trên sẽ được tự động thay đổi theo. Ví dụ như khi thay đổi độ dài của một đoạn thẳng thì trung điểm của đoạn thẳng đó sẽ tự động thay đổi theo sao cho nó luôn là trung điểm của đoạn thẳng này. Nhưng nếu sử dụng giấy bút để dựng hình, khi thay đổi một thành phần nhỏ của hình, đôi khi có thể phải phá huỷ toàn bộ hình đó. Ngoài các công cụ có sẵn như công cụ điểm, thước kẻ, compa, bạn cũng có thể tự tạo ra những công cụ riêng cho mình, bằng cách ghi và lưu giữ các hình hình học dưới dạng script.
Ứng dụng phần mềm Geometer's Sketchpad để tạo bộ công cụ dựng hình cho môn vật lí
Geometer's Sketchpad có một tính năng đáng giá đó là cho phép người dùng tự tạo ra các công cụ để có thể dùng lại lần sau nhằm giúp người dùng tiết kiệm thời gian và công sức thực hiện lại.
Trong thời gian qua, tôi đã xây dựng được một số công cụ như sau:
Các linh kiện trong mạch điện: Điện trở, tụ điện, cuộn cảm, ampe kế, vôn kế, nguồn gồm 1, 2 hoặc 3 pin.
Con lắc lò xo.
Các kí hiệu cung, góc, các dạng mũi tên.
Giản đồ vec-tơ mạch điện xoay chiều, phép cộng vec-tơ.
Mô phỏng quan hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều.
Mô phỏng chuyển động ném ngang.
Hình giao thoa sóng nước.
Các loại hình thường gặp: tam giác cân, tam giác đều, bình hành ...
Nhiều kí hiệu và hình vẽ hỗ trợ khác.
Ứng dụng các công cụ xây dựng được vào một số bài học trong chương trình Vật lí THPT
Fđh
P
A
B
Ứng dụng trong soạn bài giảng, giáo án, đề kiểm tra: Hầu hết các bài học đều có thể sử dụng các hình vẽ từ phần mềm. Dưới đây là một số hình minh họa:
M
600	2 2
450	2
4
N
R1
M
R2
RB
N
A	B
T
α
Fđ
α
F
P
N
E
α
d
M
E2 ; r2
E1 ; r1
A
I
R
B
Ứng dụng trong giảng dạy: Một số bài học có thể sử dụng chức năng chuyển động điểm và vết của đoạn thẳng để mô phỏng chuyển động. Ví dụ các bài Dao động điều hòa, Tổng hợp và phân tích lực, Chuyển động ném ngang, Chuyển động tròn đều ...
Do thời gian nghiên cứu có hạn, trong thực tế tôi mới áp dụng vào bài Dao động điều hòa Vật lí 12, bài Tổng hợp dao động, phương pháp giản đồ Fre-nen và các tiết Bài tập về dao động điều hòa. Trong thời gian tới, phần mềm có thể áp dụng vào bài Tổng hợp và phân tích lực, Bài toán về chuyển động ném ngang...
HIỆU QUẢ THỰC HIỆN CỦA VIỆC ÁP DỤNG BIỆN PHÁP VÀO THỰC TẾ DẠY HỌC
Để đánh giá hiệu quả của việc áp dụng biện pháp vào dạy học, tôi thực hiện khảo sát trên 3 lớp 12B3, 12B6 và 12B7, trường THPT Lê Lợi.
Nội dung khảo sát: Bài tập về mối quan hệ giữa dao động điều hòa và chuyển động tròn đều.
Phương pháp khảo sát: Trong tiết TC2, tôi giới thiệu về dạng bài tập nói trên và phương pháp giải nhưng không sử dụng phần mềm mô phỏng mà chỉ vẽ tay. Giải bài tập ví dụ và khảo sát lại bằng bài kiểm tra ngắn trong thời gian 10 phút, thu được kết quả kiểm tra trước tác động. Phần còn lại của tiết học, tôi sử dụng mô phỏng bằng phần mềm và thực hiện kiểm tra lại bằng một đề khác có độ khó tương đương (Nội dung các bài kiểm tra ở phần Phụ lục), thu được kết quả kiểm tra sau tác động. Do thời gian chỉ trong một tiết học nên có thể bỏ qua sai số của việc học sinh về học lại các dạng bài tập để có kết quả tốt hơn, như vậy kết quả khảo sát có mức độ tin cậy chấp nhận được.
Kết quả khảo sát: Tổng số học sinh là 126
Điểm
Trước tác động
Sau tác động
Số lượng
Tỉ lệ
Số lượng
Tỉ lệ
Dưới 5
36
28,6%
17
13,5%
Từ 5 đến dưới 6,5
65
51,6%
36
28,6%
Từ 6,5 đến dưới 8
24
19,0%
66
52,3%
Từ 8 trở lên
1
0,8%
7
5,6%
Điểm trung bình
5,64
6,42

KẾT LUẬN
Qua quá trình nghiên cứu và thực nghiệm, tôi nhận thấy việc ứng dụng phần mềm Geometer’s Sketchpad vào quá trình dạy học vật lí THPT là có tính khả thi. Nếu sử dụng thành thạo công cụ thì giáo viên có thể tiết kiệm được thời gian và công sức trong việc soạn giảng, đóng góp tích cực vào quá trình nhận thức của học sinh. Đối với các học sinh được khảo sát thì vấn đề nêu trong đề tài bước đầu đã mang lại hiệu quả, có tác dụng nâng cao chất lượng học tập. Trong thời gian tiếp theo, vấn đề nêu trong đề tài sẽ được bản thân nghiên cứu, mở rộng và hi vọng sẽ có điều kiện khảo sát tính hiệu quả một cách đầy đủ, chặt chẽ hơn.
Quảng Trị, ngày 06 tháng 11 năm 2020
Người viết báo cáo
Nguyễn Hải Phước
PHỤ LỤC
Bảng khảo sát về việc sử dụng phần mềm dạy học của giáo viên
Câu 1. Thầy cô đánh giá như thế nào về các phần mềm hỗ trợ dạy học Vật lí hiện nay?
1
Dễ dùng, áp dụng vào nhiều bài học

2
Dễ dùng, áp dụng vào ít bài học

3
Khó dùng, áp dụng vào nhiều bài học

4
Khó dùng, áp dụng vào ít bài học

5
Ý kiến khác:....................................................................................................
.........................................................................................................................
Câu 2. Khi xây dựng phương trình dao động điều hòa, sách giáo khoa Vật lí 12 cơ bản có lấy ví dụ về quan hệ giữa chuyển động tròn đều và dao động điều hòa. Khi minh họa ví dụ này, Thầy / Cô thường sử dụng cách nào?
1
Vẽ tay

2
Vẽ hình bằng Word / Powerpoint

3
Dùng video clip hoặc flash có sẵn từ internet

4
Dùng phần mềm khác:.....................................................................................
.........................................................................................................................
Câu 3. Khi vẽ các hình vẽ trong giáo án, đề kiểm tra, bài giảng, Thầy / Cô thường sử dụng cách nào?
1
Vẽ tay rồi chụp lại

2
Vẽ hình bằng Word / Powerpoint

3
Dùng hình vẽ có sẵn từ internet

4
Dùng phần mềm khác:.....................................................................................
.........................................................................................................................

Nội dung đề khảo sát cho học sinh
Đề 1: (Trước tác động) Một chất điểm dao động điều hòa với biên độ 10 cm và tần số 2 Hz. Vào thời điểm t1 vật đi qua li độ x1 = 5 cm theo chiều âm, hỏi sau đó một thời gian ngắn nhất bao nhiêu thì vật đến li độ x2 = -