Sáng kiến kinh nghiệm Ứng dụng phần mềm PhET Interactive Simulations xây dựng một số thí nghiệm ảo trong giảng dạy hóa học Lớp 8

LỜI MỞ ĐẦU
Hóa học là khoa học thực nghiệm, nghiên cứu về chất, sự biến đổi về chất, những biến đổi vật chất trong tự nhiên.
Môn hóa học trang bị cho học sinh những kiến thức cơ bản để học sinh không bối rối trong các tình huống gặp phải trong tự nhiên, giải thích được các hiện tượng tự nhiên, không mê tín dị đoan có niềm tin vào khoa học. Môn hóa học giáo dục cho các em học sinh ý thức bảo vệ tài nguyên thiên nhiên, biết bảo vệ môi trường sống trước những hiểm họa về môi trường do con người gây ra trong thời kỳ công nghiệp hóa và Biến đổi khí hậu.
Trường THCS Âu Cơ, Tp Nha Trang đầu tư trang bị cho môn hóa học các thiết bị dạy học đầy đủ, phù hợp với mục tiêu, yêu cầu giảng dạy bộ môn hóa học. Giáo viên khai thác phương tiện dạy học để thí nghiệm chứng minh, thí nghiệm biểu diễn, thí nghiệm thực hành giúp cho học sinh nắm chắc kiến thức lý thuyết một cách chủ động sáng tạo, hứng thú và tích cực học tập.
Bộ môn hóa học là môn học được coi là môn khó đối với học sinh THCS. Nếu tạo cho học sinh có được tính tích cực học tập thì việc học tập môn hóa học sẽ trở nên dễ dàng, nhẹ nhàng giúp học sinh có thể tiếp tục học tốt ở cấp THPT, vì vậy việc đổi mới phương pháp đóng vai trò quan trọng trong chất lượng giảng dạy.
Tuy nhiên việc bố trí khung chương trình và thời gian làm thực hành đôi khi chưa đáp ứng hết và đầy đủ nhu cầu cho học sinh và trước thách thức phải đổi mới phương pháp giảng dạy, truyền đạt trong thời đại công nghệ
4.0 và đặc biệt là thích ứng dạy và học trong tình hình mới thích ứng và sống chung với dịch bệnh Covid nên việc triển khai một số thí nghiệm minh hoạ trên phần mềm chuyên dụng và cho học sinh xem thực hành trên lớp là việc làm cần thiết và cấp bách trong tình hình hiện nay.
Chính vì những điều đã nêu trên nên năm học 2021-2022 tôi mạnh dạn đăng ký sáng kiến có tên: “ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PhET INTERACTIVE SIMULATIONS XÂY DỰNG MỘT SỐ THÍ NGHIỆM ẢO TRONG GIẢNG DẠY HOÁ HỌC LỚP 8 ”.
ĐẶT VẤN ĐỀ
Sự cần thiết của đề tài
Ứng dụng CNTT là một yêu cầu quan trọng của đổi mới phương pháp giảng dạy. Trường THCS Âu Cơ cũng như các trường khác trong TP Nha Trang tỉnh Khánh Hoà đã và đang phát triển, ứng dụng công nghệ mới trong dạy học một cách mạnh mẽ. Việc ứng dụng này có thể sử dụng cho tất cả các môn học. Đối với môn Hoá học có rất nhiều vấn đề trừu tượng, cũng như các vấn đề thực tiễn mà học sinh không được tiếp xúc (do địa phương không có), hoặc công nghệ cao mà chưa áp dụng ở Việt Nam. Để hỗ trợ cho các nội dung này SGK đã đưa ra rất nhiều tranh, ảnh minh hoạ. Tuy nhiên có rất nhiều vấn đề thuộc về trừu tượng và cần phải tiến hành thực hiện các thí nghiệm để quan sát các hiện tượng hoá học thay đổi qua cái nhìn trực quan.
PhET là gì?
PhET Interactive Simulations là dự án do nhà Vật lý đoạt giải Nobel, Carl Wieman, sáng lập năm 2002 tại Đại học Colorado Boulder với mục đích tạo ra các mô phỏng tương tác miễn phí thuộc lĩnh vực Toán và khoa học. Với hơn 100 mô phỏng, PhET giúp người học hiểu sâu sắc hơn các khái niệm, hiện tượng, định luật... Các mô phỏng được viết bằng Java, Flash hay HTML5 và có thể chạy trực tiếp trên web hay tải về máy tính để sử dụng. Tất cả các mô phỏng đều có mã nguồn mở.
Các thí nghiệm mô phỏng của PhET minh họa bài học một cách trực quan, người học có thể tương tác trực tiếp trên màn hình như thao tác kéo-thả, thanh trượt và nút chọn. Do đó, mô phỏng PhET có thể sử dụng cho học sinh tất cả các cấp, phụ thuộc vào mục đích khai thác của giáo viên. Đối với cấp THCS và THPT, học sinh có thể điều chỉnh các thông số hoặc lựa chọn dụng cụ đo tương tự trên thực tế như thước, đồng hồ bấm giờ, volt kế, nhiệt kế... để tìm hiểu các quá trình mang tính định lượng.
Các mô phỏng trên PhET bao trùm các lĩnh vực Toán học, Vật lý, Hóa học, Sinh học, Khoa học Trái đất. Nó có thể mô phỏng quan hệ vận tốc chuyển động nhiệt của phân tử khí với nhiệt độ, mô phỏng chuyển động của hạt phấn hoa trong nước, hay sự khuếch tán của các phần tử chất tan,...
PhET tương đối dễ sử dụng - giáo viên hoàn toàn có thể tự học thông qua phiên bản sử dụng trên trình duyệt internet hoặc ứng dụng trên điện thoại di động. Do đó, việc khai thác sử dụng PhET trên lớp cũng không quá khó khăn. Giáo viên có thể truy cập, tải mô phỏng và chèn vào powerpoint để trình chiếu cho học sinh. Học sinh cũng có thể sử dụng phòng máy tính của nhà trường để truy cập vào địa chỉ https://phet.colorado.edu trên trình duyệt hoặc tải ứng dụng PhET trên các thiết bị di dộng, Ipad.
Giải pháp của tôi đưa ra là sử dụng các thí nghiệm ảo và mô phỏng có nội dung phù hợp vào một số bài thuộc chương trình Hóa Học 8 thay vì tiến hành thí nghiệm tại phòng thực hành với thời gian hạn hẹp và thích ứng trong việc học online thay vì chỉ sử dụng các hình ảnh tĩnh trong SGK. Bên cạnh đó sử dụng các hiệu ứng để minh hoạ cho các bài học về chất, đơn chất, hợp chất và cân bằng các phương trình hoá học cho học sinh có cái nhìn trực quan sinh động.
Nghiên cứu được tiến hành trên hai nhóm tương đương: hai lớp 8.1 và lớp 8.3. Lớp thực nghiệm được thực hiện giải pháp thay thế khi dạy các bài thí nghiệm minh hoạ trong học kỳ I năm học 2021 - 2022. Kết quả cho thấy có tác động có ảnh hưởng rõ rệt đối với kết quả học tập của học sinh có nhiều hứng thú và tập trung vàp việc học tập. Điều đó chứng tỏ giải pháp thay thế sử dụng thí nghiệm ảo đã có tác động nâng cao kết quả học tập tạo hứng thú và minh hoạ sinh động các lý thuyết đã học trong SGK.
Mục tiêu nghiên cứu
Tìm ra các giải pháp tối ưu để khắc phục những hạn chế của phương pháp dạy học các tiết học thí nghiệm mà không thể tiến hành trên PTN.
Tạo ra cách học hiệu quả trực quan nhằm thu hút các em say mê trong học tập góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy và hiệu quả tiếp thu.
Giúp học sinh làm quen với thực nghiệm các phản ứng minh học cho bài học tránh bỡ ngỡ, nắm vững qui trình, an toàn hoá chất trước khi tiến hành thực nghiệm tại PTN.
Sự phát triển của công nghệ thông tin phần nào giúp học sinh có nhiều cơ hội để quan sát các thí nghiệm mà giáo viên không có điều kiện để tiến hành: thí nghiệm nguy hiểm, hóa chất bị mất tính chất...
Là giải pháp an toàn và hiệu quả trong tình hình dịch bệnh covid 19 còn nhiều diễn biến phức tạp.
Áp dụng CNTT trong đổi mới phương pháp giảng dạy thông qua thiết kế thí nghiệm ảo.
GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Thực trạng vấn đề cần giải quyết
Do học sinh lớp 8 mới bắt đầu làm quen với thí nghiệm hoá học nên còn bỡ ngỡ, lúng túng, các thao tác chưa chính xác, chưa biết cách quan sát hoặc sợ làm thí nghiệm, giáo viên mất nhiều thời gian hướng dẫn. Một số học sinh còn lơ là gây mất trật tự trong giờ học.
Hoá học là môn mới bắt đầu từ lớp 8 với các khái niệm lạ và mới đối với các em học sinh vì vậy một số phản ứng minh học cần dễ hình dung và cụ thể sẽ giúp các em dễ tiếp thu và tạo hứng thú khi học mà đặc biệt là việc học online.
Diện tích phòng thí nghiệm nhỏ, hẹp ảnh hưởng đến quá trình làm
thí nghiệm: khó khăn khi di chuyển, mùi hoá chất.	Hoá chất sau khi thí
nghiệm chưa có nơi xử lí. Mất nhiều thời gian chuẩn bị cho giờ học có thí nghiệm.
Đa phần học sinh chưa có hiểu biết đầy đủ về an toàn của PTN và một số hoá chất cơ bản như acid, bazo có khả năng gây phỏng khi các em không chú ý và các em cũng thiếu bảo hộ lao động trong PTN khi tham gia thực hiện thí nghiệm.
Học sinh đa số đều có hứng thú tìm tòi, khám phá những cái mới vì vậy muốn tự mình làm thí nghiệm, quan sát và phát hiện kiến thức.
Thí nghiệm có đối chứng giúp hình thành kĩ năng trình bày, giao tiếp của học sinh.
Thí nghiệm có đối chứng giúp học sinh rèn luyện các kỹ năng làm việc với các chất, sản xuất ra chúng để phục vụ đời sống con người. Qua thứ hiện và xem các thí nghiệm ảo để rồi sau đó học sinh làm thí nghiệm theo đúng cách thức đó. Như vậy, có thể nói thí nghiệm ảo do giáo viên trình bày sẽ giúp cho việc hình thành những kỹ năng thí nghiệm đầu tiên ở học sinh một cách chính xác.
Thí nghiệm ảo còn giúp giáo viên tiết kiệm thời gian trên lớp mỗi tiết học, giúp giáo viên điều khiển hoạt động nhận thức của học sinh, kiểm tra đánh giá kết quả học tập của học sinh thuận lợi và có hiệu suất cao hơn. Do đó chúng góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của thầy và trò từ đó chất lượng bộ môn từng lúc được cải thiện.
Vì vậy việc sử dụng CNTT để trang bị các thí nghiệm ảo giúp nâng cao hiểu biết, minh học cho bài học và có bước chuẩn bị thật tốt trước khi thực hiện thí nghiệm tại PTN là nhu cầu cần thiết. Bên cạnh đó các thí nghiệm ảo, các mô hình cân bằng khối lượng, minh học các phản ứng hoá học làm tăng khả năng hứng thú tạo ra hoạt động tích cực tập trung trong học tập.
Nội dung nghiên cứu/giải pháp thay thế
Nghiên cứu và đề xuất các phương pháp sử dụng, thiết kế các thí nghiệm ảo biểu diễn, mô phỏng các hiện tượng, phản ứng hoá học bằng phần mềm PhET Interactive Simulations.
Khảo sát tính khả thi và hiệu quả của quá trình dạy học có sử dụng PhET Interactive Simulations.
Khách thể, đối tượng nghiên cứu
Khách thể.
Học sinh lớp 8 với bộ môn Hoá Học.
Đối tượng.
Phần mềm PhET Interactive Simulations.
Tính khả thi và hiệu quả qua quá trình giảng dạy
Phạm vi nghiên cứu.
- Chương trình Hoá học lớp 8.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý luận:
- Thu thập những thông tin lý luận ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học Hoá Học trên các tập san giáo dục, các bài tham luận ở các diễn đàn Hoá Học trên các Website (Internet).
2.3.2 Phương pháp quan sát:
- Quan sát các hoạt động của học sinh trong các tiết Hoá Học.
2.3.3. Phương pháp điều tra:
Trò chuyện, trao đổi với học sinh.
Cách thức tiến hành xây dựng bài học trước khi tiến hành thực nghiệm ảo:
Để lựa chọn kiến thức cơ bản của bài dạy học Hoá Học lớp 8, có thể sử dụng một phương pháp theo qui trình các bước sau đây:
Xác định mục tiêu của bài dạy học và của từng phần trong bài.
Xác định các nội dung chủ yếu của bài, của từng phần trong bài (hay còn gọi là “khoanh vùng” kiến thức cơ bản).
Chọn lọc trong các nội dung chủ yếu (trong phạm vi đã “khoanh vùng”) những khái niệm, định luật, thuyết..., các mối liên hệ, các sự vật, hiện tượng hay phản ứng hoá học tiêu biểu.
Điểm cần chú ý là các kiến thức cơ bản tuy phân bổ vào từng phần, từng mục cụ thể của bài, nhưng chúng có quan hệ với nhau trong một thể thống nhất của nội dung bài. Vì vậy, trong nhiều trường hợp đơn vị kiến thức cơ bản này là hệ quả, sự tiếp nối hay là tiền đề, cơ sở cho các đơn vị kiến thức cơ bản khác.
Trong kiến thức cơ bản của bài dạy học, có những nội dung then chốt, hiểu được nó thì có thể làm cơ sở để hiểu được các kiến thức khác liên quan, gần gũi. Đó là những kiến thức trọng tâm của bài cần phải xác định. Trọng tâm của bài có thể nằm trọn trong một, hai mục của bài, nhưng cũng có thể nằm xen kẽ ở tất cả các mục của bài.
Việc chọn lọc kiến thức cơ bản của bài dạy học có thể gắn với việc sắp xếp lại cấu trúc của bài để làm nổi bật các mối liên hệ giữa các hợp phần kiến thức của bài, từ đó rõ thêm các trọng tâm, trọng điểm của bài. Việc làm này thực sự cần thiết, tuy nhiên không phải ở bài nào cũng có thể tiến hành được. Cũng cần chú ý việc cấu trúc lại nội dung bài phải tuân thủ nguyên tắc không làm biến đổi tinh thần cơ bản của bài mà các tác giả sách giáo khoa đã dày công xây dựng.
Chọn lọc kiến thức cơ bản mới là bước đầu tiên của việc dạy học kiến thức cơ bản Hoá học, nằm ở khâu chuẩn bị bài của giáo viên và chỉ mới giải quyết được câu hỏi: “dạy cái gì?”. Còn bước tiếp theo là việc vận dụng các phương pháp dạy học như thế nào để tổ chức, chỉ đạo cho học sinh nhận thức các kiến thức cơ bản, tức là phải trả lời được “dạy như thế nào? ”.
Kinh nghiệm cho hay, khi chọn lựa kiến thức cơ bản, cần tham khảo phần tốm tắt kiến thức của từng chương, từng bài và hệ thống câu hỏi, bài tập cuối mỗi bài.
Thí nghiệm giúp học sinh tích lũy tư liệu về các chất và tính chất của chúng. Giúp học sinh dễ hiểu bài và hiểu bài sâu sắc.
Thí nghiệm giúp học sinh học tập kinh nghiệm, tư duy sáng tạo để tìm tòi khám phá ra các chất và những tính chất của chúng. Giúp nâng cao lòng tin của học sinh vào khoa học và phát triển tư duy của học sinh.
Giải pháp:
Mô tả chi tiết bản chất của giải pháp:
Những yêu cầu chung khi tiến hành bài dạy có thí nghiệm:
Đảm bảo an toàn thí nghiệm: Đây là yêu cầu quan trọng nhất vì vậy khâu chuẩn bị và kiểm tra dụng cụ, hóa chất giáo viên phải hết sức lưu ý: Luôn giữ hoá chất tinh khiết, dụng cụ thí nghiệm phải sạch và khô, làm đúng kỹ thuật, luôn bình tĩnh khi làm thí nghiệm. Nếu có sự cố không may xảy ra phải bình tĩnh tìm ra nguyên nhân, giải quyết kịp thời. Không nên quá cường điệu hoá những nguy hiểm của thí nghiệm cũng như tính độc hại của hoá chất làm học sinh quá sợ hãi. Vì vậy việc tăng cường học thông qua thí nghiệm ảo góp phần giải quyết việc này và củng cố kiến thức kinh nghiệm khi tiến hành làm thí nghiệm thực tế.
Đảm bảo thành công: Sự thành công của thí nghiệm tác động mạnh mẽ đến lòng tin của học sinh vào khoa học. Chính vì vậy giáo viên không nên chủ quan, bất kì một thí nghiệm nào dù khó hay dễ giáo viên cần phải thực hiện thử trước khi lên lớp biểu diễn. Thí nghiệm ảo sẽ củng cố kiến thức.
Số lượng thí nghiệm trong một bài vừa phải, lựa chọn thí nghiệm dễ thực hiện: nhằm tiết kiệm thời gian trên lớp và không lặp lại những thí nghiệm mà học sinh đã tiến hành ở những tiết trước nhằm tránh gây sự nhàm chán và mất tập trung ở học sinh.
Kết hợp chặt chẽ thí nghiệm với lời giảng của giáo viên: Lúc này lời giảng của giáo viên không phải là nguồn thông tin mà là sự hướng dẫn quan sát, chỉ đạo sự suy nghĩ của học sinh để đi tới kết luận đúng đắn, hợp lí, để qua đó các em lĩnh hội được kiến thức mới.
Tạo mọi điều kiện để học sinh được trực tiếp thực hành và tất cả học sinh đều được làm thí nghiệm, biết cách quan sát thí nghiệm, trực tiếp làm việc với dụng cụ thí nghiệm, hóa chất, ở cả trong lớp học, trong phòng thí nghiệm hoặc ngoài tự nhiên. Học sinh được đặt câu hỏi, nêu ý kiến thắc mắc, và có thể tự giải đáp thắc mắc từ nghiên cứu thí nghiệm hoặc được giải đáp qua sự giúp đỡ của giáo viên.Từ đó học sinh có thể vận dụng linh họat những kiến thức, kỹ năng đã học để nhận thức những kiến thức mới và có thể áp dụng kiến thức hóa học vào thực tế đời sống.
Nghiên cứu phối hợp nhiều phương pháp dạy học khác nhau trong giờ dạy. Kết hợp logic giữa biểu diễn thí nghiệm, hướng dẫn học sinh làm thí nghiệm, quan sát thí nghiệm, thảo luận nhóm từ đó giúp học sinh biết nêu và giải quyết vấn đề tìm ra kiến thức mới, củng cố kiến thức cũsao cho phù hợp với từng loại bài, từng loại thí nghiệmvà phù hợp với từng đặc điểm nhận thức của học sinh.
Phải xác định vị trí của từng loại thí nghiệm: Mỗi thí nghiệm có một vị trí khác nhau trong dạy và học hóa học. Giáo viên cần xác định rõ vị trí của từng loại thí nghiệm để áp dụng phù hợp vào các bài cụ thể.
Thí nghiệm ảo biểu diễn của giáo viên: là một trong những phương tiện trực quan có hiệu quả trong dạy học hóa học. Nó được sử dụng trong những trường hợp sau :
+ Khi cần thực hiện nhanh trong thời gian hạn hẹp của bài lên lớp.
+ Khi cần làm những thí nghiệm phức tạp mà học sinh chưa làm
được.