Giảng dạy phần cơ học cho học sinh phổ thông chuyên vật lý với sự hỗ trợ của phần mềm toán mathematica.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA SƯ PHẠM

TRẦN THỊ NHÀN

GIẢNG DẠY PHẦN CƠ HỌC CHO HỌC SINH PHỔ THÔNG

CHUYÊN VẬT LÝ VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA PHẦN MỀM TOÁN

MATHEMATICA

LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÝ

HÀ NỘI - 2008

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA SƯ PHẠM

GIẢNG DẠY PHẦN CƠ HỌC CHO HỌC SINH

PHỔ THÔNG CHUYÊN VẬT LÝ VỚI SỰ HỖ TRỢ

CỦA PHẦN MỀM TOÁN MATHEMATICA

LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÝ

Chuyên ngành: LÍ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC

(BỘ MÔN VẬT LÝ)

MÃ SỐ: 601410

Học viên: Trần Thị Nhàn

Cao học sư phạm vật lý khoá 1

Cán bộ hướng dẫn: GS.TS Tôn Tích Ái

PGS.TS Nguyễn Thị Mỹ Lộc

HÀ NỘI - 2008

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU........................................................................................................1

1. Lí do chọn đề tài..........................................................................................1

2. Mục đích nghiên cứu...................................................................................2

3. Nhiệm vụ nghiên cứu..................................................................................2

4. Đối tƣợng nghiên cứu..................................................................................3

5. Giả thuyết khoa học.....................................................................................3

6. Phƣơng pháp nghiên cứu.............................................................................3

7. Cấu trúc luận văn.........................................................................................4

Chƣơng 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA VIỆC ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TOÁN

MATHEMATICA TRONG DẠY HỌC TẠI CÁC TRƢỜNG TRUNG HỌC

PHỔ THÔNG CHUYÊN................................................................................5

1.1 Quan điểm hiện đại về dạy học.................................................................5

1.2 Vận dụng phƣơng pháp dạy học tích cực trong dạy học vật lý-phƣơng

pháp giải quyết vấn đề...................................................................................13

1.3 Con đƣờng hình thành khái niệm, định luật Vật lý.................................17

1.4 Đổi mới phƣơng pháp dạy học theo quan niệm công nghệ thông tin và

truyền thông...................................................................................................23

1.5 Phƣơng pháp mô hình trong dạy học Vật lý............................................27

1.6 Ý đồ sƣ phạm của việc giảng dạy phần cơ học cho học sinh trung học

phổ thông chuyên vật lý với sự hỗ trợ của phần mềm toán Mathematica.....32

Chƣơng 2: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM TOÁN MATHEMATICA........35

2.1 Mathematica là hệ thống thực hiện các phép tính...................................35

2.2 Mathematica là ngôn ngữ lập trình..........................................................37

2.3 Mathematica là hệ thống biểu diễn các kiến thức toán học....................38

2.4 Mathematica là môi trƣờng tính toán .....................................................39

2.5 Mathematica là công cụ trong môi trƣờng tính toán chuẩn ...................39

2.6 Các toán tử của Mathematica..................................................................39

2.7 Mathematica trong các tính toán.............................................................41

2.8 Biến đổi các biểu thức lƣợng giác...........................................................43

2.9 Các đơn vị đo, chuyển đổi đơn vị, các hằng số Vật lý............................44

2.10 Các tính toán giải tích............................................................................45

2.11 Đồ họa trong Mathematica....................................................................48

2.12 Mathematica trong phƣơng pháp số......................................................55

Chƣơng 3: NHỮNG VÍ DỤ CỦA MATHEMATICA TRONG GIẢNG

DẠY PHẦN CƠ HỌC.................................................................................58

3.1 Động lực học chất điểm...........................................................................58

3.2 Chuyển động trong trƣờng hấp dẫn không đổi........................................65

3.3 Chuyển động của hành tinh.....................................................................79

3.4 Sự va chạm.............................................................................................83

3.5 Dao động điều hòa phi tuyến đơn giản....................................................90

3.6 Dao động tắt dần và dao động cƣỡng bức.............................................101

KẾT LUẬN...............................................................................................104

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CNTT : Công nghệ thông tin

DH : Dạy học

GV : Giáo viên

HS : Học sinh

MTDH : Mục tiêu dạy học

MTĐT : Máy tính điện tử

PMDH : Phần mềm dạy học

PPDH : Phƣơng pháp dạy học

PPDHTC : Phƣơng pháp dạy học tích cực

TBDH : ThiÕt bÞ d¹y häc

1

MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài

Trong những năm gần đây tin học phát triển rất mạnh mẽ đã tạo nên

cuộc cách mạng trong mọi hoạt động kinh tế, chính trị, xã hội…..Xác định

rõ tầm quan trọng của tin học, ngày 17-10-2000, Bộ chính trị đã ra chỉ thị

58-CT/TW về đẩy mạnh và phát triển công nghệ thông tin phục vụ sự

nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nƣớc.

Trong công tác đào tạo, tin học ảnh hƣởng rất mạnh mẽ. Tin học hoá

công tác giảng dạy phát triển theo hƣớng làm tăng hàm lƣợng trí tuệ, hiệu

quả đạt đƣợc gắn liền với quá trình cải tiến tổ chức và quản lý công tác

giảng dạy. Tin học hoá công tác giảng dạy không chỉ tiến hành xây dựng

một kết cấu hạ tầng thông tin mà còn gắn liền với việc cải tiến phƣơng thức,

hình thức, nội dung giảng dạy, đẩy mạnh việc phát triển và ứng dụng công

nghệ thông tin một cách hiệu quả.

Đổi mới phƣơng thức dạy học không chỉ cung cấp kiến thức mà còn

phải xây dựng năng lực tƣ duy, năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh đồng

thời còn phải rèn luyện cho học sinh phƣơng pháp nghiên cứu khoa học. Tại

các trƣờng phổ thông nói chung và ở các trƣờng chuyên nói riêng học sinh ít

đƣợc tạo điều kiện bồi dƣỡng các phƣơng thức nhận thức, rèn luyện và tƣ

duy khoa học, phát triển năng lực giải quyết vấn đề.

Học sinh tại các phổ thông chuyên nói chung và phổ thông chuyên

vật lý nói riêng chủ yếu là những học sinh năng khiếu. Những học sinh này

đều có tƣ chất và có khả năng nhận thức vấn đề nhanh hơn những học sinh

bình thƣờng những kiến thức mới về lĩnh vực đó. Bên cạnh đó những học

sinh năng khiếu thƣờng có biểu hiện vƣợt trội trong việc nhận biết những

điều kiện của bài toán đƣợc cài vào trong cách hành văn và có biểu hiện

sáng tạo trong cách giải các bài toán phức tạp. Nhƣ vậy ta thấy học sinh tại

2

các phổ thông chuyên lý thƣờng có ƣu thế về khả năng trực giác. Vì vậy nếu

một học sinh năng khiếu đƣợc học tập một cách hệ thống chu đáo thì sẽ trở

thành học sinh xuất sắc trong lĩnh vực đó và làm tiền đề của tài năng tƣơng

lai.

Với những tính ƣu việt của phần mềm toán Mathematica nhƣ khả

năng tính toán, khả năng đồ hoạ cũng nhƣ tính dễ sử dụng của nó trong việc

xây dựng các mô hình vật lý. Do vậy dùng phần mềm Toán Mathematica có

thể thiết kế bài giảng một cách trực giác mà không yêu cầu phải hiểu biết

nhiều về tin học.

Xuất phát từ các vấn đề trên, chúng tôi chọn đề tài: “Giảng dạy phần

cơ học cho học sinh trung học phổ thông chuyên vật lý với sự hỗ trợ của

phần mềm Toán Mathematica” làm đề tài nghiên cứu luận văn của mình.

2. Mục đích nghiên cứu

Vận dụng những quan điểm lý luận hiện đại về việc tổ chức hoạt động

nhận thức của học sinh trong việc mô phỏng một vài hiện tƣợng cơ học, tính

toán số…theo hƣớng phát triển kĩ năng tƣ duy, năng lực sáng tạo cho học

sinh trung học phổ thông chuyên vật lý thông qua quá trình dạy học giải

quyết vấn đề.

3. Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu lí luận về việc tổ chức quá trình dạy học vật lý nói

chung và quá trình dạy học phần cơ học nói riêng theo hƣớng rèn luyện và

phát triển kỹ năng tƣ duy, năng lực sáng tạo với sự hỗ trợ của phần mềm

toán Mathematic.

- Tìm hiểu vấn đề ứng dụng của máy tính vào dạy học tại các trƣờng

trung học phổ thông nói chung và trung học phổ thông chuyên vật lý nói

riêng.

3

- Nghiên cứu cơ sở lý luận việc ứng dụng phần mềm Toán

Mathematica thiết kế bài giảng.

- Mô phỏng các mô hình vật lý phần cơ học với sự hỗ trợ của phần

mềm Toán Mathematica theo tiến trình dạy học đã soạn.

- Dự kiến khả năng sử dụng phần mềm Toán Mathematica trong dạy

học phần cơ học đối với phổ thông chuyên nói chung và phổ thông chuyên

vật lý nói riêng.

-Đề xuất việc xây dựng các mô hình, mô phỏng một vài hiện tƣợng cơ

học.

4. Đối tượng nghiên cứu

Hoạt động dạy học của giáo viên và học sinh phổ thông chuyên vật lý

trong quá trình dạy học phần cơ học với sự hỗ trợ của phần mềm Toán

Mathematica.

5. Giả thuyết khoa học

Việc ứng dụng của phần mềm Toán Mathematica một cách hợp lý,

xây dựng các mô hình mô phỏng hỗ trợ việc giảng dạy, tổ chức hƣớng dẫn

học sinh giải quyết nhiệm vụ nhận thức, đề xuất vấn đề, thảo luận lựa chọn

phƣơng án giải quyết vấn đề trong quá trình dạy học phần cơ học sẽ có tác

dụng nâng cao chất lƣợng dạy học, rèn luyện và phát triển kĩ năng tƣ duy,

năng lực sáng tạo cho học sinh trung học phổ thông nói chung và phổ thông

chuyên vật lý nói riêng.

6. Phương pháp nghiên cứu

6.1 Nghiên cứu lí luận

- Nghiên cứu các tài liệu lý luận dạy học để làm sáng tỏ những quan

điểm mà đề tài sẽ vận dụng về việc tổ chức tình huống học tập, hƣớng dẫn

học sinh giải quyết vấn đề trong quá trình học tập.

4

- Nghiên cứu chƣơng trình, nội dung sách giáo khoa, sách giáo viên

và các tài liệu tham khảo xác đinh mức độ nội dung các kiến thức những

khái niệm vật lý phần cơ học mà học sinh trung học phổ thông chuyên cần

nắm vững.

- Nghiên cứu tài liệu về phần mềm Mathematica

6.2. Nghiên cứu thực tiễn

- Tìm hiểu việc dạy (thông qua dự giờ, trao đổi với giáo viên) và việc

học (thông qua trao đổi, nghiên cứu các sản phẩm của học sinh) nhằm sơ bộ

đánh giá tình hình dạy học phần cơ học ở trung học phổ thông chuyên vật lý

hiện nay.

- Tìm hiểu việc sử dụng máy tính phục vụ giảng dạy các môn học ở

các trƣờng trung học phổ thông chuyên.

-Thực hiện dạy học Vật lý bằng các mô hình đƣợc xây dựng bởi phần

mêm Toán Mathematica.

7. Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn đã

đƣợc trình bày trong ba chƣơng:

Chƣơng 1: Cơ sở lí luận của việc ứng dụng phần mềm toán Mathematica

trong dạy học tại các trƣờng trung học phổ thông chuyên.

Chƣơng 2: Giới thiệu về phần mềm Toán Mathematica

Chƣơng 3: Một số ứng dụng của Mathematica trong giảng dạy phần cơ học.

5

Chương 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA VIỆC ỨNG DỤNG PHẦN MỀM

TOÁN MATHEMATICA TRONG DẠY HỌC TẠI CÁC TRƢỜNG

TRUNG HỌC PHỔ THÔNG CHUYÊN.

1.1 Quan điểm hiện đại về dạy học

1.1.1 Bản chất hoạt động học và chức năng của giáo viên trong tổ chức,

kiểm tra, định hướng hoạt động học.

Quá trình dạy học là quá trình hoạt động của giáo viên và của học sinh

trong sự tƣơng tác thống nhất biện chứng của ba thành phần trong hệ dạy

học, bao gồm : Giáo viên - Học sinh - Phƣơng tiện hoạt động dạy học.

Kiến thức của mỗi ngƣời là do bản thân mình tự xây dựng, là kết quả

hoạt động của bộ óc của chủ thể phản ánh thực tế khách quan. Vì vậy không

thể quan niệm sự hình thành kiến thức (sự học) của học sinh chỉ đơn thuần là

sự in vào đầu óc học sinh những kiến thức xem nhƣ cái có sẵn tồn tại độc lập

với học sinh. Không thể coi sự dạy của giáo viên chỉ là sự trình diễn kiến

thức, chỉ cần cố gắng sao cho trình diễn đƣợc chính xác, rõ ràng, trực quan

và đầy đủ sao cho in vào đầu óc học sinh đƣợc đúng câu chữ nhƣ thế. Nhƣ

vậy thì không thể đảm bảo cho học sinh thực sự nắm đƣợc nghĩa của kiến

thức. [10, tr 18]

Cũng không thể quan niệm thực chất của sự học là ở chỗ ngƣời học

đạt đƣợc (thể hiện ra đƣợc) những hành vi xác định nào đó. Theo quan điểm

tâm lý học tƣ duy thì sự học là một sự phát triển về chất của cấu trúc hành

động. Cùng một biểu hiện hành vi bề ngoài giống nhau nhƣng chất lƣợng,

hiệu quả của sự học (đối với kiến thức lĩnh hội đƣợc cũng nhƣ đối với sự

phát triển tiềm lực của học sinh) vẫn có thể khác nhau, tuỳ thuộc vào sự phát

triển của cấu trúc hành động học của chủ thể. Ở đây hành vi đƣợc xem nhƣ

biểu hiện ra ngoài của kết quả hành động, còn cách thức để đạt tới kết quả

đó đƣợc xem nhƣ cấu trúc bên trong của hành động.

6

Hoạt động của chủ thể tồn tại tƣơng ứng với động cơ thúc đẩy hoạt

động đó. Hoạt động bao gồm một hệ thống các hành động tƣơng ứng với

một mục đích cụ thể và mỗi hành động gồm các thao tác tƣơng ứng với điều

kiện, phƣơng tiện cụ thể.

§éng c¬

Hµnh ®éng Môc ®Ých

thao t¸c ®iÒu kiÖn

ph-¬ng tiÖn

ho¹t ®éng

H×nh 1

Mỗi hoạt động diễn ra theo các pha: định hƣớng, chấp hành và kiểm

tra. Cơ sở định hƣớng của hoạt động có tầm quan trọng đặc biệt với chất

lƣợng, hiệu quả của hoạt động. Giáo viên có vai trò quan trọng trong việc

giúp đỡ cho sự hình thành cơ sở định hƣớng khái quát hoạt động của học

sinh. Cơ sở định hƣớng bao gồm những nội dung cơ bản nhất, cần thiết nhất

cho sự thành công của hoạt động. Hoạt động dạy của giáo viên phải có tác

dụng chỉ đạo hoạt động học của học sinh phù hợp với con đƣờng biện chứng

của sự hình thành, phát triển và hoàn thiện của hành động.

Theo quan điểm xã hội - tâm lý, học là hoạt động của cá nhân chiếm

lĩnh kinh nghiệm xã hội lịch sử biến thành năng lực thể chất và năng lực tinh

thần của cá nhân, hình thành và phát triển nhân cách của cá nhân.

7

Sự học là quá trình hình thành và phát triển của các dạng thức hành

động xác định là sự thích ứng của chủ thể với tình huống qua đó chủ thể

chiếm lĩnh kinh nghiệm xã hội lịch sử biến thành năng lực thể chất và năng

lực tinh thần của cá nhân, hình thành và phát triển nhân cách cá nhân. Mỗi

tri thức mới học đƣợc, có chất lƣợng phải là kết quả của sự thích ứng của

ngƣời học với những tình huống mới xác định. Chính quá trình thích ứng

này của ngƣời học là hoạt động xây dựng nên tri thức mới với tính cách là

phƣơng tiện tối ƣu giải quyết tình huống.

Dạy học là dạy hoạt động (hoạt động chiếm lĩnh tri thức và hoạt động

vận dụng tri thức) và do đó trong dạy học, giáo viên cần tổ chức các tình

huống học tập đòi hỏi sự thích ứng của học sinh để qua đó học sinh chiếm

lĩnh đƣợc tri thức đồng thời phát triển trí tuệ và nhân cách toàn diện của

mình.

Trong sự vận hành của hệ tƣơng tác dạy học gồm: Ngƣời dạy (giáo

viên) - Ngƣời học (học sinh) - Hoạt động dạy học thì giáo viên là ngƣời tổ

chức, kiểm tra, định hƣớng hành động của học sinh theo một chiến lƣợc hợp

lý sao cho học sinh tự chủ chiếm lĩnh, xây dựng tri thức của mình và do đó

đồng thời năng lực trí tuệ và nhân cách toàn diện của học sinh từng bƣớc

phát triển.

Có thể mô tả sự tƣơng tác dạy học bằng sơ đồ nhƣ hình 2: