Sử dụng ngôn ngữ lập trình matlab trong dạy học bài tập phần phóng xạ và phản ứng hạt nhân sách giáo khoa vật lý 12 nâng cao.

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

DƯƠNG THẾ HIỂN

SỬ DỤNG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB TRONG DẠY HỌC

BÀI TẬP PHẦN PHÓNG XẠ VÀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

SÁCH GIÁO KHOA VẬT LÝ 12 NÂNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÝ

HÀ NỘI – 2011

2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

DƯƠNG THẾ HIỂN

SỬ DỤNG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MATLAB TRONG DẠY HỌC

BÀI TẬP PHẦN PHÓNG XẠ VÀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

SÁCH GIÁO KHOA VẬT LÝ 12 NÂNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ SƯ PHẠM VẬT LÝ

CHUYÊN NGÀNH: LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC

BỘ MÔN VẬT LÝ

Mã số: 60 14 10

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Bùi Văn Loát

HÀ NỘI – 2011

3

MỤC LỤC

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

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

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

3. Lịch sử nghiên cứu ............................................................................................ 2

4. Đối tượng nghiên cứu........................................................................................ 3

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

6. Nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................................................ 3

7. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 3

8. Phương pháp nghiên cứu................................................................................... 3

8.1. Phương pháp nghiên cứu lí thuyết................................................................. 3

8.2. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn................................................................ 4

9. Đóng góp của đề tài........................................................................................... 4

10. Cấu trúc luận văn............................................................................................... 4

Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI ........................................................... 5

1.1. Tổng quan về quá trình dạy học ........................................................................ 5

1.1.1. Khái quát chung............................................................................................. 5

1.1.2. Nhiệm vụ của quá trình dạy học.................................................................... 6

1.2. Cơ sở về phương pháp dạy học ......................................................................... 6

1.2.1. Phương pháp dạy học .................................................................................... 6

1.2.2. Đổi mới phương pháp dạy học ...................................................................... 8

1.3. Phương pháp dạy học tích cực .......................................................................... 8

1.3.1. Khái niệm PPDH tích cực ............................................................................. 8

1.3.2. Các đặc trưng của PPDH tích cực ............................................................... 10

1.4. Những vấn đề lý luận về dạy giải BTVL ........................................................ 13

1.4.1. Khái niệm bài tập vật lí................................................................................ 13

1.4.2. Tác dụng của BTVL trong hoạt động dạy học vật lí ................................... 13

1.4.3. Sử dụng BTVL trong dạy học vật lý ........................................................... 15

1.4.4. Phương pháp giải BTVL ............................................................................. 21

1.4.5. Hướng dẫn HS giải BTVL........................................................................... 25

1.5. Vai trò, ý nghĩa của công nghệ thông tin trong dạy học ................................. 29

1.5.1. Dạy và học theo quan điểm công nghệ thông tin ........................................ 29

1.5.2. Công nghệ thông tin với vai trò phương tiện, thiết bị dạy học.................... 30

1.6. Cơ sở lý thuyết về việc sử dụng mô hình trong dạy học ................................. 31

1.6.1. Định nghĩa mô hình ..................................................................................... 31

1.6.2. Chức năng của mô hình trong Vật lý học.................................................... 32

4

1.6.3. Các loại mô hình Vật lý............................................................................... 32

1.6.4. Phương pháp mô hình trong nghiên cứu Vật lý và các giai đoạn ............... 33

1.6.5. Phương pháp mô hình trong dạy học Vật lý................................................ 35

1.7. Tổng quan phần mềm Matlab.......................................................................... 37

1.7.1. Giới thiệu chung .......................................................................................... 37

1.7.2. Matlab là ngôn ngữ lập trình ....................................................................... 39

1.7.3. Các đặc điểm chính của ngôn ngữ lập trình Matlab.................................... 39

1.7.4. Sơ lược về GUI............................................................................................ 39

1.7.5. Ví dụ về mô hình được xây dựng bằng Matlab........................................... 41

1.7.6. Ứng dụng Matlab xây dựng mô hình vật lý học ứng dụng trong

giảng dạy .................................................................................................................... 43

1.8. Thực trạng việc sử dụng phần mềm dạy học trong dạy học vật lí ở trường

Trung học phổ thông .................................................................................................. 44

1.8.1. Thực tiễn hoạt động dạy giải BTVL............................................................ 44

1.8.2. Thực tế việc ứng dụng công nghệ thông tin trong dạy học vật lý THPT.... 45

Kết luận chương 1 ...................................................................................................... 49

Chương 2: PHÂN TÍCH MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP VÀ ỨNG DỤNG

MATLAB THIẾT KẾ MỘT SỐ MÔ HÌNH DẠY BÀI TẬP TRONG

PHẦN PHÓNG XẠ VÀ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN .............................................. 50

2.1. Các dạng bài toán ............................................................................................ 50

2.2. Cơ sở lý thuyết về phóng xạ và phản ứng hạt nhân ........................................ 51

2.2.1. Cấu tạo hạt nhân nguyên tử ......................................................................... 51

2.2.2. Sự phóng xạ ................................................................................................. 51

2.2.3. Phản ứng hạt nhân ....................................................................................... 53

2.2.4. Mô hình giải bài tập..................................................................................... 55

Kết luận chương 2 ...................................................................................................... 64

Chương 3: THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM............................................................... 65

3.1. Mục đích và nhiệm vụ của TNSP.................................................................... 65

3.2. Đối tượng, thời gian và phương thức TNSP ................................................... 65

3.2.1. Đối tượng TNSP.......................................................................................... 65

3.2.2. Thời gian thực hiện TNSP........................................................................... 65

3.2.3. Phương thức TNSP...................................................................................... 65

3.3. Phân tích và đánh giá kết quả TNSP ............................................................... 66

3.3.1. Phân tích định tính diễn biến các giờ học trong quá trình TNSP............... 66

3.3.2. Kết quả TNSP của các lớp TN và ĐC......................................................... 67

Kết luận chương 3 ...................................................................................................... 77

5

KẾT LUẬN ............................................................................................................... 79

1. Kết quả đạt được của đề tài ............................................................................. 79

2. Đóng góp của đề tài......................................................................................... 79

3. Các bài học ...................................................................................................... 80

4. Hạn chế............................................................................................................ 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 82

PHỤ LỤC .................................................................................................................. 84

6

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu viết tắt Đọc là

PPDH Phương pháp dạy học

PTDH Phương tiện dạy học

GV Giáo viên

HS Học sinh

SGK Sách giáo khoa

THPT Trung học phổ thông

NXB Nhà xuất bản

TW Trung ương

1

MỞ ĐẦU

1. Lí do chọn đề tài

Ngày nay, cuộc cách mạng về công nghệ thông tin bắt đầu từ những năm cuối

thế kỷ 20 đã đem lại vô số những thành tựu góp phần to lớn phát triển mọi mặt của

xã hội loài người. Hoạt động dạy học cùng với những hoạt động khác của xã hội

được tin học hóa mạnh mẽ. Điều này không chỉ thể hiện ở việc tiến hành xây dựng

một kết cấu hạ tầng thông tin mà bản chất của nó nằm ở sự thay đổi về nội dung,

hình thức tổ chức dạy học và thay đổi tư duy của người dạy và người học ở tất cả các

cấp bậc giáo dục.

Nghị quyết Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ X xác định: "...đẩy mạnh công

nghiệp hóa, hiện đại hóa và phát triển kinh tế tri thức, đưa nước ta cơ bản trở thành

một nước công nghiệp theo hướng hiện đại vào năm 2020...".

Muốn phát triển được giáo dục, một trong những vấn đề cấp thiết có tính

chiến lược là đổi mới phương pháp giáo dục. Phương pháp giáo dục được quy định

trong Luật Giáo dục nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam tại mục 2 Điều 4 ghi

rõ: “Phương pháp giáo dục phải phát huy tính tích cực, tự giác, chủ động tư duy

sáng tạo của người học, bồi dưỡng năng lực tự học, lòng say mê học tập và ý chí

vươn lên”.

Việc phát triển năng lực tư duy, năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung

học phổ thông là một trong những mục tiêu của công cuộc đổi mới PPDH. Đây là

nhiệm vụ khó khăn khi nội dung dạy học khá nặng nề và chế độ thi cử định hướng

mục đích học tập. Học sinh tại các trường Trung học phổ thông ít có điều kiện để

được rèn luyện tư duy khoa học, kỹ năng thu thập, xử lý thông tin. Việc tiếp cận với

tin học một cách thường xuyên sẽ dần hình thành cho học sinh kinh nghiệm về thu

thập và xử lý thông tin, nhưng chừng đó là chưa đủ. Vai trò tổ chức hoạt động học

tập ứng dụng công nghệ tin học đòi hỏi người giáo viên phải hiểu và sử dụng máy

tính và các phần mềm một cách thuần thục.

Dạy học Vật lý là dạy hiện tượng. Việc mô phỏng, mô hình hóa các hiện

tượng Vật lý bằng phần mềm giúp học sinh nhận thức hiện tượng một cách trực

quan. Dạy học Vật lý với sự hỗ trợ của mô hình tiết kiệm thời gian tổ chức hoạt động

nhận thức, tăng thời lượng thảo luận và giải quyết các vấn đề thuộc bản chất hiện

tượng.

2

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của mạng xã hội ảo trở nên phổ biến và sẽ

còn phát triển mạnh mẽ trong nhiều năm tới. Việc tìm kiếm, chia sẻ thông tin trên

mạng internet đã trở nên phổ biến, điều này đòi hỏi người giáo viên thế hệ mới có

những hiểu biết sâu hơn về máy tính, mạng, kĩ thuật số... Trao đổi thông tin trong

cộng đồng mạng xã hội ảo phát triển mạnh mẽ khiến cho lượng thông tin của loài

người tăng lên chóng mặt. Việc lựa chọn những thông tin có ích cho công tác của

giáo viên là hết sức quan trọng. Với các giáo viên giảng dạy môn Vật lý thì họ cần

các tiện ích, phần mềm, tài liệu… về bộ môn của họ. Như vậy, các giáo viên cần đến

một công cụ nào đó có thể dễ dàng thiết kế, xây dựng mô hình Vật lý, có cộng đồng

phát triển đông đảo, đồng thời tính tương thích và kế thừa cao. Matlab, phần mềm

lập trình mạnh với một nguồn tư liệu rất lớn mà hầu hết các sinh viên ngành sư phạm

Vật lý đều được học tại giảng đường đại học, là phần mềm có thể thỏa mãn đa số các

yêu cầu đó.

Xuất phát từ các vấn đề trên, tác giả chọn đề tài:

“Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlap trong dạy học bài tập phần Phóng xạ

và phản ứng hạt nhân sách giáo khoa Vật lý 12 nâng cao”

làm đề tài nghiên cứu luận văn của mình.

2. Mục đích nghiên cứu

Sử dụng phần mềm Matlab thiết kế một số mô hình để giúp học sinh hình

thành tư duy logic, giải quyết vấn đề trong phần Phóng xạ và Phản ứng hạt nhân

được học trong trường phổ thông.

Rèn luyện tư duy phê phán, đối thoại và sáng tạo cho học sinh.

3. Lịch sử nghiên cứu

Trong những năm qua đã có nhiều người đã ứng dụng phần mềm toán học

Matlab vào việc xây dựng các mô hình, các phần mềm hỗ trợ việc dạy giải bài tập

vật lý phổ thông trung học ở các chương như:

- Dạy học bài toán dao động và sóng sử dụng mô hình được xây dựng bằng

phần mềm Matlab (Luận văn thạc sĩ Đinh Đức Chính).

- Sử dụng một số mô hình dao động và sóng điện từ được xây dựng bằng ngôn

ngữ lập trình Matlab để giảng dạy chương “Dao động và sóng điện từ” - vật lí 12

THPT Ban nâng cao.( Luận văn thạc sĩ Trần Thị Thanh Vân).

3

4. Đối tượng nghiên cứu

Các dạng bài tập trong phần Phóng xạ và Phản ứng hạt nhân chương trình

Sách giáo khoa Vật lý 12 ban Nâng cao.

Hoạt động của giáo viên và học sinh khi dạy và học các kiến thức trên

5. Giả thuyết khoa học

Nếu có thể dùng phần mềm Matlab mô hình hóa một số khái niệm cơ bản, các

hiện tượng và mối quan hệ giữa các đại lượng trong phần Phóng xạ và Phản ứng hạt

nhân và các mô hình này giúp học sinh nhận thức sâu sắc hơn về bản chất Vật lý của

vấn đề thì có thể làm cho học sinh tiếp thu kiến thức một cách tích cực, ghi nhớ một

cách logic và vận dụng sáng tạo hơn. Việc mô hình hóa trên góp phần đẩy mạnh quá

trình đổi mới phương pháp giảng dạy bộ môn Vật lý ở trường phổ thông.

6. Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý luận của phương pháp mô hình hóa, trong đó tập trung

vào các mô hình lý tưởng, mô hình kí hiệu, đồ thị, hình ảnh, quy luật vận động, biến

đổi của đối tượng Vật lý.

Nghiên cứu nội dung dạy học thuộc phần Phóng xạ và Phản ứng hạt nhân

chương trình Sách giáo khoa Vật lý 12 ban Nâng cao.

Nghiên cứu phương pháp xây dựng mô hình bằng phần mềm Matlab.

Thực nghiệm sư phạm để đánh giá hiệu quả của phương pháp giảng dạy sử

dụng mô hình được thiết kế bằng Matlab.

7. Phạm vi nghiên cứu

Các kiến thức về Phóng xạ và Phản ứng hạt nhân chương trình Sách giáo khoa

Vật lý 12 ban Nâng cao.

Các TNSP trên 04 lớp 12

8. Phương pháp nghiên cứu

8.1. Phương pháp nghiên cứu lí thuyết

Nghiên cứu các tài liệu ,sách báo liên quan đến đề tài nghiên cứu nhằm

xác định cơ sở lý luận của đề tài.

4

8.2. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn

Điều tra giáo dục : Phỏng vấn gián tiếp bằng phiếu hỏi và toạ đàm trực tiếp

với các đối tượng là giáo viên, học sinh về thực trạng dạy học vật lý ở trường phổ

thông.

Quan sát sư phạm: Dự giờ của giáo viên vật lý.

* Thực nghiệm sư phạm

Tiến hành dạy một số tiết học có sử dụng phần mềm dạy học theo hướng tích

hóa hoạt động nhận thức của học sinh; quan sát, kiểm tra đánh giá hoạt động của HS

khi học các giờ học này, sau đó so sánh với các lớp đối chứng; kết hợp với việc trao

đổi ý kiến của GV về các bài học có sử dụng phần mền thí nghiệm ảo này.

* Thống kê toán học

Sử dụng phương pháp thống kê toán học để xử lý số liệu TNSP, so sánh kết

quả học tập của hai nhóm thực nghiệm và đối chứng, từ đó rút ra nhận xét nhằm

kiểm chứng giả thuyết khoa học của đề tài.

9. Đóng góp của đề tài

Góp phần làm sáng tỏ vai trò phương pháp mô hình hóa bằng phần mềm máy

tính trong dạy học Vật lý trong trường phổ thông.

Cung cấp những hiểu biết cơ bản về phần mềm Matlab và ứng dụng của nó.

Tạo ra một số mô hình có giá trị thực tiễn.

10. Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, khuyến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn dự

kiến được trình bày trong ba chương:

Chương 1: Cơ sở lý luận của đề tài.

Chương 2: Phân tích một số dạng bài tập và ứng dụng Matlab thiết kế một số

mô hình dạy bài tập trong phần phóng xạ và phản ứng hạt nhân.

Chương 3: Thực nghiệm sư phạm.

5

Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI

1.1. Tổng quan về quá trình dạy học

1.1.1. Khái quát chung

Quá trình dạy học là sự thống nhất biện chứng giữa hai yếu tố cơ bản trong

quá trình dạy học: hoạt động dạy và hoạt động học [1]

. Hoạt động dạy và hoạt động

học có sự tác động qua lại lẫn nhau, tương hỗ lẫn nhau. Nếu thiếu một trong hai hoạt

động đó thì quá trình dạy học không thể diễn ra. Để quá trình dạy học diễn ra thực sự

hiệu quả, chúng ta cần phải tính tới các yếu tố cơ bản sau:

1.1.1.1. Đối với người dạy

Đây là hoạt động lãnh đạo, tổ chức, điều khiển hoạt động nhận thức của học

sinh. Để hoạt động dạy đạt kết quả cao thì người đạy phải:

- Đề ra mục tiêu, yêu cầu phù hợp đối với người học.

- Xây dựng kế hoạch hoạt động dạy sát thực.

- Tổ chức hoạt động dạy sao cho phù hợp với các đối tượng học.

- Có phương pháp dạy thích hợp, nhằm kích thích tính tích cực, năng động, tự

giác, chủ động sáng tạo của người học bằng cách tạo nên nhu cầu, động cơ, hứng

thú, lòng ham hiểu biết… và làm cho người học ý thức được trách nhiệm cũng như

nghĩa vụ của họ trong việc học.

- Tổ chức kiểm tra, đánh giá kết quả của người học một cách khách quan.

Qua đó người dạy có cơ sở điều chỉnh, sửa chữa kịp thời những hạn chế, thiếu sót

của người học cũng như công tác giảng dạy của bản thân.

1.1.1.2. Đối với người học

Người học là chủ thể của nhận thức, hoạt động của họ có tính quyết định tới

chất lượng của hoạt động dạy học. Để hoạt động dạy học đạt hiệu quả cao thì người

học phải:

- Tiếp nhận nhiệm vụ, kế hoạch học tập mà giáo viên đưa ra.

- Tiến hành hoạt động nhận thức với mục tiêu giải quyết nhiệm vụ học tập

được đưa ra.

[1]

Đỗ Ngọc Đạt, Tiếp cận hiện đại hoạt động dạy học, NXB ĐH Quốc Gia, 1997.

6

- Tự điều chỉnh hoạt động học tập của mình thông qua hoạt động kiểm tra,

đánh giá bản thân và sự đánh giá của giáo viên. Từ đó, điều chỉnh hoạt động học tập

theo hướng tích cực hơn. [2]

1.1.2. Nhiệm vụ của quá trình dạy học

Để đưa ra nhiệm vụ dạy học, chúng ta cần dựa trên những cơ sở:

- Mục tiêu đào tạo.

- Sự phát triển của khoa học công nghệ.

- Đặc điểm của học sinh và tình hình cụ thể của nhà trường.

Điều khiển, tổ chức các hoạt động để học sinh nắm vững hệ thống tri thức phổ

thông cơ bản, hiện đại, phù hợp với thực tiễn của đất nước về tự nhiên và xã hội,

đồng thời rèn luyện cho học sinh hệ thống kỹ năng, kỹ xảo tương ứng:

- Kỹ năng nắm bắt thông tin.

- Kỹ năng làm việc theo nhóm.

- Kỹ năng phân tích và giải quyết vấn đề.

- Kỹ năng tổ chức và điều khiển.

- Kỹ năng tự nghiên cứu…

Tổ chức, điều khiển học sinh hình thành, phát triển năng lực, phẩm chất, trí

tuệ, đặc biệt là năng lực tư duy độc lập và sáng tạo.

Tổ chức, điều khiển học sinh hình thành cơ sở thế giới quan khoa học, phẩm

chất đạo đức nói riêng và phát triển nhân cách nói chung.

1.2. Cơ sở về phương pháp dạy học

1.2.1. Phương pháp dạy học

1.2.1.1. Phương pháp dạy học là gì?

PPDH bao gồm phương pháp dạy và phương pháp học.

Phương pháp dạy là cách thức mà người dạy trình bày tri thức, tổ chức kiểm

tra hoạt động nhận thức của HS. Ở đó, người dạy có thể áp dụng các phương tiện

hiện đại nhằm đạt được các nhiệm vụ của dạy học.

Theo quan điểm của công nghệ dạy học, PPDH là cách thức thiết kế và thi

công quá trình dạy học của người GV nhằm đạt được các nhiệm vụ dạy học. Mỗi

phương pháp bao gồm các yếu tố:

[2]

Đỗ Ngọc Đạt, Tiếp cận hiện đại hoạt động dạy học, NXB ĐH Quốc Gia, 1997.

7

- Mục đích dạy học được xác định trước.

- Hệ thống những hành động liên tiếp tương ứng.

- Phương pháp hành động tương ứng.

- Quá trình biến đổi của đối tượng bị tác động, kết quả thu được. [3]

1.2.1.2. Mối quan hệ giữa mục tiêu, nội dung, phương pháp

Mục tiêu: Hướng tới đào tạo ra những người lao động tự chủ, sáng tạo, có

năng lực thích ứng nền kinh tế thị trường, có năng lực giải quyết vấn đề… Từ đó góp

phần thực hiện mục tiêu “Dân giàu nước mạnh, xã hội công bằng văn minh”.

Nội dung: Phải đảm bảo tính cơ bản, toàn diện, thiết thực, hiệu quả có hệ

thống, coi trọng giáo dục tư tưởng, ý thức công dân cùng việc bảo tồn và phát huy

truyền thống tốt đẹp, bản sắc văn hóa dân tộc sao cho phù hợp với sự phát triển về

tâm lý lứa tuổi của người học.

Phương pháp: Một PPDH tốt là phương pháp phát huy được tính tích cực, chủ

động của người học, giúp người học chủ động tìm hiểu nội dung mới, kiến thức mới,

từ đó vận dụng những nội dung, kiến thức mới vào giải quyết vấn đề. Với phương

pháp tốt, sẽ giúp cho người học “Học một biết mười”.

Vậy dạy học là quá trình thiết kế, thi công của GV với HS là quá trình tự thiết

kế và trực tiếp thi công dưới sự hướng dẫn, hỗ trợ ít nhiều của GV nhằm đạt chất

lượng và hiệu quả trong dạy học.

1.2.1.3. Thực trạng của việc dạy và học hiện nay

Ngày Giáo dục luôn đưa ra khẩu hiệu “Biến quá trình đào tạo thành quá trình

tự đào tạo”. Cuộc cải cách Giáo dục lần thứ hai năm 1980 đã phần nào phát huy tính

tích cực, nhằm tao ra thế hệ những người lao động sáng tạo, chủ động, làm chủ đất

nước.

Nhưng trên thực tế cho tới nay ở các trường THPT, phương pháp dạy và học

vẫn phổ biến đơn thuần chỉ là thông báo lượng kiến thực được định sẵn trong SGK,

HS học một cách thụ động. Tình trạng chung trong các trường học hiện nay phổ biến

vẫn là “Thầy đọc – Trò chép” hoặc giảng bài cùng với vấn đáp mang tính tái hiện,

minh họa.

[3] Đặng Văn Đúc, Nguyễn Thu Hằng, Phương pháp dạy học theo hướng tích cực, NXB ĐH Sư

phạm Hà Nội, 2003.