Sử dụng phần mềm mathematica trong dạy học phần "dao động và sóng điện từ" chương trình sách giáo khoa vật lý lớp 12 trung học phổ thông.

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC

HOÀNG VIỆT HƢNG

SỬ DỤNG PHẦN MỀM

MATHEMATICA TRONG DẠY HỌC

PHẦN “ DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN

TỪ” CHƢƠNG TRÌNH SÁCH GIÁO

KHOA VẬT LÝ LỚP 12

TRUNG HỌC PHỔ THÔNG.

LUẬN VĂN THẠC SĨ SƢ PHẠM VẬT LÝ

HÀ NỘI - 2009

1

MỤC LỤC

Phần mở đầu

1. Lý do chọn đề tài……………………………………………………….1

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

3. Đối tƣợng nghiên cứu…………………………………………………..3

4. Nhiệm vụ nghiên cứu……………………………………………………3

5. Phạm vi nghiên cứu……………………………………………………..3

6. Giả thuyết khoa học……………………………………………………..3

7. Phƣơng pháp nghiên cứu……………………………………………….4

8. Đóng góp của đề tài……………………………………………………..4

9. Cấu trúc Luận văn………………………………………………………5

Chƣơng 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ PHƢƠNG PHÁP DẠY HỌC TÍCH CỰC

1.1. Khái quát chung và nhiệm vụ của quá trình dạy học………………….7

1.2. Mục đích đổi mới phƣơng pháp dạy học…..…………………………….8

1.3. Định hƣớng đổi mới………………...……………………………………10

1.4. Dạy học tích cực…………………………………………………………..11

1.5. Con đƣờng hình thành kiến thức cơ bản của vật lý học……………….16

1.6. Sử dụng Công nghệ thông tin trong giảng dạy vật lý………….………26

1.7. Mục đích giảng dạy phần Dao động và sóng điện từ cho học sinh phổ

thông với sự hỗ trợ của phần mềm toán học

Mathematica...………….……34

2

Chƣơng 2: GIỚI THIỆU NHỨNG NÉT CƠ BẢN VỀ PHẦN MỀM TOÁN

HỌC MATHEMATICA VÀ CÁC ỨNG DỤNG

2.1. Quá trình hình thành và phát triển của Mathematica………………..36

2.2. Mathematica là hệ thống thực hiện các phép tính……………………36

2.3. Mathematica là ngô ngữ lập trình…………………………………..…39

2.4. Mathematica là hệ thống biểu diễn kiến thức toán học………………40

2.5. Mathematica là môi trƣờng tính toán…………………………………40

2.6. Các lệnh trong Mathematica....................................................................41

2.7. Các lệnh cơ bản của Mathematica trong tính toán bằng số..................42

2.8. Đồ họa trong Mathematica.......................................................................45

Chƣơng 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM TOÁN HỌC MATHEMATICA

THIẾT KẾ BÀI GIẢNG PHẦN DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ

3.1. Ứng dụng phần mềm Mathematica thiết kế bài giảng ….……………..59

3.2. Dao động và sóng điện từ………………………………………………..71

3.3. Mạch chọn sóng LC………………………………………………………76

3.4. Sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian……………………...78

3.5. Truyền thông bằng sóng điện từ………………………………………...80

3.6. Thực nghiệm sƣ pạm……………………………………………………..84

Phụ lục…………………………………………………………………………95

Kết luận và khuyến nghị

3

DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CNTT : Công nghệ thông tin

DH : Dạy học

GV : Giáo viên

HS : Học sinh

PPDH : Phƣơng pháp dạy học

PPDHTC : Phƣơng pháp dạy học tích cực

PTDH : Phƣơng tiện dạy học

THPT : Trung học phổ thông

4

PHẦN MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh của công nghệ thông tin

đã tạo nên cuộc cách mạng trên mọi lĩnh vực hoạt động kinnh tế, chính trị, văn

hóa, khoa học, xã hội,… Trước tình hình đó Đảng và nhà nước ta đã xác định

tầm quan trọng mang tính chiến lược của việc ứng dụng công nghệ thông tin vào

giáo dục.

Nghị quyết số 26-NQ/TW, Bộ Chính trị về khoa học và công nghệ trong

sự nghiệp đổi mới đã nêu : "Tập trung sức phát triển một số ngành khoa học

công nghệ mũi nhọn như điện tử, tin học,...". Nghị quyết Hội nghị lần thứ bảy

Ban Chấp hành Trung ương (khoá VII) ngày 30-7-1994 xác định : "Ưu tiên ứng

dụng và phát triển các công nghệ tiên tiến, như công nghệ thông tin phục vụ yêu

cầu điện tử hoá và tin học hoá nền kinh tế quốc dân". Nghị quyết Đại hội đại

biểu Đảng toàn quốc lần thứ VIII nhấn mạnh : "Ứng dụng công nghệ thông tin

trong tất cả các lĩnh vực kinh tế quốc dân, tạo ra sự chuyển biến rõ rệt về năng

suất, chất lượng và hiệu quả của nền kinh tế... Hình thành mạng thông tin quốc

gia liên kết với một số mạng thông tin quốc tế"[8] , về việc đẩy mạnh và phát

triển công nghệ thông tin nhằm phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại

hóa đất nước.

Trong công tác đào tạo, tin học có ảnh hưởng rất lớn. Tin học hóa công

tác giảng dạy phát triển theo hướng làm tăng hiệu quả đạt được trong công tác

giáo dục. Bên cạnh đó nó còn gắn liền với quá trình cải tiến công tác tổ chức,

quản lý. Tin học hóa công tác giáo dục không chỉ dừng lại ở việc xây dựng một

cơ sở hạ tầng về thông tin, mà còn gắn liền với việc thay đổi phương pháp, hình

thức dạy học, từ đó giúp cho việc dạy và học có hiệu quả cao hơn.

Mặc dù về mặt lý luận và thực tiễn khách quan cho thấy hiệu quả, lợi ích

to lớn của việc dạy học điện tử. Nhưng tới nay những công trình nghiên cứu, tài

5

liệu về phương pháp xây dựng bài giảng điện tử và sử dụng chúng trong quá

trình dạy học để nâng cao chất lượng, đảm bảo cho học sinh nắm vững kiến thức

và phát huy óc sáng tạo vẫn chưa được các nhà lý luận dạy học quan tâm đúng

mức, vì vậy việc triển khai còn gặp nhiều khó khăn.

Đổi mới phương pháp dạy học bên cạnh cung cấp kiến thức cho học sinh,

cần phải rèn cho học sinh năng lực tư duy, năng lực giải quyết vấn đề, năng lực

làm việc độc lập và năng lực tự nghiên cứu khoa học.

Tại các trường học phổ thông trên cả nước hiện nay nói chung và trên địa

bàn thành phố Hà Nội nói riêng, học sinh ít được tạo điều kiện rèn luyện tư duy,

nhận thức một cách logic, khoa học, năng lực tự giải quyết vấn đề. Trong đổi

mới phương pháp dạy học, chúng ta cần phải có thời gian để dần chuyển từ

phương pháp dạy học truyền thống – giáo viên là trung tâm, là người truyền đạt

kiến thức, người học tiếp thu kiến thức một cách thụ động… sang phương pháp

dạy học hiện đại, lấy người học làm trung tâm. Ở đây, giáo viên là người đóng

vai trò hướng dẫn người học chủ động tiếp cận kiến thức một cách khoa học.

Có thể thấy rất rõ điều vô lý là trong khi chúng ta mong muốn đưa người

học về vị trí trung tâm trong giáo dục, ý kiến người học sẽ định hướng cho cách

học của chính mình và cho cả sự phát triển của nền giáo dục thì chúng ta lại

không quan tâm tới ý kiến, suy nghĩ của người học. Điều này cũng có thể hiểu

như việc chúng ta muốn học sinh, sinh viên, học viên chủ động trong học tập,

chủ động trong nghiên cứu và là trung tâm của giáo dục. Nhưng lại tiến hành

theo phương thức gò bó, ép buộc, áp đặt mà không xem xét công việc đó có phù

hợp với ý kiến của người học, với thời đại không.

Việc ứng dụng công nghệ thông tin vào quá trình dạy học trong thời điểm

hiện nay là hoàn toàn phù hợp với xu thế của thời đại, nhất là đối với các trường

học ở các thành phố, thị xã – nơi có điều kiện nhanh chóng tiếp thu công nghệ,

đặc biệt ở Hà Nội – là trung tâm văn hóa, kinh tế, chính trị… của cả nước thì

việc ứng dụng công nghệ vào dạy học là hoàn toàn cần thiết và khả thi. Để đáp

6

ứng nhu cầu đó, thì việc sử dụng phần mềm toán học Mathematica là một giải

pháp tối ưu, vì đây là phần mềm đáp ứng được nhu cầu của đa số giáo viên

trong công tác giảng dạy; phần mềm dễ sử dụng, tính năng đồ họa, tính toán và

đặc biệt đây là công cụ mạnh trong việc giúp giáo viên xây dựng các mô hình

vật lý một cách dễ dàng, thuận tiện…Đó cũng chính là một trong các lý do giúp

chúng tôi chọn tên đề tài “ Sử dụng phần mềm Mathematica trong dạy học

phần “Dao động và sóng điện từ” chương trình sách giáo khoa vật lý lớp 12

– Trung học phổ thông làm đề tài Luận văn thạc sỹ.

2. Mục đích nghiên cứu

Dựa trên cơ sở lý luận và thực tiễn trong quá trình dạy học của tập thể

giáo viên và bản thân, cũng như điều kiện cơ sở vật chất của các trường hiện tại

chưa đáp ứng được nhu cầu dạy và học, đặc biệt với bộ môn vật lý thì việc tiến

hành thí nghiệm là rất quan trọng và vô cùng cần thiết. Nhưng tuy nhiên, để tiến

hành thí nghiệm vật lý cần phải có thiết bị chuẩn, hơn nữa không thể bài nào

cũng tiến hành thí nghiệm được. Nhiều khi ở một số trường học điều kiện không

cho phép trang bị phòng thí nghiệm, đôi khi thiết bị thí nghiệm có, nhưng kết

quả thí nghiệm không được như mong muốn, vì nhiều lý do cả về mặt chủ quan

lẫn khách quan mang lại. Vì vậy, trên thực tế việc học và dạy chay là khó tránh

khỏi, đây là một phần nguyên nhân làm hạn chế khả năng tư duy, năng lực làm

việc, năng lực tự giải quyết vấn đề…của học sinh.

Để giải quyết vấn đề nan giải đó, nhất là trong vật lý thì việc mô phỏng

các hiện tượng vật lý trên máy tính là vô cùng cần thiết trong quá trình dạy học,

nó góp phần làm tăng khả năng tư duy, nhận thực, năng lực sáng tạo, rèn luyện

khả năng làm việc nhóm, khả năng tự giải quyết vấn đề của học sinh.

3. Đối tƣợng nghiên cứu

7

Hoạt động dạy, học của giáo viên và học sinh khi có sự hỗ trợ bởi phần

mềm toán học Mathematica.

4. Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý luận của quá trình tin học hóa trong việc tổ chức

dạy học vật lý nói chung và trong dạy học phần dao động và sóng điện từ nói

riêng theo hướng làm tăng năng lực tư duy, nhận thức, sáng tạo, khả năng làm

việc nhóm cũng như khả tự giải quyết vấn đề của học sinh phổ thông.

- Nghiên cứu những vấn đề ứng dụng công nghệ thông tin vào dạy học vật

lý tại các trường THPT nói chung, tại trường THPT Yên Hòa nói riêng trong

việc sử dụng phần mềm Mathematica nhằm hỗ trợ mô phỏng các hiện tượng vật

lý.

- Đưa ra giải pháp xây dựng các mô hình mô phỏng một số hiện tượng

trong phần dao động và sóng điện từ.

5. Phạm vi nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu quá trình dạy học nói chung, dạy vật lý nói riêng

trong trường THPT khi có sự hỗ trợ bởi phầm mềm toán học Mathematica mô

phỏng các hiện tượng vật lý, cụ thể là mô phỏng các hiện tượng trong phần dao

động và sóng điện từ. Với mục đích nâng cao khả năng ứng dụng công nghệ

thông tin, khả năng giải quyết vấn đề, khả năng làm việc nhóm, năng lực nhận

thức. Giúp người học chủ động giải quyết vần đề khi gặp phải trong quá trình

dạy học.

6. Giả thuyết khoa học

Tin học hóa quá trình dạy học đã và đang chiếm ưu thế. Đặc biệt là việc

ứng dụng các phần mềm vào quá trình dạy học, phần mềm Mathematica một

cách hợp lý, nó mang lại hiệu quả cao trong day học.

Xây dựng các mô hình mô phỏng các hiện tượng vật lý, hỗ trợ giảng dạy,

từ đó dễ ràng giúp học sinh đưa ra các phương án giải quyết vấn đề trong phần

8

dao động và sóng điện từ, qua đó giúp cho học sinh thể hiện năng lực bản thân,

rèn luyện, phát triển khả năng tư duy, sáng tạo một cách toàn diện.

7. Phƣơng pháp nghiên cứu

a. Phương pháp nghiên cứu lý luận

Dựa vào tài liệu lý luận dạy học làm sáng tỏ các quan điểm, trong tổ chức,

điều khiển diễn biến quá trình dạy học. Từ đó học sinh gải quyết những vấn đề

gặp phải trong quá trình nhận thức.

Sử dụng phần mềm toán học Mathematica và những tài liệu liên quan

trong việc thiết kế, mô phỏng các hiện tượng vật lý phục vụ quá trình dạy học.

Nghiên cứu chương trình, nội dung sách giáo khoa, sách giáo viên, sách

tham khảo, từ đó xác định chính xác nội dung, các khái niệm vật lý mà học sinh

cần phải nắm được khi học phần dao động và sóng điện từ.

b. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn

Nghiên cứu quá trình dạy học trong trường THPT nói chung và trường

THPT Yên Hòa nói riêng thông qua các hoạt động: giảng dạy, dự giờ, thảo luận

với các đồng nghiệp và đánh giá của học sinh. Từ đó đánh giá tình hình dạy, học

phần dao động và sóng điện từ của học sinh phổ thông.

Nghiên cứu quá trình sử dụng máy tính trong việc ứng dụng phần mềm

Mathematica mô phỏng các hiện tượng vật lý bằng các mô hình, phục vụ công

tác giảng dạy ở trường THPT.

8. Đóng góp của đề tài

Luận văn đã cho thấy lợi ích, tầm quan trọng của việc ứng dụng Công

nghệ thông tin trong dạy học theo phương pháp hiện đại.

Mở ra thêm hướng trong việc kết hợp giữa phương pháp dạy học truyền

thống với phương pháp dạy học hiện đại một cách hiệu quả.

Đưa phần mềm toán học Mathematica vào quá trình dạy học một cách

hiệu quả, cụ thể là trong phần dao động và sóng điện từ

9

9. Cấu trúc Luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục. Luận văn được

thành 3 chương :

Chương 1: Cơ sở lý luận cơ bản về phương pháp dạy học tích cực .

Chương 2: Giới thiệu những nét cơ bản phần mềm toán học Mathematica

và các ứng dụng .

Chương 3: Ứng dụng phần mềm toán học Mathematica thiết kế bài giảng

phần Dao động và sóng điện từ.