GIÁO TRÌNH

Các ứng dụng cơ bản của máy vi tính trong dạy học vật lý

Science and Technology

Máy vi tính hỗ trợ các thí nghiệm vật lí được ghép nối với máy vi tính

Tác giả: Nguyễn Xuân Thành

Trong các ứng dụng của máy vi tính vào dạy học vật lí thì việc sử dụng máy vi tính hỗ trợ các thí nghiệm vật lí được ghép nối với máy vi tính là một trong các ứng dụng đặc trưng nhất của nó. Hình 2.4 biểu thị một thiết bị thí nghiệm với đệm khí được ghép nối với máy vi tính để nghiên cứu chuyển động thẳng.

Sơ đồ nguyên lí và chức năng của thiết bị thí nghiệm ghép nối với MVT

Để hỗ trợ được các thí nghiệm vật lí thě máy vi tính cần được ghép nối với các thiết bị thí nghiệm. Dưới đây là sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm ghép nối với máy vi tính về mặt nguyên tắc.

Theo sơ đồ này, việc thu thập các số liệu đo về đối tượng nghiên cứu được đảm nhiệm bởi bộ phận có tên là “bộ cảm biến”. Nguyên tắc làm việc của bộ cảm biến như sau: trong bộ cảm biến, các tương tác của đối tượng đo lên bộ cảm biến dưới các dạng khác nhau như cơ, nhiệt, điện, quang, từ..v..v.. đều được chuyển thành tín hiệu điện. Mỗi một bộ cảm biến nói chung chỉ có một chức năng hoặc chuyển tín hiệu cơ sang tín hiệu điện hoặc chuyển tín hiệu quang sang tín hiệu điện..v..v.. .. Vì́ vậy, ứng với từng phép đo khác nhau mà người ta phải dùng các bộ cảm biến khác nhau.

Ví dụ như, để đo lực ta dùng bộ cảm biến lực (Force Sensor), tại đây các thay đổi về lực (cơ học) trong quá tŕnh tương tác sẽ được chuyển thành tín hiệu điện. Để xác định vị trí và thời điểm tương ứng của vật người ta dùng bộ cảm biến chuyển động (Motion Sensor) của hăng Pasco (Mĩ), bộ cảm biến chuyển động (Movement Sensor) hay bộ cảm biến khác có tên là thiết bị chắn sáng (Light Barrier) của hăng Phywe (CHLB Đức). Tuy có cùng chung một chức năng song nguyên tắc hoạt động của các bộ cảm biến này cũng khác nhau. Tại bộ cảm biến chuyển động (Motion Sensor) của hăng Pasco (Mĩ), th́ tín hiệu của sóng siêu âm được chuyển sang tín hiệu điện, c̣n ở bộ cảm biến chuyển động (Movement Sensor) hay bộ cảm biến khác có tên là thiết bị chắn sáng (Light Barrier) của hăng Phywe (CHLB Đức) th́ các tín hiệu quang được chuyển sang tín hiệu điện.

Sau khi tín hiệu điện được hình thành tại bộ cảm biến, nó sẽ được chuyển qua dây dẫn đến bộ phận tiếp theo trong hệ thống có tên là “thiết bị ghép tương thích”. Tại thiết bị ghép tương thích này, các tín hiệu điện sẽ được số hoá một cách hợp lí để đưa vào máy vi tính (bởi v́ máy vi tính chỉ làm việc với các tín hiệu đă được số hoá).

Như vậy, các tín hiệu đă được số hoá này được coi là cơ sở dữ liệu và có thể lưu trữ lâu dài trong MVT.

Để thu thập số liệu đo, ứng với mỗi phép đo các đại lượng khác nhau, ta thường phải dùng các bộ cảm biến khác nhau. Để số hoá các tín hiệu điện từ bộ cảm biến chuyển tới, với một bộ ghép tương thích (Interface) ta có thể số hoá các tín hiệu điện của nhiều loại bộ cảm biến khác nhau như: chuyển động, gia tốc, lực, áp suất, nhiệt độ, âm, ánh sáng..v..v.. Các bộ ghép tương thích này có thể được lắp đặt vào bên trong của MVT, ví dụ như Interface IEEE-488 của hăng Phywe CHLB Đức, Universal Laboratory Interface (ULI) của hăng Vernier (Mĩ). Song hiện nay, nhiều bộ ghép tương thích được chế tạo có nhiều tính năng ưu việt như có thể lưu trữ được dữ liệu mà không cần có MVT. Các bộ ghép tương thích này tiện lợi cho việc nghiên cứu ở những nơi xa mà không thể đem máy vi tính theo.V́ vậy kích thước của nó khá lớn (như quyển sách khá dầy) và được đặt ngoài MVT, ví dụ như Science Workshop 500 Interface, Science Workshop 700 Interface hay Science Workshop 750 Interface của hăng Pasco (Mĩ).

Hình dưới là ảnh chụp Science Workshop 750 Interface. Nó vừa có chức năng của một Interface, lại vừa có chức năng của máy phát tần số (Funtion Generator) và chức năng của dao động kí điện tử ghi các dao động theo đúng thời gian thực (Real- time Oscilloscope).

Hình 2.5 Science Workshop 750 Interface

Để các bộ ghép tương thích này có thể hoạt động sau khi đă lắp vŕo trong máy vi tính hay sau khi đă nối với MVT, cần phải có một phần mềm cŕi đặt. Phần mềm nŕy được cung cấp kèm theo bộ ghép tương thích khi ta mua.

Cần chú ý rằng, các bộ ghép tương thích này có thể dùng cho các loại máy vi tính hoạt động trong môi trường Macintosh hoặc máy vi tính hoạt động trong môi trường MS- DOS hay Windows...v...v....

Sau khi các tín hiệu đã được số hoá, có thể sử dụng máy vi tính (đã cài đặt phần mềm thích hợp) để tính toán, xử lí các tín hiệu số này theo mục đích của người nghiên cứu. Ví dụ như ta có thể lập bảng số liệu về mối quan hệ giữa các đại lượng mà bộ cảm biến đã thu thập được hay vẽ đồ thị về mối quan hệ này, hoặc xử lí tuỳ theo ý muốn nếu phần mềm cho phép. Thường thì các chuyên gia khi viết phần mềm đã lường hết tất cả các thuật toán mà người nghiên cứu có thể dùng đến để đưa nó vào nội dung của phẩn mềm cài đặt trong MVT.

Hình sau là ví dụ về đồ thị quan hệ giữa quãng đường s và thời gian t (bên trái) và đồ thị quan hệ giữa quãng đường s và t2 thời gian (bên phải) trong một chuyển động nhanh dần đều được tạo nên bởi máy vi tính trong thí nghiệm với thiết bị đệm khí ghép nối với máy vi tính sử dụng phần mềm COMEX.

Như vậy, sau khi máy vi tính đă tính toán, xử lí xong, tất cả các kết quả đều có thể được hiện thị dưới dạng số, bảng biểu, đồ thị trên màn h́nh hoặc in ra giấy qua máy in hoặc được lưu trữ lại trong MVT...

So sánh thí nghiệm được tiến hành với các thiết bị truyền thống với thí nghiệm được tiến hành với các thiết bị ghép nối với MVT

Việc sử dụng các thí nghiệm vật lí với các thiết bị truyền thống (không ghép nối với MVT) và việc sử dụng các thí nghiệm vật lí ghép nối với máy vi tính cùng có chung tiến trình như sau:

- Tiến hành thí nghiệm để có thể quan sát được (bằng mắt hay bằng các phương tiện hỗ trợ) hiện tượng, quá trình vật lí cần nghiên cứu,

- Thu thập số liệu đo,- Xử lí số liệu đo (thông qua tính toán, đối chiếu, so sánh...) và trình bày kết quả xử lí,- Từ các kết quả xử lí đó, tìm ra (trong thí nghiệm khảo sát) hay chứng tỏ (trong thí nghiệm minh hoạ) sự tồn tại các mối quan hệ có tính qui luật trong hiện tượng, quá trình đang nghiên cứu.Cùng có một tiến trình như nhau, song trong thí nghiệm được hỗ trợ bằng máy vi tính có nhiều công việc được hoàn toàn tự động theo một chương trình đã định sẵn mà không cần sự can thiệp của con người.Thí dụ như ở khâu tiến hành TN, để hiện tượng thí nghiệm xảy ra chuẩn, đúng theo ý muốn của người nghiên cứu, có phần mềm và thiết bị hỗ trợ thực hiện điều đó. Phần mềm và các thiết bị này thường được sử dụng trong các thí nghiệm cần tạo ra các hiện tượng quá trình phức tạp.

Khâu thu thập số liệu đo là khâu hết sức quan trọng trong thực nghiệm. Thường thì, ở các thí nghiệm không ghép nối MVT, trong quá trình quan sát ta đã phải đo, đếm hay đánh dấu sẵn rồi. Trong mỗi lần thí nghiệm thường phải đo từ 2 đại lượng trở lên và lại phải đo nhiều giá trị khác nhau. Rồi cùng một thí nghiệm lại phải tiến hành nhiều lần, đo nhiều lần. Nói chung, thời gian và công sức thu thập số liệu là rất đáng kể và ở nhiều thí nghiệm công việc này là khó khăn đối với giáo viên và học sinh. Song ở các thí nghiệm được hỗ trợ của máy vi tính các số liệu đã được tự động thu thập nhờ bộ cảm biến rồi truyền đến bộ ghép tương thích đưa vào máy vi tính. Do được tự động hoá hoàn toàn nên việc thu thập số liệu đo này ở thí nghiệm ghép nối với máy vi tính xảy ra cực kì nhanh, trong vài chục giây, ta có thể có ngay các số liệu đó trên màn hình MVT. Trên các số liệu đó, cũng nhờ máy vi tính và phần mềm, ta có thể phân tích, xử lí số liệu (theo các chương trình do phần mềm định sẵn). ý định phân tích, xử lí số liệu như thế nào là hoàn toàn do người nghiên cứu (giáo viên hay học sinh) đặt ra. Còn các phép tính toán cụ thể như: cộng, trừ, nhân, chia, bình phương, khai căn..., lập các biểu bảng, vẽ các đồ thị về các mối quan hệ giữa các đại lượng đang nghiên cứu đều do máy vi tính thực hiện.

Các kết quả tính toán, các biểu bảng cũng như các đồ thị này cũng được hiển thị ngay trên màn h́nh máy vi tính . Quá tŕnh tính toán, lập biểu bảng hay vẽ đồ thị này máy vi tính chỉ làm trong trong vài chục giây tới một vài phút. Kết quả hiển thị trên màn h́nh là hoàn toàn chính xác và rất khoa học, đẹp đẽ. C̣n trong thí nghiệm không được hỗ trợ bằng máy vi tính việc lập biểu bảng, tính toán hay vẽ đồ thị trong quá tŕnh xử lí số liệu một cách “thủ công” thường chiếm rất nhiều thời gian và nhiều khi cũng rất khó khăn.

Có thể đưa ra ví dụ cụ thể sau để so sánh ưu nhược điểm giữa thí nghiệm có hỗ trợ của máy vi tính và không có hỗ trợ của MVT. Trong thí nghiệm nghiên cứu chuyển động biến đổi đều của một vật theo thời gian, ta cần xác định gia tốc a của vật đó. Để xác định a, ta có thể:

• "đo quăng đường đi s của vật từ lúc khởi hŕnh đến cuối thời gian t, vŕ đo t, ta tính được giá trị tuyệt đối của gia tốc a = 2s/ t2 (khi vận tốc ban đầu bằng 0)" hoặc

• "đo hiệu số những quăng đường đi được (s trong những khoảng thời gian liên tiếp bằng nhau t, và tính a = Ds / t2 “.

Như vậy, để xác định gia tốc a của chuyển động của vật th́ trước hết ta phải đo (thu thập số liệu đo), sau đó phải tính gia tốc a từ số liệu đă thu thập (xử lí số liệu đo). Các phép đo ở đây (đo chiều dài quăng đường và đo thời gian) trong thí nghiệm không được hỗ trợ bằng máy vi tính đ̣i hỏi khá nhiều thời gian. Ví dụ, trong cách thứ 2, để xác định gia tốc a trước hết ta cần đo s₁ và s₂ là các quăng đường đi được trong khoảng thời gian 1t, 2t, rồi đo giá trị của t. Sau đó ta tính a qua biểu thức trên (qua Ds và t). Đo được các đại lượng như vậy và tính gia tốc a như vậy cũng mất khá nhiều thời gian. Hơn nữa, để giá trị gia tốc a là tin cậy ta phải đo nhiều lần rồi tính sai số. Như vậy, chỉ với một việc xác định giá trị của gia tốc a thôi, với phương pháp đo (thu thập số liệu) và tính (xử lí số liệu) như trên đòi hỏi rất nhiều thời gian so với lượng thời gian cho phép trong một tiết học. Và trên thực tế, việc làm như vậy ít được sử dụng trong bài lên lớp mà đưa vào trong nội dung bài thực hành. Còn khi sử dụng thí nghiệm được hỗ trợ bằng máy vi tính, thì các công việc như: thu thập số liệu đo về quãng đường và thời gian, xử lí số liệu đo để tính ra gia tốc a và trình bày kết quả xử lí đó trên bảng số liệu hay trên các loại đồ thị đều được tự động hoàn toàn và hết sức nhanh chóng. Tổng số thời gian làm việc này chỉ mất độ vài ba phút. Sở dĩ có thể làm được như vậy là nhờ các thiết bị vi tính và phần mềm hỗ trợ đảm nhiệm. Để thu thập các thông số về chuyển động của đối tượng đo, ở đây có một bộ phận đảm nhiệm, gọi là bộ cảm biến chuyển động, hay thiết bị chắn sáng. Bộ phận này làm nhiệm vụ ghi và lưu trữ các tín hiệu (dưới dạng điện) về các vị trí của vật và thời điểm tương ứng với các vị trí đó. Các tín hiệu điện này từ bộ cảm biến được truyền theo dây dẫn đến thiết bị ghép tương thích (Interface). Tại thiết bị ghép tương thích này, các tín hiệu đó sẽ được số hoá để đưa vào MVT. Tại MVT, ta chỉ cần ra lệnh "lưu trữ" là các tín hiệu số này được lưu trữ vào bộ nhớ của MVT. Bây giờ, ta có thể chọn các phương án xử lí các tín hiệu số theo ý muốn, ví dụ như: lập bảng về quãng đường và thời gian (s và t), về vận tốc và thời gian (v và t), về gia tốc và thời gian (a và t)..v..v... Qua bảng này ta có thể xác định ngay được vận tốc, gia tốc của vật tại từng thời điểm. Hơn nữa, phần mềm trong máy tính cho phép ta từ các số liệu thu được vẽ các đồ thị s và t, đồ thị v và t, đồ thị a và t..v..v..Mỗi một công việc này chỉ mất có độ vài giây, cho ngay kết quả trên màn hình.Việc hiển thị các kết quả trên màn hình cũng rất rõ ràng, khoa học và tiện lợi với các màu sắc làm nổi bật những dấu hiệu cần quan tâm .

Ta có thể cho hiện thị bất kì đồ thị nào trong các đồ thị trên lên màn hình, sau đó có thể phóng to, thu nhỏ lại được. Hơn nữa, cùng một lúc có thể hiện thị nhiều đồ thị bên cạnh nhau trên màn hình. Để tất cả học sinh trong lớp có thể quan sát được, ta có thể dùng các thiết bị chiếu tất cả những gì có trên màn hình máy vi tính lên màn màu trắng hay đưa hình ảnh ở máy tính lên ti vi có màn ảnh rộng. Một vài thiết bị đó hiện nay đang được dùng kèm máy vi tính là: thiết bị chiếu hình ghép nối với máy vi tính (PC-Projector) CPD 300 Kindermann của CHLB Đức, hay loại LCD Projector như: VPL-X1000, VPL-S900 và VPL-SC50... của hãng Sony Nhật và nhiều loại khác nữa..Từ việc so sánh trên, cho ta thấy thí nghiệm được hỗ trợ bằng máy vi tính có một số ưu điểm sau:- có tính trực quan cao hơn trong việc tŕnh bày số liệu đo, hiển thị kết quả (ví dụ như các kết quả đo hiển thị trên màn h́nh bằng số có kèm theo đơn vị đo, bảng số liệu và đồ thị được đưa ra rơ ràng, với mọi mầu sắc thích hợp...)- tiết kiệm rất nhiều thời gian do thu thập cũng như xử lí số liệu hoàn toàn tự động,

- cho phép thu thập nhiều bộ dữ liệu thực nghiệm trong thời gian rất ngắn (đó là một yều cầu quan trọng trong nghiên cứu thực nghiệm,- độ chính xác cao của các số liệu đo cũng như kết quả tính toán cuối cùng do sử dụng các thiết bị hiện đại và phương pháp tính hiện đại (ví dụ trong các phép đo thời gian, độ dài, độ chính xác đến 0,001 s ; 0,001 m, còn tính vận tốc chính xác đến 0,001 m/s (chính xác đến 1 phần nghìn đơn vị),- tiết kiệm thời gian lắp đặt thí nghiệm (vì nói chung các thiết bị vi tính và các thí nghiệm ghép nối với chúng có ít chi tiết hơn),- để có thể sử dụng được các thí nghiệm có ghép nối với thiết bị vi tính thì không đòi hỏi ở người sử dụng biết kiến thức đặc biệt về kĩ thuật vi tính, và không cần biết về ngôn ngữ lập trình.Mặc dù thí nghiệm được ghép nối với máy vi tính có nhiều ưu điểm, song hiện nay ở nước ta chủ yếu mới sử dụng trong các trường đại học, còn chưa được sử dụng ở đa số các trường phổ thông. Theo chúng tôi việc sử dụng nó còn chưa rộng rãi do còn có một số khó khăn sau:

- người sử dụng cần có thời gian làm quen máy vi tính (chủ yếu là làm quen với việc mở một chương tŕnh ứng dụng đă được cài đặt trong máy và làm quen với bàn phím)- mặc dù hiện nay máy vi tính không đắt tiền lắm (tất cả các trường phổ thông THCS và PTTH ở thành phố đều có nhiều), song đắt tiền là các thiết bị khác như các bộ cảm biến, các thiết bị ghép tương thích và thiết bị thí nghiệm tương ứng.Song điểm hết sức quan trọng là ở chỗ ở Việt nam còn quá ít các nghiên cứu về lí luận cũng như thực tiễn về vấn đề này để có những đánh giá đúng mức và đưa ra các kinh nghiệm cụ thể trong việc sử dụng thí nghiệm có hỗ trợ của máy vi tính kết hợp với các phương tiện dạy học khác khi dạy học từng phần, từng chương và từng bài cụ thể trong chương trình vật lí phổ thông. Để việc sử dụng các thiết bị vi tính ghép nối với các thí nghiệm một mặt phát huy được tính ưu việt của máy vi tính như kể trên, mặt khác đảm bảo rèn luyện các kĩ năng và phương pháp đo lường cơ bản đối với các đại lượng cơ bản của vật lí trong điều kiện hiện nay, một trong các vấn đề đặt ra đối với các nhà nghiên cứu cũng như giáo viên là từng bước nghiên cứu về việc sử dụng phối hợp hai loại thí nghiệm để đạt được hiệu quả dạy học cao nhất.

Vì các tính năng ưu việt của việc sử dụng thí nghiệm ghép nối với các thiết bị vi tính, vì thực tế trên thế giới hiện nay, các thiết bị thí nghiệm nghiên cứu (không chỉ riêng trong vật lí mà còn trong tất cả các ngành khoa học) đều ghép nối với thiết bị vi tính, cho nên trong nhà trường phổ thông cần từng bước tạo điều kiện cho học sinh- những người chủ tương lai của đất nước trong thời kỳ công nghiệp hoá và hiện đại hoá - làm quen dần với các thí nghiệm có ghép nối với các thiết bị vi tính bên cạnh các thí nghiệm với các thiết bị đo và cách xử lí số liệu truyền thống.

TẢI VỀ

TÁI SỬ DỤNG

MỤC LỤC

Các ứng dụng cơ bản của máy vi tính trong dạy học vật lý

NỘI DUNG CÙNG TÁC GIẢ