Nhiều giáo viên dạy các môn STEM chia sẻ, họ gặp khó khăn trong việc hình thành kiến thức nền cho học sinh, đặc biệt là đối với các đơn vị kiến thức trừu tượng, khó giải thích hoặc không thể quan sát bằng mắt thường.

Vài năm gần đây, họ bắt đầu tìm hiểu và sử dụng phần mềm mô phỏng miễn phí PhET để giúp học sinh có hình ảnh trực quan về đối tượng nghiên cứu.

Học sinh lớp 12, Khoa Văn hóa Cơ bản, Trường ĐH Văn hóa Nghệ thuật Quân đội sử dụng PhET để nghiên cứu các đại lượng đặc trưng của sóng cơ (Bài 7, Vật lý lớp 12). Ảnh: NV

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... Tuy nhiên, việc tải ứng dụng trên các thiết bị di động sẽ tốn khoản phí 22.000 đồng.

Hiệu quả của PhET ra sao?

Sử dụng PhET để dạy các môn STEM sẽ giúp học sinh có hình ảnh trực quan về các hiện tượng, quá trình khoa học và quy tắc, định lí khó hoặc không quan sát, tưởng tượng được. Ví dụ, khi nghiên cứu về sóng cơ, nếu chỉ quan sát hiện tượng trong thực tế hoặc các thí nghiệm tạo sóng trên mặt nước, học sinh dễ mắc quan niệm sai lầm rằng các phần tử nước đang chuyển động từ nguồn sóng ra xa. Phần mềm mô phỏng giúp học sinh hình dung rõ hơn về dao động của các phần tử nước xung quanh một vị trí cân bằng.

Vài năm gần đây, một số giáo viên Việt Nam bắt đầu tìm hiểu và sử dụng mô phỏng PhET trong quá trình dạy các môn Vật lý, Hóa học… “Học sinh thường ồ, à, cô ơi xịn thế; đồng thời tiếp thu và hiểu bài tốt hơn. Tuy nhiên không phải kiến thức Vật lý nào cũng có ứng dụng mô phỏng PhET phù hợp,” cô Nguyễn Tuyết Trinh - một giáo viên Vật lý ở Hà Nội đã sử dụng PhET để dạy học từ năm 2016 - cho biết.

Nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng mô phỏng PhET để dạy các môn STEM đánh giá đây là một phương tiện cần thiết để hỗ trợ nghiên cứu các khái niệm khoa học trừu tượng, cho phép người học tương tác và phân tích các đại lượng khác nhau [1]; hay giúp người học phát triển khả năng tư duy khoa học [2].

Trong đó, nghiên cứu của Astutik và cộng sự về mô hình học tập sáng tạo hợp tác (Collaborative Creativity Learning – CCL) tích hợp với mô phỏng PhET cho thấy, khả năng sáng tạo khoa học của học sinh tăng đáng kể qua các bài học khoa học tự nhiên và các em có phản ứng tích cực với các nhiệm vụ học tập [3].

Nghiên cứu việc sử dụng mô phỏng PhET để dạy phần kiến thức mô hình nguyên tử hydro trong môn Hóa học của Ted M.Clark đã tạo cơ hội cho học sinh so sánh, phân tích sáu mô hình nguyên tử. Theo kết quả khảo sát, học sinh có phản ứng tích cực với các hoạt động sử dụng mô phỏng PhET [4].

Năm 2019, Putrata và các cộng sự nghiên cứu việc ứng dụng mô phỏng PhET để dạy môn Vật lý theo phương pháp học tập dựa trên vấn đề (Problem Based Learning – PBL). Kết quả chỉ ra, ứng dụng mô phỏng PhET là khả thi trong dạy môn Vật lý theo PBL, đồng thời học sinh cải thiện khả năng tư duy phản biện [5].

Còn W.K.Adams cho rằng, khi sử dụng mô phỏng PhET, học sinh tham gia vào việc khám phá kiến thức như một nhà khoa học, từ đó dẫn đến việc tìm hiểu các khái niệm khoa học rộng hơn và sâu hơn [6].

Nghiên cứu của R Haryadi cũng thu được kết quả tương tự của Adams - lớp thực nghiệm sử dụng mô phỏng PhET để nghiên cứu về nhiệt có kết quả cao hơn so với lớp đối chứng; từ đó, nghiên cứu kết luận, học tập dựa trên phần mềm mô phỏng PhET có thể cải thiện khả năng tư duy khoa học của học sinh [7].

Những kết quả trong nghiên cứu của Habibi thì chỉ ra, mô phỏng PhET có ý nghĩa quan trọng hỗ trợ phát triển tư duy sáng tạo (Creativity Thinking Skill – CrTS) khi học các khái niệm Vật lí [8].

Trong nghiên cứu về khả năng tư duy bậc cao (Higher order Thinking Skills - HOTS) của học sinh trước và sau khi áp dụng các bài học STEM bằng mô phỏng PhET, Yusuf và Widyaningsih thực nghiệm trên một nhóm 12 học sinh thông qua kĩ thuật phân tích sử dụng mô hình Rasch. Kết quả cho thấy, điểm trung bình bài kiểm tra của học sinh sau khi áp dụng mô phỏng PhET vào dạy học cao hơn điểm trung bình bài kiểm tra ban đầu (33,7 so với 18,7).

Cuối cùng, phân tích của Wilcoxon cho thấy, học STEM sử dụng mô phỏng PhET giúp học sinh tập trung vào các nhiệm vụ hơn so với không sử dụng PhET [9].

Bên cạnh PhET, còn có một số mô phỏng miễn phí khác như Physlet Physics, VIPER simulations, Edumedia, circuitLab…- tất cả đều có thể hỗ trợ giáo viên trong quá trình dạy các môn STEM.

Các bước để sử dụng PhET trên máy tính:

- Bước 1: Truy cập địa chỉ https://phet.colorado.edu tại thanh địa chỉ của trình duyệt.
- Bước 2: Click vào thẻ SIMULATIONS và chọn mô phỏng tương ứng với lĩnh vực nghiên cứu.
- Bước 3: Tìm kiếm và lựa chọn mô phỏng cần sử dụng trong danh sách mô phỏng được liệt kê.
- Bước 4: Click vào nút Play để khởi chạy mô phỏng.
- Bước 5: Điều chỉnh các thông số và click nút Play trên phần mềm mô phỏng để bắt đầu thực hiện mô phỏng. Kéo thả các công cụ trong thư viện mô phỏng để tiến hành lấy số liệu dưới dạng con số hoặc đồ thị với một số loại mô phỏng có tùy chọn đặc biệt. Ví dụ: Có thể thay đổi tần số của sóng bằng cách kéo con chạy trên thanh Frequency trong khoảng từ min (nhỏ nhất) tới max (lớn nhất), tốc độ nhỏ giọt nước từ vòi sẽ thay đổi tương ứng; cụ thể, khi tần số sóng càng lớn, giọt nước rơi càng mau, ngược lại, khi tần số càng nhỏ, giọt nước rơi càng thưa. Nếu ta điều chỉnh tăng biên độ của sóng, giọt nước sẽ rơi mạnh hơn. Cũng có thể xác định chu kỳ, bước sóng hay độ lệch pha giữa hai điểm trên phương truyền sóng bằng việc kéo các công cụ bao gồm đồng hồ, thước đo và dao động kí.

Tài liệu tham khảo
[1] Pirker, J. and C. Gütl, Educational gamified science simulations, in Gamification in education and business. 2015, Springer. p. 253-275.
[2] McKagan, S., et al., Developing and researching PhET simulations for teaching quantum mechanics. American Journal of Physics, 2008. 76(4): p. 406-417.
[3] Astutik, S. and B.K. Prahani, The Practicality and Effectiveness of Collaborative Creativity Learning (CCL) Model by Using PhET Simulation to Increase Students’ Scientific Creativity. International Journal of Instruction, 2018. 11(4): p. 409-424.
[4] Clark, T.M. and J.M. Chamberlain, Use of a PhET interactive simulation in general chemistry laboratory: Models of the hydrogen atom. Journal of Chemical Education, 2014. 91(8): p. 1198-1202.
[5] Putranta, H. and I. Wilujeng. Physics learning by PhET simulation-assisted using problem based learning (PBL) model to improve students’ critical thinking skills in work and energy chapters in MAN 3 Sleman. in Asia-Pacific Forum on Science Learning & Teaching. 2019.
[6] Adams, W.K., Student engagement and learning with PhET interactive simulations. Il nuovo cimento C, 2010. 33(3): p. 21-32.
[7] Haryadi, R. and H. Pujiastuti. PhET simulation software-based learning to improve science process skills. in Journal of Physics: Conference Series. 2020. IOP Publishing.
[8] Habibi, H., J. Jumadi, and M. Mundilarto, PhET simulation as means to trigger the creative thinking skills of physics concepts. International Journal of Emerging Technologies in Learning, 2020. 15(6): p. 166-172.
[9] Yusuf, I. and S. Widyaningsih. HOTS profile of physics education students in STEM-based classes using PhET media. in Journal of Physics: Conference Series. 2019. IOP Publishing.