Mô phỏng

Mô phỏng (simulation) được định nghĩa trong từ điển Oxford là "a situation in which a particular set of conditions is created artificially in order to study or experience something that could exist in reality", có thể hiểu đơn giản là bộ công cụ giả định các điều kiện thực tế.

1. Giúp những điều khó khăn trở nên khả thi

Hoá học là ngành khoa học nghiên cứu sự biến đổi của chất, do vậy thí nghiệm và các công cụ trực quan luôn đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ sự hình thành khái niệm cho học sinh. Tuy nhiên, đôi khi giáo viên sẽ gặp một số vấn đề khó khăn như sau:

• Một số thí nghiệm độc hại, hoặc điều kiện thí nghiệm (về hoá chất, thiết bị) không thuận lợi thì không thể thực hiện trực tiếp được. Khi đó các thí nghiệm ảo là công cụ hỗ trợ đắc lực giải quyết vấn đề này.

• Sự biến đổi chất ở cấp độ vi mô không thể quan sát được, bắt buộc phải dùng hình ảnh, video hoặc phần mềm tương tác để mô phỏng.

Như vậy, các công cụ mô phỏng hoá học giúp giáo viên thực hiện được những "điều không thể", từ đó giúp bài dạy trở nên sinh động, trực quan hơn.

2. Cung cấp công cụ tự học, tự nghiên cứu cho học sinh

Không chỉ hỗ trợ giáo viên trong việc tổ chức hoạt động dạy học, các mô phỏng hoá học còn cung cấp cho học sinh công cụ hỗ trợ việc tự học. Tôi còn nhớ lần đầu tôi tò mò tải được phần mềm Crocodile chemistry vào năm tôi học lớp 8 (năm 2011), cảm giác thích thú thực sự khi tự mình có thể thực hiện được các thí nghiệm liên quan đến các phương trình hoá học trong sách giáo khoa. Hiện nay, rất nhiều công cụ mô phỏng đã được xây dựng, điều này còn giúp việc tự học của học sinh trở nên thuận lợi hơn.

3. Công nghệ thông tin và truyền thông là nền tảng cho các mô phỏng hoá học

Tất cả các mô phỏng đều là các phần mềm được lập trình trên máy tính. Khi ICT phát triển, đặc biệt trong thời đại công nghệ 4.0, cùng với sự bùng nổ của trí tuệ nhân tạo, các mô phỏng hoá học ngày nay không chỉ dừng ở mức biểu diễn các thí nghiệm, mà còn là công cụ nghiên cứu cho các nhà khoa học. Việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào tính toán hoá học cũng đang phát triển lớn mạnh. Vì thế, giáo viên hoá học không thể đứng ngoài sự phát triển này, mà luôn luôn phải cập nhật kiến thức để bắt kịp xu thế của thời đại.

1. Một số thao tác và lưu ý quan trọng khi sử dụng Yenka

• Phần mềm Yenka có thể được tải về miễn phí từ trang web, có cả phiên bản cho Windows và MacOS. Tuy nhiên, phiên bản dành cho MacOS chưa được cập nhật, do đó không thể cài đặt nếu máy sử dụng MacOS 10.13 trở lên.

• Sau khi tải về, chọn đăng kí giấy phép sử dụng ở nhà (home license) để có thể sử dụng miễn phí tất cả chức năng. Lưu ý rằng home license không cho phép người dùng sử dụng phần mềm trong khoảng từ 8h30 sáng đến 15h00 chiều, tuy nhiên có một mẹo nhỏ là chúng ta có thể mở sẵn Yenka trước 8h30 sáng thì vẫn có thể dùng tiếp tục, hoặc có thể đổi thời gian của máy tính.

• Muốn tạo thí nghiệm mới, chọn "New", sau đó lấy hoá chất và dụng cụ có sẵn trong danh sách để thiết lập thí nghiệm. Các thao tác chi tiết sẽ được trình bày trong 2 ví dụ ở mục dưới.

2. Sử dụng thí nghiệm ảo trong dạy học hoá học

• Thí nghiệm ảo cũng có thể được sử dụng tương tự như thí nghiệm thực theo các phương pháp minh hoạ hay phương pháp nghiên cứu, lồng ghép vào các hoạt động học trong dạy học khám phá, dạy học giải quyết vấn đề hay dạy học tích hợp STEM. 

• Bên cạnh đó, giáo viên còn có thể giao thí nghiệm ảo cho học sinh thực hiện ở nhà, trước buổi học, là công cụ hỗ trợ trong mô hình lớp học đảo ngược (flipped classroom). Đây là đặc điểm nổi bật mà thí nghiệm thực khó đáp ứng được do yếu tố an toàn thí nghiệm.

• Để học sinh có thể tự thực hiện được thí nghiệm ảo Yenka theo đúng kế hoạch dạy học của giáo viên, giáo viên cần thiết kế sẵn file thí nghiệm ảo (có hướng dẫn các bước thực hiện) và gửi cho học sinh, học sinh mở file ở chế độ view trong Yenka và thực hiện theo hướng dẫn. 

• Khi sử dụng ở lớp học, GV cần chỉnh hình ảnh các dụng cụ sao cho dễ quan sát từ xa (tăng độ dày, viền đen...). Khi thực hiện thí nghiệm cần HS quan sát hiện tượng, GV cần phóng lớn (zoom) vào khu vực phản ứng, giúp HS quan sát dễ dàng hơn.

Ví dụ 3: Thí nghiệm nhận biết các ion calcium, barium, carbonate, sulfate (File Yenka)

Phương pháp dạy học: Dạy học khám phá theo mô hình lớp học đảo ngược. Lưu ý khi sử dụng phương pháp này, GV cần sửa quy trình mà các nhóm HS đã đề xuất, tránh tình trạng HS làm sai nhưng không có cơ hội đi đúng hướng.

2. NoBook

NoBook là phòng thí nghiệm ảo xuất xứ từ Trung Quốc, được công ty ClassIn mua bản quyền và chỉnh sửa để cung cấp cho thị trường Việt Nam. Ứng dụng có thể sử dụng được cả trên Windows và MacOS, đồ hoạ đẹp mắt và mô phỏng rất sát thực tế. Dự kiến ra mắt vào cuối năm 2023.

Phần mềm tương tác thiết kế sẵn gồm các mô phỏng phân tử hoặc thí nghiệm được thiết kế sẵn, cho phép người dùng có thể thay đổi các biến số liên quan và xem hiện tượng hoặc diễn biến tiếp theo. Các loại phần mềm này không cho phép người dùng tự do tạo thí nghiệm như Yenka, tuy nhiên có một số ưu điểm vượt trội như sau:

• Một số mô phỏng ở cấp độ phân tử, mô tả các khái niệm trừu tượng (như liên kết hoá học, năng lượng, cấu trúc nguyên tử, orbital lai hoá...) nằm ngoài mục tiêu của phần mềm thí nghiệm ảo.

• Mỗi thí nghiệm được thiết kế sẵn thường cung cấp nhiều tính năng (option) nhằm đáp ứng mô phỏng từ cấp độ vĩ mô đến vi mô (ví dụ trang web AACT), trong khi thí nghiệm ảo Yenka không thể cho các tính năng sâu như vậy cho mọi thí nghiệm được.

• Đa số có thể sử dụng online, không cần cài đặt, không giới hạn thời gian, dễ dàng sử dụng.

Do vậy, không có công cụ nào hoàn hảo, chỉ có công cụ phù hợp nhất tuỳ theo định hướng dạy học của giáo viên.

Danh sách các trang web mô phỏng được liệt kê trong trang web của ACS.

2. TeachChemistry

Tương tự như PhET, trang web này (link) cũng cung cấp nhiều mô phỏng tương tác liên quan đến mảng hoá học đại cương, tuy nhiên có thêm nhiều mô phỏng liên quan đến tốc độ phản ứng, năng lượng phản ứng, điện hoá, được biểu diễn ở cấp độ phân tử rất trực quan và dễ hiểu đối với học sinh. Một số ví dụ được trình bày dưới đây (click vào mũi tên để xem nội dung).

5. PBS LearningMedia

Trang web (link) cung cấp rất nhiều mô phỏng, tutorials (dạng tự học) từ nhiều nguồn khác nhau, cho giáo viên thêm nhiều cơ hội để vận dụng và sáng tạo bài dạy của mình. Mình đã sử dụng tutorial Ionic bond để dạy học bài Liên kết ion, tuy rằng còn hạn chế trong tổ chức hoạt động nhưng cũng giúp học sinh trở nên tích cực hơn khi học online.