DẠY HỌC CHỦ ĐỀ STEM “CHẾ TẠO MÁY BƠM NƯỚC TIỆN ÍCH” TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ 10

DẠY HỌC CHỦ ĐỀ STEM VẬT LÝ

vectorstock.com/10212086

Ths Nguyễn Thanh Tú eBook Collection

DẠY HỌC CHỦ ĐỀ STEM “CHẾ TẠO MÁY BƠM NƯỚC TIỆN ÍCH” TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ 10 WORD VERSION | 2021 EDITION ORDER NOW / CHUYỂN GIAO QUA EMAIL TAILIEUCHUANTHAMKHAO@GMAIL.COM

Tài liệu chuẩn tham khảo Phát triển kênh bởi Ths Nguyễn Thanh Tú Đơn vị tài trợ / phát hành / chia sẻ học thuật : Nguyen Thanh Tu Group Hỗ trợ trực tuyến Fb www.facebook.com/DayKemQuyNhon Mobi/Zalo 0905779594

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

CHUNG QUANG TÙNG

DẠY HỌC CHỦ ĐỀ STEM “CHẾ TẠO MÁY BƠM NƢỚC TIỆN ÍCH” TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ 10

LUẬN VĂN THẠC SĨ LÝ LUẬN VÀ PHƢƠNG PHÁP DẠY HỌC BỘ MÔN VẬT LÝ

ĐÀ NẴNG – NĂM 2020

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM

CHUNG QUANG TÙNG

DẠY HỌC CHỦ ĐỀ STEM “CHẾ TẠO MÁY BƠM NƢỚC TIỆN ÍCH” TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ 10

Chuyên ngành: Lý luận và PPDH Bộ môn Vật lí Mã số: 8.14.01.11

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Dƣơng Xuân Quý

ĐÀ NẴNG – NĂM 2020

III

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Số thứ tự

Chữ viết tắt

Chữ đầy đủ

1

DH

Dạy học

2

GĐ

Giai đoạn

3

GQVD

Giải quyết vấn đề

4

GQVDTT

GQVDTT

5

GV

GV

6

HS

HS

7

NL

Năng lực

8

PPDH

Phương pháp dạy học

9

PTNL

PTNL

10

SGK

Sách giáo khoa

11

THPT

Trung học phổ thông

12

TNSP

Thực nghiệm sư phạm

IV

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................II DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ III DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... IX DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ .............................................................................. X MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài/ Tính cấp thiết của đề tài ............................................................1 2. Tổng quan vấn đề nghiên cứu/Lịch sử vấn đề nghiên cứu .....................................2 3. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................3 4. Giả thuyết khoa học ................................................................................................3 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................3 6. Nhiệm vụ nghiên cứu ..............................................................................................3 7. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................4 8. Dự kiến kết quả đạt được ........................................................................................4 9. Bố cục của luận văn/cấu trúc luận văn ....................................................................4 CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ DẠY HỌC STEM THEO HƢỚNG PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ THỰC TIỄN CHO HỌC SINH .....................................................................................................................5 1.1. Giáo dục STEM trong dạy học .........................................................................5 1.1.1. Khái niệm về dạy học STEM ........................................................................5 1.1.2. Mục tiêu của dạy học STEM ........................................................................6 1.1.3. Các kỹ năng của dạy học STEM ...................................................................7 1.1.4. Phân loại STEM (theo mức độ áp dụng) ......................................................8 1.1.5. Chủ đề giáo dục STEM...............................................................................10 1.2. Phát triển năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn trong dạy học STEM ........10 1.2.1. Khái niệm năng lực .....................................................................................10 1.2.2. Năng lực gải quyết vấn đề thực tiễn của học sinh trong dạy học vật lý .....11 1.3. Đặc điểm của học sinh có năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn ...................16 1.4. Thực trạng về việc dạy học STEM theo hƣớng phát trển năng lực thực tiễn cho HS.......................................................................................................................17 1.5. Qui trình tổ chức dạy học STEM theo định hƣớng phát triển năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn .............................................................................................17 1.5.1 Qui trình dạy học các môn khoa học theo phương thức giáo dục STEM ...17

V 1.5.2 Qui trình hướng dẫn học sinh thực hiện một dự án khoa học kỹ thuật theo phương thức giáo dục STEM ................................................................................19 1.6. Tiêu chí đánh giá năng lực giải quyết vấn để thực tiễn theo định hƣớng giáo dục STEM dƣới dạng nghiên cứu khoa học .................................................22 1.6.1 Tiêu chí đánh giá dự án khoa học, kĩ thuật: .................................................22 1.6.2. Rurbic đánh giá dự án khoa học kỹ thuật: ..................................................24 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ............................................................................................26 CHƢƠNG 2. TỔ CHỨC DẠY HỌC STEM “CHẾ TẠO MÁY BƠM NƢỚC ÍCH” TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 10 THEO HƢỚNG PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ THỰC TIỄN CỦA HỌC SINH .........................................28 2.1. Phân tích nội dung chƣơng “Cơ học chất lƣu” bài “Áp suất thủy tĩnh. Nguyên lý Pa-xcan” và bài “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí. Định luật Bec-nu-li” - Vật lí 10 NC dƣới góc độ STEM ......................................28 2.1.1. Mục tiêu bài “Áp suất thủy tĩnh. Nguyên lý Pa-xcan” và bài “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí. Định luật Bec-nu-li” - Vật lí 10 NC .........28 2.1.2. Cấu trúc nội dung bài “Áp suất thủy tĩnh. Nguyên lý Pa-xcan” và bài “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí. Định luật Bec-nu-li” Vật lí 10 NC ..31 2.1.3. Mối quan hệ giữa mục tiêu, chương trình, nội dung bài “Áp suất thủy tĩnh. Nguyên lý Pa-xcan” và bài “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí. Định luật Bec-nu-li” Vật lý 10 với mục tiêu, nội dung giáo dục STEM .......................34 2.2. Xây dựng quy trình hƣớng dẫn HS thực hiện dự án “Chế tạo máy bơm nƣớc tiện ích” ...........................................................................................................35 2.3. Tiến trình dạy học chế tạo máy bơm nƣớc tiện ích theo định hƣớng giáo dục STEM ................................................................................................................39 2.3.1. Hoạt động 1: Hình thành ý tưởng ...............................................................40 2.3.2. Hoạt động 2: Xác định vấn đề nghiên cứu .................................................40 2.3.3. Hoạt động 3: Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp ....................41 2.3.4. Hoạt động 4: Lựa chọn giải pháp ...............................................................42 2.3.5. Hoạt động 5: Chế tạo mẫu, thử nghiệm và đánh giá ..................................43 2.3.6. Hoạt động 6: Chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh ..............................................44 2.3.7. Hoạt động 7: Hoàn thiện sản phẩm và vận hành sản phẩm ........................44 2.4. Đánh giá năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn của học sinh trong dạy học qua trải nghiệm chủ đề “chế tạo máy bơm nƣớc tiện ích” ..................................45 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ............................................................................................50 CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM ..............................................................51 3.1. Mục đích và nhiệm vụ của thực nghiệm sƣ phạm.........................................51

VI 3.1.1. Mục đích của thực nghiệm sư phạm ...........................................................51 3.1.2. Nhiệm vụ của thực nghiệm sư phạm ..........................................................51 3.2. Đối tƣợng và thời gian của thực nghiệm sƣ phạm ........................................51 3.2.1. Đối tượng thực nghiệm sư phạm ................................................................51 3.2.2. Thời gian thực nghiệm sư phạm: ................................................................51 3.3. Phƣơng pháp thực nghiệm sƣ phạm ..............................................................51 3.3.1. Phát hiện nhóm HS năng lực GQVDTT .....................................................51 3.3.2. Phương pháp quan sát .................................................................................52 3.3.3. Phương pháp thống kê toán học .................................................................52 3.4. Phân tích diễn biến và đánh giá kết quả thực nghiệm sƣ phạm. .................52 3.4.1. Diễn biến và kết quả thu được ở hoạt động hình thành ý tưởng ................52 3.4.2. Diễn biến và kết quả thu được ở hoạt động xác định vấn đề nghiên cứu ...52 3.4.3. Diễn biến và kết quả thu được ở hoạt động nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp ........................................................................................................53 3.4.4. Diễn biến và kết quả thu được ở hoạt động lựa chọn giải pháp .................55 3.4.5. Diễn biến và kết quả thu được ở hoạt động chế tạo mẫu, thử nghiệm và đánh giá .................................................................................................................56 3.4.6. Diễn biến và kết quả thu được ở hoạt động chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh 58 3.4.7. Diễn biến và kết quả thu được ở hoạt động hoàn thiện sản phẩm và vận hành sản phẩm ......................................................................................................60 3.5. Phân tích định tính kết quả thực nghiệm sƣ phạm tại trƣờng THPT Ba Gia Tỉnh Quảng Ngãi ......................................................................................................65 3.5.1. Kết quả đạt được của các tiêu chí theo bảng Rurbic đánh giá ....................65 3.5.2. Kết quả đạt được theo tiêu chí đánh giá sản phẩm .....................................66 3.5.3. Bảng kiểm quan sát năng lực GQVDTT của HS trong dạy học qua trải nghiệm chủ đề “chế tạo máy bơm nước tiện ích” .................................................67 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ............................................................................................73 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................74 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................76 PHỤ LỤC ................................................................................................................. PL1

IX

DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1.1

1.2

Tên bảng Cấu trúc năng lực GQVDTT trong dạy học vật lí Các giai đoạn học tập trải nghiệm với việc phát triển NLGQVĐTT

Trang 11

15

1.3.

Tiêu chí đánh giá dự án khoa học, kỹ thuật

22

1.4

Rurbic đánh giá dự án khoa học kỹ thuật

24

2.1

Mục tiêu bài “Áp suất thủy tĩnh. Nguyên lý Pa-xcan”

28

2.2

2.3

2.4

3.1

3.2

3.3

Mục tiêu bài “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí. Định luật Bec-nu-li” Kiến thức STEM trong chủ đề “chế tạo máy bơm nước tiện ích” Rubric đánh giá năng lực GQVDTT trong dạy học chủ đề “chế tạo máy bơm nước tiện ích” Bảng kết quả đánh giá dự án Bảng kiểm quan sát năng lực GQVDTT của HS Đỗ Thành Ân lớp 10A3 – Trường THPT Ba Gia Bảng kiểm quan sát năng lực GQVDTT của HS Nguyễn Công Hậu lớp 10A3 – Trường THPT Ba Gia

30

34

45

66

67

70

X

DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ Số hiệu

Tên hình vẽ, sơ đồ

hình vẽ

Trang

1.1

Chu trình STEM (theo https://www.knowatom.com)

5

1.2

Sơ đồ tiến trình bài học STEM

18

3.1

Sơ đồ nguyên mẫu

53

3.2

Sơ đồ thiết kế giải pháp 1

54

3.3

Sơ đồ thiết kế giải pháp 2

55

3.4

Các vật liệu thiết kế máy bơm nước tiện ích

57

3.5

Sản phẩm lần 1 (theo nguyên mẫu)

57

3.6

Sản phẩm lần 02

58

3.7

Bình tự áp

59

3.8

Sản phẩm hoàn thiện giải pháp 1

60

3.9

Chế tạo mô tơ bơm nước DC12V

63

3.10

Các vật liệu cho thiết kế giải pháp 2

63

3.11

Sản phẩm hoàn thiện của giải pháp 2

64

1

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài/ Tính cấp thiết của đề tài Thực hiện Nghị quyết Trung ương 8 khóa XI và các chủ trương của Đảng, Nhà nước về định hướng chiến lược phát triển giáo dục – đào tạo trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Mục tiêu là giáo dục con người Việt Nam phát triển toàn diện và phát huy tốt nhất tiềm năng, khả năng sáng tạo của mỗi cá nhân; yêu gia đình, yêu Tổ quốc, yêu đồng bào; sống tốt và làm việc hiệu quả. Để đạt mục tiêu, cần xây dựng nền giáo dục mở, thực học, thực nghiệp, dạy tốt, học tốt, quản lý tốt; có cơ cấu và phương thức giáo dục hợp lý, gắn với xây dựng xã hội học tập; bảo đảm các điều kiện nâng cao chất lượng; chuẩn hóa, hiện đại hóa, dân chủ hóa, xã hội hóa và hội nhập quốc tế hệ thống giáo dục và đào tạo; giữ vững định hướng xã hội chủ nghĩa và bản sắc dân tộc. Phấn đấu đến năm 2030, nền giáo dục Việt Nam đạt trình độ tiên tiến trong khu vực. Hiện tại giáo dục ở các bậc học của nước ta còn rất hạn chế về phát triển tư duy khoa học và sáng tạo. Hiện mới chỉ chú trọng vào việc truyền đạt theo kiểu nhồi nhét kiến thức, khiến HS chỉ ghi nhớ kiến thức tạm thời để đi thi mà không có nhiều cơ hội để vận dụng kiến thức học được vào đời sống thường ngày. Việc bồi dưỡng năng lực của người học vận dụng những kiến thức học được để giải quyết những vấn đề mà công việc và cuộc sống đặt ra còn nhiều hạn chế từ đó dẫn đến giáo dục chưa tạo ra những con người năng động, biết phát hiện ra những vấn đề nảy sinh ra trong công việc chuyên môn hoặc trong đời sống hàng ngày, biết phân tích và giải quyết vấn đề để thúc đẩy công việc tốt lên. Hiện nay ở nước ta đang bước đầu nghiên cứu triển khai dạy học các môn Khoa học tự nhiên, trong đó có Vật lí theo định hướng giáo dục STEM, nhằm phát triển các năng lực đặc thù gắn với các yếu tố khoa học, công nghệ, kĩ thuật trên nền tảng toán học. Một trong những định hướng nghiên cứu của đề tài STEM là thiết kế một sản phẩm ứng dụng vào thực tế, dựa vào kiến thức được học ở trường phổ thông. Theo quan điểm này sẽ đáp ứng được vấn đề dạy học kiến thức vật lí gắn liền với phục vụ đời sống, từ đó tạo niềm hứng thú, đam mê và sáng tạo cho HS trong việc học tập và ứng dụng của bộ môn vật lý vào đời sống.

2 Dựa trên kinh nghiệm dạy học và lí luận dạy học STEM, chúng tôi chọn nghiên cứu thiết kế sản phẩm liên quan đến thực tế về việc sử dụng nước tưới tiêu cho đất nông nghiệp của người nông dân ở các xã khu Tây Huyện Sơn Tịnh, Tỉnh Quảng Ngãi. Hiện nay, ở các xã khu Tây Huyện Sơn Tịnh, Tỉnh Quảng Ngãi do đặc điểm của vị trí địa lý tự nhiên nên nhiều hộ gia đình có những vùng đất với diện tích nhỏ khoảng từ 50 – 150 m2 và ở trên cao nên không thể có nước để canh tác, vì diện tích nhỏ và xa khu dân cư nên nếu sử dụng máy chạy nước bằng nhiên liệu xăng dầu hoặc mô tơ chạy nước bằng năng lượng điện xoay chiều thì chi phí quá tốn kém so thu nhập từ canh tác nên rất nhiều gia đình bỏ hoang đất không canh tác hoặc trồng những loại cây trồng chủ yếu dựa vào nguồn nước trời dẫn đến hiệu quả kinh tế không cao. Từ những lí do trên, chúng tôi quyết định chọn nghiên cứu đề tài: “DẠY HỌC CHỦ ĐỀ STEM “CHẾ TẠO MÁY BƠM NƢỚC TIỆN ÍCH” TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ 10” 2. Tổng quan vấn đề nghiên cứu/Lịch sử vấn đề nghiên cứu Hiện đã có một số luận văn cao học nghiên cứu về dạy học STEM theo quan điểm tích hợp: Luận văn của Đỗ Thị Thanh Hải (2018) với đề tài: Tổ chức hoạt động dạy học STEM về dòng điện xoay chiều (Vật lý 12) nhằm định hướng PTNL giải quyết vấn đề cho HS Luận văn của Hồ Thị Thùy Dung (2018) với đề tài: Tổ chức dạy học chủ đề tích hợp STEM “Máy phát điện” ở trường trung học phổ thông. Luận văn của Thái Duy Vũ (2018) với đề tài: Tổ chức dạy học chủ đề tích hợp STEM “Khoa học về những cây cầu” ở trường trung học phổ thông Các tác giả xây dựng một chủ đề tích hợp ở các mức độ rộng: Dạy học các môn khoa học theo phương thức giáo dục STEM và tổ chức các hoạt động trải nghiệm STEM Nghiên cứu của chúng tôi hướng đến việc dạy học theo định hướng này chủ yếu gắn với việc sử dụng các kiến thức khoa học của các môn STEM, trong đó trọng tâm kiến thức Vật lí, kết hợp với kiến thức Công nghệ, Kĩ thuật và gắn với thực tiễn địa phương mà các em HS đang sinh sống. Nghiên cứu này hướng tới tổ chức hoạt động

3 nghiên cứu khoa học, kĩ thuật cho HS trung học phổ thông là mức độ cao của giáo dục theo STEM. 3. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng được chủ để STEM “Chế tạo máy bơm nước tiện ích” để sử dụng trong dạy học một số kiến thức chương “Cơ học chất lưu”- Vật lí lớp 10 nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn của học sinh. 4. Giả thuyết khoa học Nếu thiết kế được chủ đề STEM và xây dựng kế hoạch tổ chức dạy học, trong đó HS học tập nghiên cứu kiến thức nền để từ đó thực hiện giải pháp kĩ thuật - công nghệ chế tạo máy bơm nước tiện ích nhằm hỗ trợ người nông dân trong việc tưới tiêu thì sẽ phát triển được năng lực GQVDTT của HS. 5. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Việc phát triển năng lực GQVDTT của đối tượng HS có năng lực nghiên cứu khoa học kỹ thuật trong hoạt động dạy học ở trường THPT theo định hướng giáo dục STEM - Việc dạy học bài 41 “Áp suất thủy tỉnh. Nguyên lý Pa-xcan” và Bài 42 “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí. Định luật Bec-nu-li” thuộc chương V “Cơ học chất lưu” - Vật lí 10 NC tại trường THPT Ba Gia, huyện Sơn Tịnh, tỉnh Quảng Ngãi 6. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lí luận về dạy học định hướng giáo dục STEM trong dạy học Vật lí. - Nghiên cứu cơ sở lí luận về dạy học PTNL GQVDTT. - Tìm hiểu thực tiễn về dạy học vật lí, về dạy học theo định hướng STEM ở trường phổ thông hiện nay - Xây dựng chủ đề và cách thức tổ chức dạy học chủ đề thiết kế máy bơm nước tiện ích. - Tìm hiểu các giải pháp, tạo mẫu thiết bị thử kiểm tra tính ứng dựng thực tiễn của thiết bị máy bơm nước tiện ích nhằm hỗ trợ người nông dân trong việc tưới tiêu. - Tiến hành thực nghiệm sư phạm để đánh giá tính khả thi của kế hoạch đã xây dựng.

4 7. Phƣơng pháp nghiên cứu 7.1. Các phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết - Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết - Phương pháp phân loại và hệ thống hoá lý thuyết - Phương pháp mô hình hóa - Phương pháp giả thuyết (phương pháp đề xuất và kiểm chứng giả thuyết) 7.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu thực tiễn - Phương pháp quan sát - Phương pháp thực nghiệm sư phạm 7.3. Các phƣơng pháp toán học trong nghiên cứu 8. Dự kiến kết quả đạt đƣợc Thiết kế thành công thiết bị “máy bơm nước tiện ích” nhằm hỗ trợ người nông dân trong việc tưới tiêu. 9. Bố cục của luận văn/cấu trúc luận văn - Mở đầu - Nội dung + Chương 1: Cơ sở lí luận và thực tễn về dạy học Stem theo hướng PTNL GQVDTT cho HS + Chương 2: Tổ chức dạy học Stem “Chế tạo máy bơm nước tiện ích” trong dạy học vật lý 10 theo hướng PTNL GQVDTT của HS + Chương 3: Thực nghiệm sư phạm - Kết luận

5

CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ DẠY HỌC STEM THEO HƢỚNG PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ THỰC TIỄN CHO HỌC SINH 1.1. Giáo dục STEM trong dạy học 1.1.1. Khái niệm về dạy học STEM Theo tài liệu [4], STEM là thuật ngữ viết tắt của các từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật) và Mathematics (Toán học), thường được sử dụng khi bàn đến các chính sách phát triển về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học của mỗi quốc gia. Sự phát triển về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học được mô tả bởi chu trình STEM (Hình 1.1), trong đó Science là quy trình sáng tạo ra kiến thức khoa học; Engineering là quy trình sử dụng kiến thức khoa học để thiết kế công nghệ mới nhằm giải quyết các vấn đề; Toán là công cụ được sử dụng để thu nhận kết quả và chia sẻ kết quả đó với những người khác.

(Kỹ sư: Giải quyết vấn đề)

Math

Knowledge

Scientists: answer questions

Technology

(Nhà khoa học: Trả lời câu hỏi)

Engineers: Solve problems

Science

Engineering

Hình 1.1. Chu trình STEM (theo https://www.knowatom.com) “Science” trong chu trình STEM được mô tả bởi một mũi tên từ “Technology” sang “Knowledge” thể hiện quy trình sáng tạo khoa học. Đứng trước thực tiễn với "Công nghệ" hiện tại, các nhà khoa học, với năng lực tư duy phản biện, luôn đặt ra những câu hỏi/vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện công nghệ, đó là các câu hỏi/vấn đề khoa học. Trả lời các câu hỏi khoa học hoặc giải quyết các vấn đề khoa học

6 sẽ phát minh ra các "Kiến thức" khoa học. Ngược lại, “Engineering” trong chu trình STEM được mô tả bởi một mũi tên từ “Knowledge” sang “Technology” thể hiện quy trình kĩ thuật. Các kĩ sư sử dụng "Kiến thức" khoa học để thiết kế, sáng tạo ra công nghệ mới. Như vậy, trong chu trình STEM, "Science" được hiểu không chỉ là "Kiến thức" thuộc các môn khoa học (như Vật lí, Hoá học, Sinh học) mà bao hàm "Quy trình khoa học" để phát minh ra kiến thức khoa học mới. Tương tự như vậy, "Engineering" trong chu STEM không chỉ là "Kiến thức" thuộc lĩnh vực "Kĩ thuật" mà bao hàm"Quy trình kĩ thuật" để sáng tạo ra "Công nghệ" mới. Hai quy trình nói trên tiếp nối nhau, khép kín thành chu trình sáng tạo khoa học – kĩ thuật theo mô hình "xoáy ốc" mà cứ sau mỗi chu trình thì lượng kiến thức khoa học tăng lên và cùng với nó là công nghệ phát triển ở trình độ cao hơn. 1.1.2. Mục tiêu của dạy học STEM Việc đưa giáo dục STEM vào trường trung học mang lại nhiều ý nghĩa, phù hợp với định hướng đổi mới giáo dục phổ thông [4], [7], [8] . Cụ thể là: – Đảm bảo giáo dục toàn diện: Triển khai giáo dục STEM ở nhà trường, bên cạnh các môn học đang được quan tâm như Toán, Khoa học, các lĩnh vực Công nghệ, Kỹ thuật cũng sẽ được quan tâm, đầu tư trên tất cả các phương diện về đội ngũ GV, chương trình, cơ sở vật chất. – Nâng cao hứng thú học tập các môn học STEM: Các dự án học tập trong giáo dục STEM hướng tới việc vận dụng kiến thức liên môn để giải quyết các vấn đề thực tiễn, HS được hoạt động, trải nghiệm và thấy được ý nghĩa của tri thức với cuộc sống, nhờ đó sẽ nâng cao hứng thú học tập của HS. – Hình thành và PTNL, phẩm chất cho HS: Khi triển khai các dự án học tập STEM, HS hợp tác với nhau, chủ động và tự lực thực hiện các nhiệm vụ học; được làm quen hoạt động có tính chất nghiên cứu khoa học. Các hoạt động nêu trên góp phần tích cực vào hình thành và phát triển phẩm chất, năng lực cho HS. – Kết nối trường học với cộng đồng: Để đảm bảo triển khai hiệu quả giáo dục STEM, cơ sở giáo dục phổ thông thường kết nối với các cơ sở giáo dục nghề nghiệp, đại học tại địa phương nhằm khai thác nguồn lực về con người, cơ sở vật chất triển khai hoạt động giáo dục STEM. Bên cạnh đó, giáo dục STEM phổ thông cũng hướng tới giải quyết các vấn đề có tính đặc thù của địa phương.

7 – Hướng nghiệp, phân luồng: Tổ chức tốt giáo dục STEM ở trường trung học, HS sẽ được trải nghiệm trong các lĩnh vực STEM, đánh giá được sự phù hợp, năng khiếu, sở thích của bản thân với nghề nghiệp thuộc lĩnh vực STEM. Thực hiện tốt giáo dục STEM ở trường trung học cũng là cách thức thu hút HS theo học, lựa chọn các ngành nghề thuộc lĩnh vực STEM, các ngành nghề có nhu cầu cao về nguồn nhân lực trong cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. 1.1.3. Các kỹ năng của dạy học STEM Giáo dục STEM không phải là để HS trở thành những nhà toán học, nhà khoa học, kỹ sư hay những kỹ thuật viên mà là phát triển cho HS các kỹ năng có thể được sử dụng để làm việc và phát triển trong thế giới công nghệ hiện đại ngày nay [18]. Kỹ năng khoa học: là khả năng liên kết các khái niệm, nguyên lý, định luật và các cơ sở lý thuyết của giáo dục khoa học để thực hành và sử dụng kiến thức này để giải quyết các vấn đề trong thực tế. Kỹ năng công nghệ: Là khả năng sử dụng, quản lý, hiểu biết, và truy cập được công nghệ. Công nghệ là từ những vật dụng hằng ngày đơn giản nhất như quạt mo, bút chì đến những hệ thống sử dụng phức tạp như mạng internet, mạng lưới điện quốc gia, vệ tinh… Tất cả những thay đổi của thế giới tự nhiên mà phục vụ nhu cầu của con người thì được coi là công nghệ. Kỹ năng kỹ thuật: Là khả năng GQVDTT diễn ra trong cuộc sống bằng cách thiết kế các đối tượng, hệ thống và xây dựng các quy trình sản xuất để tạo ra đối tượng. Hiểu một cách đơn giản, HS được trang bị kỹ năng kỹ thuật là có khả năng sản xuất ra đối tượng và hiểu được quy trình để làm ra nó. HS phải có khả năng phân tích, tổng hợp và kết hợp để biết cách làm thế nào cân bằng các yếu tố liên quan (như khoa học, nghệ thuật, công nghệ, kỹ thuật) để có được một giải pháp tốt nhất trong thiết kế và xây dựng quy trình. Ngoài ra, HS còn có khả năng nhìn nhận ra nhu cầu và phản ứng của xã hội trong những vấn đề liên quan đến kỹ thuật. Kỹ năng toán học: Là khả năng nhìn nhận và nắm bắt được vai trò của toán học trong mọi khía cạnh tồn tại trên thế giới. HS có kỹ năng toán học sẽ có khả năng thể hiện các ý tưởng một cách chính xác, áp dụng các khái niệm và kĩ năng toán học vào cuộc sống hằng ngày.

8 Ngoài những kỹ năng về khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học, giáo dục STEM còn cung cấp cho HS những kỹ năng cần thiết giúp HS phát triển tốt trong thế kỷ 21 như: kỹ năng giải quyết vấn đề, tư duy phản biện, kỹ năng cộng tác, kỹ năng giao tiếp… Kỹ năng giải quyết vấn đề là kỹ năng rất cần cho HS trong thế kỷ 21, thế kỷ mà số lượng các công việc có tính chất sáng tạo và không lặp đi lặp lại tăng mạnh, đòi hỏi người lao động phải chủ động trang bị năng lực giải quyết vấn đề. Tư duy phản biện được hiểu là một quá trình tư duy và phân tích thông tin theo một hướng khác của một vấn đề để từ đó làm sáng tỏ và khẳng định lại vấn đề. Đây thực sự là một cách tiếp cận tốt trong giáo dục mà vốn từ xưa tới nay, HS tiếp nhận thông tin, kiến thức từ GV một cách thụ động. Tư duy phản biện sẽ giúp HS hiểu vấn đề sâu hơn, hình thành lối suy nghĩ logic và kỹ năng xử lý thông tin tốt hơn. Kỹ năng cộng tác và giao tiếp cũng là các kỹ năng vô cùng quan trọng để phát triển trong thế kỷ 21 bởi các công việc ngày càng đòi hỏi sự chia sẻ, giao tiếp và các kỹ năng này sẽ khiến vấn đề được giải quyết một cách nhanh chóng, trôi chảy và mang lại hiệu quả cao. 1.1.4. Phân loại STEM (theo mức độ áp dụng) Phỏng theo chu trình STEM, giáo dục STEM đặt HS trước những vấn đề thực tiễn ("công nghệ" hiện tại) cần giải quyết, đòi hỏi HS phải tìm tòi, chiếm lĩnh kiến thức khoa học và vận dụng kiến thức để thiết kế và thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề ("công nghệ" mới). Như vậy, mỗi bài học STEM sẽ đề cập và giao cho HS giải quyết một vấn đề tương đối trọn vẹn, đòi hỏi HS phải huy động kiến thức đã có và tìm tòi, chiếm lĩnh kiến thức mới để sử dụng. Quá trình đó đòi hỏi HS phải thực hiện theo "Quy trình khoa học" (để chiếm lĩnh kiến thức mới) và "Quy trình kĩ thuật" để sử dụng kiến thức đó vào việc thiết kế và thực hiện giải pháp ("công nghệ" mới) để giải quyết vấn đề. Đây chính là sự tiếp cận liên môn trong giáo dục STEM, dù cho kiến thức mới mà HS cần phải học để sử dụng trong một bài học STEM cụ thể có thể chỉ thuộc một môn học [4]. Như vậy, giáo dục STEM là một phương thức giáo dục nhằm trang bị cho HS những kiến thức khoa học gắn liền với ứng dụng của chúng trong thực tiễn, qua đó phát triển cho HS năng lực phát hiện và giải quyết vấn đề cùng với những năng lực

9 khác tương ứng, đáp ứng được yêu cầu của sự phát triển kinh tế – xã hội. Các mức độ áp dụng giáo dục STEM trong giáo dục phổ thông như sau: a. Dạy học các môn khoa học theo phương thức giáo dục STEM Đây là hình thức tổ chức giáo dục STEM chủ yếu trong nhà trường. Theo cách này, các bài học, hoạt động giáo dục STEM được triển khai ngay trong quá trình dạy học các môn học STEM theo tiếp cận liên môn. Các chủ đề, bài học, hoạt động STEM bám sát chương trình của các môn học thành phần. Hình thức giáo dục STEM này không làm phát sinh thêm thời gian học tập. b. Tổ chức các hoạt động trải nghiệm STEM Trong hoạt động trải nghiệm STEM, HS được khám phá các thí nghiệm, ứng dụng khoa học, kỹ thuật trong thực tiễn đời sống. Qua đó, nhận biết được ý nghĩa của khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học đối với đời sống con người, nâng cao hứng thú học tập các môn học STEM. Đây cũng là cách thức để thu hút sự quan tâm của xã hội tới giáo dục STEM. Để tổ chức thành công các hoạt động trải nghiệm STEM, cần có sự tham gia, hợp tác của các bên liên quan như trường trung học, cơ sở giáo dục nghề nghiệp, các trường đại học, doanh nghiệp. Trải nghiệm STEM còn có thể được thực hiện thông qua sự hợp tác giữa trường trung học với các cơ sở giáo dục đại học, giáo dục nghề nghiệp. Theo cách này, sẽ kết hợp được thực tiễn phổ thông với ưu thế về cơ sở vật chất của giáo dục đại học và giáo dục nghề nghiệp. Các trường trung học có thể triển khai giáo dục STEM thông qua hình thức câu lạc bộ. Tham gia câu lạc bộ STEM, HS được học tập nâng cao trình độ, triển khai các dự án nghiên cứu, tìm hiểu các ngành nghề thuộc lĩnh vực STEM. Đây là hoạt động theo sở thích, năng khiếu của HS. c. Tổ chức hoạt động nghiên cứu khoa học, kĩ thuật Giáo dục STEM có thể được triển khai thông qua hoạt động nghiên cứu khoa học và tổ chức các cuộc thi sáng tạo khoa học kỹ thuật. Hoạt động này không mang tính đại trà mà dành cho những HS có năng lực, sở thích và hứng thú với các hoạt động tìm tòi, khám phá khoa học, kỹ thuật giải quyết các vấn đề thực tiễn.

10 Tổ chức tốt hoạt động câu lạc bộ STEM cũng là tiền đề phát triển hoạt động sáng tạo khoa học kỹ thuật và triển khai các dự án nghiên cứu trong khuôn khổ cuộc thi khoa học kỹ thuật dành cho HS trung học. Bên cạnh đó, tham gia câu lạc bộ STEM và nghiên cứu khoa học, kĩ thuật là cơ hội để HS thấy được sự phù hợp về năng lực, sở thích, giá trị của bản thân với nghề nghiệp thuộc lĩnh vực STEM. 1.1.5. Chủ đề giáo dục STEM Chủ đề giáo dục STEM trong trường trung học là chủ đề được thiết kế dựa trên vấn đề thực tiễn kết hợp với chuẩn kiến thức, kỹ năng của các môn khoa học trong chương trình phổ thông. Trong quá trình dạy học, GV tổ chức cho HS làm việc nhóm, sử dụng công nghệ truyền thống và hiện đại, công cụ toán học để tạo ra sản phẩm có tính ứng dụng thực tế, phát triển kỹ năng và tư duy của HS. Chủ đề STEM cần đảm bảo các tiêu chí: GQVDTT, kiến thức trong chủ đề thuộc lĩnh vực STEM, định hướng hoạt động – thực hành, làm việc nhóm. Cụ thể [7]: - Chủ đề dạy học STEM hướng tới các vấn đề trong thực tiễn - Các kiến thức trong lĩnh vực STEM để giải quyết vấn đề - Chủ đề dạy học STEM định hướng hoạt động - thực hành - HS làm việc nhóm để thực hiện chủ đề STEM 1.2. Phát triển năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn trong dạy học STEM 1.2.1. Khái niệm năng lực Theo tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế Thế giới OECD thì: “Năng lực là khả năng đáp ứng một cách hiệu quả những yêu cầu phức hợp trong một bối cảnh cụ thể” hay trong tài liệu tập huấn thí điểm phát triển chương trình giáo dục phổ thông của Bộ giáo dục và Đào tạo cho rằng: “Năng lực là sự huy động tổng hợp các kiến thức, kĩ năng và các thuộc tính cá nhân khác như hứng thú, niềm tin, ý chí... để thực hiện một loạt công việc trong bối cảnh nhất định”. Các quan điểm của các tác giả đưa ra đều có chung nhận định là: Năng lực là khả năng cá nhân trong việc tổng hợp kiến thức, kĩ năng, thái độ để thực hiện thành công một nhiệm vụ nào đó trong một bối cảnh xác định, năng lực không phải là một thuộc tính đơn nhất mà nó là khả năng kết hợp linh hoạt các kiến thức, kĩ năng với thái độ, tình cảm, giá trị và động cơ cá nhân. Đặc trưng của năng lực của mỗi HS được hình thành bộc lộ qua các hành động. Chính vì thế mỗi HS năng lực được hình thành sẽ có sự khác biệt nhất định phụ thuộc

11 vào nội dung chương trình, hình thức dạy học, phương pháp dạy học... Năng lực được hình thành thông qua các hoạt động nên trong quá trình dạy học để PTNL của HS thì việc xây dựng các hoạt động học là vô cùng cần thiết. 1.2.2. Năng lực gải quyết vấn đề thực tiễn của học sinh trong dạy học vật lý 1.2.2.1. Khái niệm năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn Theo các tài liệu [2], [3], [11] chúng tôi sử dụng khái niệm: “Năng lực GQVDTT là khả năng kết hợp một cách linh hoạt và có tổ chức kiến thức, kĩ năng với thái độ, tình cảm, giá trị, động cơ cá nhân...nhằm đáp ứng hiệu quả một yêu cầu phức hợp của hoạt động trong bối cảnh nhất định”. Cũng theo các tài liệu đó “Năng lực GQVDTT thông qua: Phát hiện/ xác định rõ vấn đề cần giải quyết, Thực hiện giải pháp, đánh giá cách làm của mình, khám phá các giải pháp mới” Dựa trên cấu trúc 3 thành phần của năng lực GQVDTT, dựa trên đặc điểm dạy học của môn Vật lí, chúng tôi cụ thể hóa các thành tố năng lực với các chỉ số hành vi và mức độ biểu hiện trong dạy học vật lí như trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Cấu trúc năng lực GQVDTT trong dạy học vật lí Năng

Các mức độ tƣơng ứng với các chỉ số hành vi

lực

Thành tố

thành

năng lực

Chỉ số hành vi

Mức 1

Mức 2

Mức 3

Mức 4

phần Xác Phát được

định Mô tả được các Chỉ mô tả Ngôn ngữ Mô tả gần Mô tả đầy khó sự kiện vật lí bằng ngôn mô tả lộn đầy đủ các đủ, chính

hiện/ khăn, mâu trong tình huống ngữ xác

đời xộn

sự

thuẫn trong và khó khăn đặt sống

bằng ngôn kiện

định rõ các sự kiện ra

ngữ Vật lí

vấn đề thực tiễn

Trình bày được Không

cần giải

đặc điểm, biểu trình

quyết

hiện của vấn đề.

được

Trình bày Trình bày Tự bày lộn không

gắn với

các

thực

điểm

tiễn

kiện xác các sự

xộn, gần đủ các bày đủ đặc điểm đặc đạt Diễn

đủ

trình đẩy các

đặc điểm

Mô tả được Diễn đạt được các Mô

tả, Diễn

đạt Diễn

các dữ kiện đặc điểm, biểu diễn

đạt còn thiếu, tương đối đầy

đạt đủ,

12 và đặt ra hiện, sự kiện … tùy câu hỏi/bài theo toán

ngôn

lẫn đầy

tiện, nhầm

đủ chuẩn xác

ngữ không theo nhiều các bằng ngôn bằng ngôn

ứng khoa học.

các

ngôn thuật ngữ ngữ

với vấn đề

ngữ

khoa khoa học

cần

học

giải

khoa ngữ khoa

học

học

quyết theo Phát biểu được Nêu được Phát biểu Phát biểu Phát biểu ngôn vật lí

ngữ vấn đề cần giải khó

khăn được

quyết theo ngôn nhưng ngữ khoa học.

đề

nhưng đề

không phát còn

hiện

về

đạt hỏi

dài bài toán,

đề

dòng,

lộn nhiệm vụ

xộn.

hợp lí

định Xác

định Phân

rõ ý hỏi

con không xác các nhiệm sơ bộ kế công được nhưng hoạch thực nhân

về thời gian thực cách thức, không kế hoạch

trí

bố hiện về con lên nhân người,

ra

thời thời

gian lực Thu thập và sắp Chưa

chọn

pháp pháp

giải liên quan đến vấn xếp đề

kế

và

gian thời gian

thực hiện

Chọn, sắp Chọn được Chọn, sắp

hiện đề xuất và xếp các thông tin chọn, sắp xếp giải

sự,

về hoạch vật

lực và đưa vật lực và lực

Thực Năng

hay

biểu rõ vấn khăn, chưa còn

người, về vật lực, định được vụ

hiện

vấn rõ vấn đề

nhưng bằng câu

khó diễn

Đề ra kế Xác định được kế Lúng túng, Xác hoạch thực hoạch

vấn được

được gần

được một

thông tin

đủ ếp hợp lí

số thông tin

thông tin

và

đủ

thông tin cho

việc

giải quyết Đề

xuất

(các) Không

rõ Các

Các

Chọn được

phương án giải phương án phương án phương án các quyết

còn chung còn chung

Đánh giá tính khả Không

dòng

dài phương án hợp lí

Chưa biết Chọn được Chọn và lí

13 thi của phương án chọn đưa

ra.

ra đánh

Chọn được

giá phương án giải được

tính khả thi nhưng hưa tính tối ưu

phương án tối ưu phương án của tối ưu

chỉ rõ tính của

phương án tối ưu

phương

chọn

án

dựa

trên thực tiễn Xây

kế Chưa đề ra Kế

dựng

hoạch và thống được nhất kế hoạch

kế dài

hoạch Rõ

dòng, dung thực vụ

chưa

hoạch

nội Rõ nhiệm

rõ hiện nhưng hiện

nhiệm vụ

trật thời gian

tự

thời hoàn

Thực hiện Phân công nhiệm Làm

việc Làm

việc Có

giải

tiện, còn

lúng gắng

đã nêu

hiện

giải

pháp chưa ra kết túng,

theo kế hoạch

quả,

cố Tự làm

lực việc

cần nhưng vẫn và

đạt kết

ra kết quả, trợ mới đạt quả,

sản

sản phẩm Rút ra kết quả của Không nêu Nêu rõ

thành

sản hỗ trợ để cần sự hỗ được

phẩm

giải pháp đã đưa

và

chưa

gian

pháp vụ, tiến hành thực tùy

thực

kết quả

ra Nêu

được được

một được

phẩm. ra Nêu

rõ

một được các

kết quả cụ số

biểu số kết quả kết

thể nào

của nhưng còn nghiên

hiện kết quả

chưa

quả

đầy cứu

đủ Đánh Đánh giá

giải

giá Đánh

giá

cách Không đưa Đưa ra ý Bước đầu Đưa ra ý

pháp làm của mình và ra được ý kiến

cách đưa ra kết đề xuất những cải kiến làm của mình,

luận

bình có những ý kiến đánh

cho luận không kiến

tiến mong muốn. việc làm

phù hợp

bình giá

xác

luận, đánh đáng cho giá

cho kết

giải pháp

quả,

sản phẩm

14 hoạt động

khám phá các

Khám

phá

các Không đưa Nhận

giải

giải pháp mới mà ra được ý nhược

pháp

có thể thực hiện có ý nghĩa điểm

mới,

được

vấn đề mới

và

điều kiến gì

kết

ra Nhận ra và Đề có những ý được của kiến quả, tiến,

chỉnh hành động

sản phẩm đổi

của mình

đã

cải những thay giải pháp giải hợp lí để

thực pháp

thay

đổi

tương đối cách thức

hiện

phù hợp

thực hiện

ra Nêu được Nêu

ra

những vấn tượng thực tế với nhận ra sự một vài sự đa số sự đầy

đủ

đề mới

sự

Phát

hiện Liên hệ được hiện Không

xuất

Nhận

kiến thức vật lí có liên hệ của tương ứng tương liên quan.

kiến

thức giữa

với thực tế quả, phẩm

kết giữa sản quả với học

thực tiễn

tự các

kết kiện, yếu toán tố cơ bản với giữa

thực tiễn

sản

phẩm với thực tiễn

Đưa

ra Đưa

vấn đề mới từ kết thấy được được

được

Nhận ra những Không

ra Xác

được vấn

quả, sản phẩm đã vấn đề gì

những

thực hiện

kiến nhưng đề mới từ diễn diễn

lập

ý những vấn đề mới và đạt kết

lòng vòng

đạt

quả, được gọn,

sản phẩm

đủ và dễ hiểu

Bảng này với các biểu hiện cụ thể về chỉ số hành vi và các mức độ tương ứng với các chỉ số hành vi này sẽ dùng để định hướng việc xây dựng các hoạt động dạy học ở chương 2, đồng thời đánh giá sự phát triển các thành tố năng lực GQVDTT của HS trong thực nghiệm sư phạm ở chương 3.

15 1.2.2.2. Phát triển năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn qua dạy học theo phương thức STEM Dựa trên cấu trúc của NLGQVĐTT và các giai đoạn học tập của HS qua các hoạt động theo phương thức STEM, có thể thấy được các cơ hội PTNL của HS như bảng 1.2. Bảng 1.2. Các giai đoạn học tập trải nghiệm với việc phát triển NLGQVĐTT HOẠT ĐỘNG

NĂNG LỰC GQVDTT

HỌC TẬP STEM GĐ 1: Tiếp nhận nhiệm

Phát hiện/ xác định rõ vấn đề cần giải quyết gắn với

vụ thực tiễn lên kế

thực tiễn:

hoạch thực hiện

1.

Xác định được khó khăn, mâu thuẫn trong bối

cảnh thực tiễn tương ứng với kiến thức, kĩ năng, sản phẩm cần tìm hiểu, xây dựng 2.

Xác định vấn đề nghiên cứu

3.

Thống nhất kế hoạch thực hiện.

GĐ 2: Nghiên cứu kiến

Thực hiện giải pháp:

thức nền và xây dựng

4.

giải pháp thực hiện

quan đến vấn đề cần giải quyết

nhiệm vụ

5.

GĐ 3. Báo cáo trình bày

kiến thức lí thuyết đã xác định tương ứng với vấn đề đặt

bảo vệ và chỉnh sửa giải

ra

pháp được lựa chọn

6. Thực hiện các suy luận lô-gic và các hoạt động thực

Thu thập và sắp xếp các kiến thức, kĩ năng liên Đề xuất (các) phương án giải quyết phù hợp với

nghiệm để xác nhận kiến thức thu được GĐ 4: Xây dựng các sản

7. Xây dựng kế hoạch và thống nhất kế hoạch thực hiện

phẩm bao gồm hệ thống

các nghiên cứu ứng dụng của kiến thức

kiến thức và các ứng

8. Phân công nhiệm vụ, tiến hành thực hiện giải pháp

dụng.

chế tạo, xây dựng sản phẩm theo kế hoạch 9. Vận hành thử nghiệm và điều chỉnh.

GĐ 5: Trình bày, báo cáo,

giới

thiệu

Đánh giá cách làm của mình, khám phá các giải pháp

sản

mới, vấn đề mới:

phẩm; đánh giá và điều

10.

Trình bày, giới thiệu sản phẩm để có sự đánh giá,

chỉnh

trao đổi từ nhiều phía

16 11.

Chia sẻ, thảo luận các ý kiến với bản trình bày, với

sản phẩm đã xây dựng 12.

Thực hiện và đưa ra đánh giá của cá nhân và của

nhóm để kết hợp với đánh giá của GV 13. Ghi nhận các ý kiến đóng góp để lên kế hoạch điều chỉnh 14.

Thực hiện các điều chỉnh.

1.3. Đặc điểm của học sinh có năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn Trong dạy học việc phát hiện các HS có năng lực GQVDTT rất cần thiết, dựa vào các đặc điểm và biểu hiện của HS sẽ giúp GV phát hiện được các HS có năng lực GQVDTT để từ đó tiếp tục bồi dưỡng nhằm phát huy khả năng của HS đó, cụ thể các biểu hiện đó là [7]: - Tự phát hiện vấn đề mới, tình huống mới từ những tình huống liên quan đến kỹ thuật - Nghiên cứu tổng quan các giải pháp kỹ thuật có sẵn, sau đó đưa ra những bình luận, lật đi lật lại vấn đề, trao đổi, chất vấn với các HS, với GV, với chuyên gia, … Từ đó đề xuất giải pháp kỹ thuật mới, tối ưu trên cơ sở kế thừa các giải pháp kỹ thuật đã có. - Tự đề xuất được giải pháp kỹ thuật phù hợp đem lại hiệu quả cao mà không tham khảo các giải pháp đã có - Tự truyền tải tri thức và kỹ năng từ lĩnh vực quen thuộc sang tình huống mới, vận dụng những kiến thức đã học trong điều kiện mới, hoàn cảnh mới - Nhìn thấy cấu trúc kỹ thuật, chức năng, bản chất của đối tượng kỹ thuật. Thực chất là bao quát nhanh chóng, đôi khi tức khắc, các bộ phận kỹ thuật, các yếu tố bản chất của đối tượng kỹ thuật trong mối tương quan giữa chúng. - Đề xuất mô hình giả thuyết, đưa ra phương án thực nghiệm để kiểm tra giả thuyết với hiệu quả cao nhất có thể có được trong những điều kiện đã cho - Tự thiết kế sơ đồ nguyên lý, bản vẽ kỹ thuật thể hiện cấu tạo, chức năng của đối tượng kỹ thuật đang nghiên cứu

17 1.4. Thực trạng về việc dạy học STEM theo hƣớng phát trển năng lực thực tiễn cho HS Năm 2012, giáo dục STEM bắt đầu xuất hiện từ các cơ sở giáo dục tư nhân ở Việt Nam. Tới nay, giáo dục STEM đã được nhắc tới nhiều nhưng chưa được triển khai diện rộng do nhiều vấn đề, trong đó có 4 lí do [22]: - HS/sinh viên vẫn còn tâm lý học để lấy điểm, lấy bằng; thường xuyên không tìm kiếm và tự nghiên cứu tài liệu liên quan đến môn học. - Thiếu cơ sở khoa học và khung lí luận của giáo dục STEM nói chung, dạy học môn công nghệ theo định hướng giáo dục STEM nói riêng (cơ sở vật chất, hành trang cho giảng viên và sinh viên). - Phương pháp luận xây dựng chủ đề giáo dục STEM cũng như tiêu chí về một chủ đề giáo dục STEM, cấu trúc của nhiệm vụ STEM chưa được thống nhất. - GV/giảng viên chưa được đầu tư cho hoạt động giảng dạy đúng mức, có nhiều người thờ ơ với hoạt động giảng dạy này bởi đây là phương pháp đòi hỏi thời gian, công sức và chất xám cho mỗi tiết học lớn hơn giảng dạy trong trường học. Tại Tỉnh Quảng Ngãi việc áp dụng dạy học STEM theo định hướng PTNL giải quyết vấn đề đang được áp dụng thí điểm ở một số trường THPT trên địa bàn Tỉnh vẫn chưa mang tính đại trà. Trong những năm gần đây Sở GD – ĐT Quảng Ngãi phát động Cuộc thi sáng tạo khoa học kỹ thuật nên ở một trường phổ thông đã có những quan tâm nhất định trong việc phát hiện, bồi dưỡng nhóm HS có năng lực GQVDTT để tham dự cuộc thi, tuy nhiên việc tham gia hướng dẫn cho HS thực hiện một dự án Khoa học kỹ thuật của một bộ phận GV còn gặp phải nhiều khó khăn, nguyên nhân do chưa nắm được qui trình hướng dẫn cho HS thực hiện một đề tài nghiên cứu khoa học. 1.5. Qui trình tổ chức dạy học STEM theo định hƣớng phát triển năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn 1.5.1 Qui trình dạy học các môn khoa học theo phƣơng thức giáo dục STEM

18

Xác định vấn đề Nghiên cứu kiến thức nền Toán

Lý

Hóa

Sinh

Tin

CN

Đề xuất các giải pháp Lựa chọn giải pháp Thiết kế mô hình (nguyên mẫu) Thử nghiệm và đánh giá Chia sẻ và thảo luận Điều chỉnh thiết kế Hình 1.2. Sơ đồ tiến trình bài học STEM Mỗi bài học STEM trong chương trình giáo dục phổ thông đề cập đến một vấn đề tương đối trọn vẹn, đòi hỏi HS phải học và sử dụng kiến thức thuộc các môn học trong chương trình để sử dụng vào giải quyết vấn đề đó. Tiến trình mỗi bài học STEM được thực hiện phỏng theo quy trình kĩ thuật (Hình 2), trong đó việc "Nghiên cứu kiến thức nền" (background research) trong tiến trình dạy học mỗi bài học STEM chính là việc học để chiếm lĩnh nội dung kiến thức trong chương trình giáo dục phổ thông tương ứng với vấn đề cần giải quyết trong bài học, trong đó HS là người chủ động nghiên cứu sách giáo khoa, tài liệu bổ trợ, tiến hành các thí nghiệm theo chương trình học (nếu có) dưới sự hướng dẫn của GV; vận dụng kiến thức đã học để đề xuất, lựa chọn giải pháp giải quyết vấn đề; thực hành thiết kế, chế tạo, thử nghiệm mẫu; chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh thiết kế. Thông qua quá trình học tập đó, HS được rèn luyện nhiều kĩ năng để phát triển phẩm chất, năng lực [4].

19 Tiến trình bài học STEM tuân theo quy trình kĩ thuật nêu trên nhưng các "bước" trong quy trình không được thực hiện một cách tuyến tính (hết bước nọ mới sang bước kia) mà có những bước được thực hiện song hành, tương hỗ lẫn nhau. Cụ thể là việc "Nghiên cứu kiến thức nền" được thực hiện đồng thời với "Đề xuất giải pháp"; "Chế tạo mô hình" được thực hiện đồng thời với "Thử nghiệm và đánh giá", trong đó bước này vừa là mục tiêu vừa là điều kiện để thực hiện bước kia [4]. 1.5.2 Qui trình hƣớng dẫn học sinh thực hiện một dự án khoa học kỹ thuật theo phƣơng thức giáo dục STEM - Trên cơ sở các bài học STEM cho tất cả HS nêu trên, trong quá trình thực hiện sẽ có một số HS có sở trường, hứng thú, cần được khuyến khích và tạo điều kiện để tiếp tục mở rộng, đi sâu. Nhà trường cần có những hình thức tổ chức phù hợp tạo môi trường để các HS này được phát huy năng lực, sở trường của mình; cũng từ đó phát hiện và hướng dẫn những HS say mê nghiên cứu thực hiện các dự án khoa học, kĩ thuật để tham gia Cuộc thi khoa học kĩ thuật dành cho HS trung học. Đây là mức độ cao của giáo dục STEM trong giáo dục phổ thông [4]. - Qui trình hướng dẫn: * Hoạt động 1: Hình thành ý tƣởng Để hình thành được ý tưởng nghiên cứu trong HS, trước hết trong quá trình giảng dạy bộ môn ở một số đơn vị kiến thức GV cần cung cấp cho HS một số vấn đề như: + Ứng dụng của kiến thức đã học trong thực tiễn cuộc sống + Thành tựu khoa học của các kiến thức đã học (như các thiết bị máy móc trong cuộc sống, các đề tài nghiên cứu khoa học, …) … Từ những vấn đề trên GV, yêu cầu HS tự xây dựng và tìm hiểu ý tưởng nghiên cứu * Hoạt động 2: Xác định vấn đề Trong hoạt động này, GV giao cho HS nhiệm vụ học tập chứa đựng vấn đề, trong đó HS phải hoàn thành một sản phẩm học tập cụ thể với các tiêu chí đòi hỏi HS phải sử dụng kiến thức mới trong bài học để đề xuất, xây dựng giải pháp và thiết kế nguyên mẫu của sản phẩm cần hoàn thành. Tiêu chí của sản phẩm là yêu cầu hết sức quan trọng, bởi đó chính là "tính mới" của sản phẩm, kể cả sản phẩm đó là quen thuộc với

20 HS; đồng thời, tiêu chí đó buộc HS phải nắm vững kiến thức mới thiết kế và giải thích được thiết kế cho sản phẩm cần làm. – Mục đích: Xác định tiêu chí sản phẩm; phát hiện vấn đề/nhu cầu. – Nội dung: Tìm hiểu về hiện tượng, sản phẩm, công nghệ; đánh giá về hiện tượng, sản phẩm, công nghệ... – Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Các mức độ hoàn thành nội dung (Ghi chép thông tin về hiện tượng, sản phẩm, công nghệ; đánh giá, đặt câu hỏi về hiện tượng, sản phẩm, công nghệ). – Kỹ thuật tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ (nội dung, phương tiện, cách thực hiện, yêu cầu sản phẩm phải hoàn thành); HS thực hiện nhiệm vụ (qua thực tế, tài liệu, video; cá nhân hoặc nhóm); Báo cáo, thảo luận (thời gian, địa điểm, cách thức); Phát hiện/phát biểu vấn đề (GV hỗ trợ). * Hoạt động 3: Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp Trong hoạt động này, HS thực hiện hoạt động học tích cực, tự lực dưới sự hướng dẫn của GV. Trong nghiên cứu khoa học sẽ không còn các "tiết học" thông thường mà ở đó GV "giảng dạy" kiến thức mới cho HS. Thay vào đó, HS phải tự tìm tòi, chiếm lĩnh kiến thức để sử dụng vào việc đề xuất, thiết kế sản phẩm cần hoàn thành. Nếu kiến thức mới đó trong điều kiện của HS không thể chiếm lĩnh được thì GV hướng dẫn sẽ cung cấp cho HS kiến thức nền – Mục đích: Hình thành kiến thức mới và đề xuất giải pháp. – Nội dung: Nghiên cứu nội dung sách giáo khoa, tài liệu, thí nghiệm để tiếp nhận, hình thành kiến thức mới và đề xuất giải pháp/thiết kế hoặc dưới sự hướng dẫn của GV – Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Các mức độ hoàn thành nội dung (Xác định và ghi được thông tin, dữ liệu, giải thích, kiến thức mới, giải pháp/thiết kế). – Cách thức tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ (Nêu rõ yêu cầu đọc/nghe/nhìn/làm để xác định và ghi được thông tin, dữ liệu, giải thích, kiến thức mới); HS nghiên cứu sách giáo khoa, tài liệu, làm thí nghiệm (cá nhân, nhóm); Báo cáo, thảo luận; GV điều hành, “chốt” kiến thức mới + hỗ trợ HS đề xuất giải pháp/thiết kế mẫu thử nghiệm.

21 * Hoạt động 4: Lựa chọn giải pháp Trong hoạt động này, HS được tổ chức để trình bày, giải thích và bảo vệ bản thiết kế kèm theo thuyết minh (sử dụng kiến thức mới học và kiến thức đã có); đó là sự thể hiện cụ thể của giải pháp giải quyết vấn đề. Dưới sự trao đổi, góp ý của các bạn và GV, HS tiếp tục hoàn thiện (có thể phải thay đổi để bảo đảm khả thi) bản thiết kế trước khi tiến hành chế tạo, thử nghiệm. – Mục đích: Lựa chọn giải pháp/bản thiết kế. – Nội dung: Trình bày, giải thích, bảo vệ giải pháp/thiết kế để lựa chọn và hoàn thiện. – Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Giải pháp/bản thiết kế được lựa chọn/hoàn thiện. – Cách thức tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ (Nêu rõ yêu cầu HS trình bày, báo cáo, giải thích, bảo vệ giải pháp/thiết kế); HS báo cáo, thảo luận; GV điều hành, nhận xét, đánh giá + hỗ trợ HS lựa chọn giải pháp/thiết kế mẫu thử nghiệm. * Hoạt động 5: Chế tạo mẫu, thử nghiệm và đánh giá Trong hoạt động này, HS tiến hành chế tạo mẫu theo bản thiết kế đã hoàn thiện sau bước 4; trong quá trình chế tạo đồng thời phải tiến hành thử nghiệm và đánh giá. Trong quá trình này, HS cũng có thể phải điều chỉnh thiết kế ban đầu để bảo đảm mẫu chế tạo là khả thi. – Mục đích: Chế tạo và thử nghiệm mẫu thiết kế. – Nội dung: Lựa chọn dụng cụ/thiết bị thí nghiệm; chế tạo mẫu theo thiết kế; thử nghiệm và điều chỉnh. – Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Dụng cụ/thiết bị/mô hình/đồ vật…đã chế tạo và thử nghiệm, đánh giá. – Cách thức tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ (lựa chọn dụng cụ/thiết bị thí nghiệm để chế tạp, lắp ráp…); HS thực hành chế tạo, lắp ráp và thử nghiệm; GV hỗ trợ HS trong quá trình thực hiện. * Hoạt động 6: Chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh Trong hoạt động này, HS được tổ chức để trình bày sản phẩm học tập đã hoàn thành; trao đổi, thảo luận, đánh giá để tiếp tục điều chỉnh, hoàn thiện. – Mục đích: Trình bày, chia sẻ, đánh giá sản phẩm nghiên cứu.

22 – Nội dung: Trình bày và thảo luận. – Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Dụng cụ/thiết bị/mô hình/đồ vật... Đã chế tạo được + Bài trình bày báo cáo. – Cách thức tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ (mô tả rõ yêu cầu và sản phẩm trình bày); HS báo cáo, thảo luận (bài báo cáo, trình chiếu, video, dung cụ/thiết bị/mô hình/đồ vật đã chế tạo…) theo các hình thức phù hợp (trưng bày, triển lãm, sân khấu hóa); GV đánh giá, kết luận và định hướng tiếp tục hoàn thiện. * Hoạt động 7: Hoàn thiện sản phẩm và vận hành sản phẩm Trên cơ sở bước 6, HS sẽ điều chỉnh sản phẩm nghiên cứu sao cho đúng với tiêu chí đã đề ra và vận hành thực nghiệm sản phẩm – Mục đích: Đánh giá sản phẩm và hoàn thiện sản phẩm nghiên cứu. – Nội dung: Thảo luận và điều chỉnh sản phẩm. – Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Hình ảnh/video vận hành sản phẩm + Bài báo cáo đánh giá sản phẩm. – Cách thức tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ (mô tả rõ cần điều chỉnh); HS báo cáo, thảo luận (bài báo cáo, trình chiếu, video, dung cụ/thiết bị/mô hình/đồ vật đã chế tạo…) theo các hình thức phù hợp (trưng bày, triển lãm, sân khấu hóa); GV đánh giá, kết luận. 1.6. Tiêu chí đánh giá năng lực giải quyết vấn để thực tiễn theo định hƣớng giáo dục STEM dƣới dạng nghiên cứu khoa học 1.6.1 Tiêu chí đánh giá dự án khoa học, kĩ thuật: Theo tài liệu [4], tiêu chí đánh giá một dự án khoa học, kỹ thuật Bảng 1.3. Tiêu chí đánh giá dự án khoa học, kỹ thuật Dự án khoa học

Dự án kĩ thuật

1. Câu hỏi nghiên cứu (10 điểm)

1. Vấn đề nghiên cứu (10 điểm)

– Mục tiêu tập trung và rõ ràng;

– Mô tả sự đòi hỏi thực tế hoặc vấn đề cần

– Xác định được sự đóng góp vào lĩnh giải quyết; vực nghiên cứu;

– Xác định các tiêu chí cho giải pháp đề

– Có thể đánh giá được bằng các xuất; phương pháp khoa học.

– Lí giải về sự cấp thiết;

23 2. Thiết kế và phương pháp (15 điểm)

2. Thiết kế và phương pháp (15 điểm)

– Kế hoạch được thiết kế và các – Sự tìm tòi các phương án khác nhau để phương pháp thu thập dữ liệu tốt;

đáp ứng nhu cầu hoặc giải quyết vấn đề;

– Các tham số, thông số và biến số phù – Xác định giải pháp; hợp và hoàn chỉnh.

– Phát triển nguyên mẫu/mô hình.

3. Thực hiện: thu thập, phân tích và

3. Thực hiện: Xây dựng và kiểm tra (20

giải thích dữ liệu (20 điểm)

điểm)

– Thu thập và phân tích dữ liệu một – Nguyên mẫu chứng minh được thiết kế cách hệ thống;

dự kiến;

– Tính có thể lặp lại của kết quả;

– Nguyên mẫu được kiểm tra trong nhiều

– Áp dụng các phương pháp toán học điều kiện/thử nghiệm. và thống kê phù hợp;

– Nguyên mẫu chứng minh được kĩ năng

– Dữ liệu thu thập đủ hỗ trợ cho giải công nghệ và sự hoàn chỉnh. thích và các kết luận. 4. Sự sáng tạo (20 điểm) Dự án chứng minh tính sáng tạo đáng kể trong một hay nhiều tiêu chí ở trên. 5. Tr nh bày (35 điểm) a) Áp phích (Poster) (10 điểm) – Sự bố trí lôgic của vật/tài liệu; – Sự rõ ràng của các đồ thị và chú thích; – Sự hỗ trợ của các tài liệu trưng bày. b) Phỏng vấn (25 điểm) – Trả lời rõ ràng, súc tích, sâu sắc các câu hỏi; – Hiểu biết cơ sở khoa học liên quan đến dự án; – Hiểu biết về sự giải thích và hạn chế của các kết quả và các kết luận; – Mức độ độc lập trong thực hiện dự án; – Sự thừa nhận khả năng tác động tiềm tàng về khoa học, xã hội và/hoặc kinh tế; – Chất lượng của các ý tưởng cho nghiên cứu tiếp theo; – Đối với các dự án tập thể, sự đóng góp và hiểu biết về dự án của tất cả các thành viên.

24 1.6.2. Rurbic đánh giá dự án khoa học kỹ thuật: Bảng 1.4. Rurbic đánh giá dự án khoa học kỹ thuật Đánh giá

Nội dung

Rất tốt

Tốt

- Mục tiêu cụ thể -

hỏi

Chƣa đạt hỏi

-

cứu

gắng xác định

- Xác định được sự một số vấn đề

không thể trả

câu hỏi nghiên

đóng góp vào lĩnh nhỏ về sự cụ

lời được hoặc

cứu.

vực nghiên cứu;

không

nghiên cứu có

và rõ ràng;

Câu hỏi

Câu

Đạt

thể và rõ ràng.

nghiên cứu - Có thể đánh giá -

Câu

nghiên

hợp với thí

các nghiên

cứu

nghiệm thực

phương pháp khoa không

thể

tế

bằng

học.

đánh giá được

đã

Không

cố

phù

hỏi

được

Câu

-

thực

hiện.

đầy đủ.

Thiết kế và phƣơng pháp

- Kế hoạch được

- Phương pháp

- Phương pháp

- Thí nghiệm

thiết kế với các

có một số sai

không

không

phương pháp thu

sót nhỏ nhưng

hợp nhưng đã

hực

thập dữ liệu tốt;

đã có sự cố

có sự cố gắng

(chứng

minh

- Các biến và đối

gắng để đối

để đối chứng

hoặc

trưng

chứng được xác

chứng và so

và so sánh.

bày).

định, phù hợp và

sánh.

phù

đượct hiện

- Không có

hoàn chỉnh.

nhóm

đối

chứng. Thực hiện: thu thập, phân tích và giải thích dữ liệu

- Thu thập và

- Có một số

- Có một số

- Không báo

phân tích dữ liệu

lỗi và sai sót

lỗi và sai sót

cáo

một

nhỏ trong các

chính trong

về các kĩ

thống;

kĩ thuật.

các kĩ thuật.

thuật.

- Tính có thể lặp

- Hầu hết các

- Ít chú ý đến

- Không chính

lại của kết quả;

phép

sự chính xác

xác và rõ ràng

- Áp dụng các

chính xác và

và rõ ràng.

trong các phép

phương

rõ ràng.

cách

hệ

pháp

đo

đo.

25 toán

học

và

thống

kê

phù

hợp; - Dữ

liệu thu

thập đủ hỗ trợ cho giải thích và các kết luận.

Tính sáng tạo

- Dự

án chứng

- Dự án chứng - Dự án chứng

- Dự án thiếu

minh

được

ý

minh được ý minh được một

sáng tạo: thí

nghĩa sáng tạo và

nghĩa sáng tạo vài tính sáng

nghiệm được

độc đáo trong hai

trong

một tạo, một bước

sao chép hoàn

hoặc nhiều hơn

trong số các nhảy mới trên

toàn từ nguồn

trong số các

tiêu chí trên.

tiêu chí trên.

thí nghiệm cũ.

đã công bố.

26

KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 Các năng lực mà con người cần có để đáp ứng được những đòi hỏi của sự phát triển khoa học – công nghệ trong cuộc cách mạng 4.0 cũng chính là những năng lực cần hình thành và phát triển cho HS và đã được mô tả trong Chương trình giáo dục phổ thông mới. Để thực hiện được mục tiêu PTNL đó cho HS, trong quá trình dạy học cần phải tổ chức hoạt động dạy học phỏng theo chu trình STEM. Nghĩa là HS được hoạt động theo hướng “trải nghiệm” việc phát hiện và giải quyết vấn đề (sáng tạo khoa học kĩ thuật) trong quá trình học tập kiến thức khoa học gắn liền với ứng dụng của chúng trong thực tiễn. Để thực hiện được mục tiêu PTNL đó cho HS, trong quá trình dạy học, cần phải tổ chức hoạt động dạy học phỏng theo chu trình STEM. Nghĩa là HS được hoạt động theo hướng “trải nghiệm” việc phát hiện và giải quyết vấn đề (sáng tạo khoa học kĩ thuật) trong quá trình học tập kiến thức khoa học gắn liền với ứng dụng của chúng trong thực tiễn. Giáo dục STEM là phương thức giáo dục tích hợp, trong đó HS được thực hiện các hoạt động chính sau: Thứ nhất, hoạt động tìm hiểu thực tiễn, phát hiện vấn đề: Trong các bài học STEM, HS được đặt trước các nhiệm vụ thực tiễn, như giải quyết một tình huống, hoặc tìm hiểu, cải tiến một ứng dụng kĩ thuật nào đó. Thực hiện nhiệm vụ này, HS cần phải thu thập được thông tin, phân tích được tình huống, giải thích được ứng dụng kĩ thuật, từ đó xuất hiện các câu hỏi hoặc xác định được vấn đề cần giải quyết. Thứ 2, hoạt động nghiên cứu kiến thức nền: Từ những câu hỏi hoặc vấn đề cần giải quyết, HS được yêu cầu/hướng dẫn tìm tòi, nghiên cứu để tiếp nhận kiến thức, kĩ năng cần sử dụng cho việc trả lời câu hỏi hay giải quyết vấn đề. Đó là những kiến thức, kĩ năng đã biết hay cần dạy cho HS trong chương trình giáo dục phổ thông. Hoạt động này bao gồm: Nghiên cứu tài liệu khoa học (bao gồm sách giáo khoa); quan sát/thực hiện các thí nghiệm, thực hành; giải các bài tập/tình huống có liên quan để nắm vững kiến thức, kĩ năng. Thứ 3, hoạt động giải quyết vấn đề: Về bản chất, hoạt động giải quyết vấn đề là hoạt động sáng tạo khoa học, kĩ thuật, nhờ đó giúp cho HS hình thành và phát triển các phẩm chất, năng lực cần thiết thông qua việc đề xuất và kiểm chứng các giả thuyết

27 khoa học hoặc đề xuất và thử nghiệm các giải pháp kĩ thuật. Tương ứng với đó, có 2 loại sản phẩm là “kiến thức mới” (dự án khoa học) và “công nghệ mới” (dự án kĩ thuật). - Đối với hoạt động sáng tạo khoa học, kết quả nghiên cứu là những đề xuất mang tính lý thuyết được rút ra từ các số liệu thu được trong thí nghiệm kiểm chứng giả thuyết khoa học. - Đối với hoạt động sáng tạo kĩ thuật: Kết quả nghiên cứu là sản phẩm mang tính ứng dụng thể hiện giải pháp công nghệ mới được thử nghiệm thành công. Ví dụ: Dụng cụ, thiết bị mới, giải pháp kĩ thuật mới… Xuất phát từ thực tế hiện nay, việc GV hướng dẫn cho HS thực hiện một dự án nghiên cứu khoa học kỹ thuật còn gặp nhiều lúng túng, không nắm được qui trình hướng dẫn cho HS thực hiện nghiên cứu, dẫn đến trong quá trình thực hiện nghiên cứu chủ yếu HS thực hiện theo phương pháp thử “đúng – sai”, thực hiện “ngược qui trình”. Tóm lại: Việc xây dựng một quy trình để hướng dẫn HS thực hiện một dự án khoa học kỹ thuật trong giai đoạn hiện là thực sự cần thiết, nó đáp ứng được yêu cầu đổi mới của ngành giáo dục hiện nay trong việc phát triển các phẩm chất và năng lực HS, đặc biệt là năng lực GQVDTT.

28

CHƢƠNG 2. TỔ CHỨC DẠY HỌC STEM “CHẾ TẠO MÁY BƠM NƢỚC ÍCH” TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 10 THEO HƢỚNG PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ THỰC TIỄN CỦA HỌC SINH 2.1. Phân tích nội dung chƣơng “Cơ học chất lƣu” bài “Áp suất thủy tĩnh. Nguyên lý Pa-xcan” và bài “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí. Định luật Bec-nu-li” - Vật lí 10 NC dƣới góc độ STEM 2.1.1. Mục tiêu bài “Áp suất thủy tĩnh. Nguyên lý Pa-xcan” và bài “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí. Định luật Bec-nu-li” - Vật lí 10 NC a. Mục tiêu bài “Áp suất thủy tĩnh. Nguyên lý Pa-xcan” Bảng 2.1. Mục tiêu bài “Áp suất thủy tĩnh. Nguyên lý Pa-xcan” Chuẩn kiến thức, kỹ STT

năng quy định trong chƣơng trình

1

Mức độ thể hiện cụ thể của chuẩn kiến thức, kỹ năng

Nêu được áp suất thủy [Thông hiểu]

Ghi chú

Trong hệ SI,

tĩnh là gì và các đặc điểm  Tổng áp suất của khí quyển và đơn của áp suất này.

vị

áp

2 áp suất gây ra bởi chất lỏng tại suất là N/m ,

một điểm trong chất lỏng tĩnh gọi còng gọi là là áp suất thủy tĩnh (hay áp suất paxcan (Pa). tĩnh) tại điểm đó. p = pa + gh trong đó pa là áp suất khí quyển ở mặt thoáng, h là độ sâu của điểm đang xét so với mặt thoáng, g là gia tốc trọng trường.  Đặc điểm : - Áp suất thủy tĩnh tại một điểm phụ thuộc vào áp suất khí quyển, khối lượng riêng của chất lỏng và độ sâu của điểm đang xét.

29 - Áp suất trên cùng một mặt nằm ngang trong lòng chất lỏng là như nhau ở tất cả các điểm. 2

Phát biểu và viết được hệ [Thông hiểu] thức của nguyên lí Pa- Nguyên lí Pa-xcan : Độ tăng áp xcan.

suất lên chất lỏng chứa trong bình kín được truyền nguyên vẹn cho mọi điểm của chất lỏng và cho thành bình. p = png + gh trong đó: png là áp suất ngoài tác dụng lên bề mặt chất lỏng,  là khối lượng riêng của chất lỏng, h là độ sâu của điểm đang xét.

3

Vận dụng nguyên lí Pa- [Vận dụng] xcan để giải thích được Nguyên lí hoạt động của máy nén nguyên lí hoạt động của thủy lực dựa trên định luật Pamáy nén thủy lực.

xcan. Áp suất do pittông ở xi-lanh nhỏ gây nên được truyền nguyên vẹn đến mọi điểm trong lòng chất lỏng và trên thành bình. Áp suất này gây ra áp lực lớn lên pittông thứ hai có diện tích lớn hơn pittông nhỏ.

30 b. Mục tiêu bài “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí. Định luật Bec-nu-li” Bảng 2.2. Mục tiêu bài “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí. Định luật Bec-nu-li” Chuẩn kiến thức, kỹ STT

năng quy định trong chƣơng trình

1

Mức độ thể hiện cụ thể của chuẩn kiến thức, kỹ năng

Nêu được chất lỏng lí [Thông hiểu]

Ghi chú

Khi chất lỏng

tưởng là gì, ống dòng là  Chất lỏng lí tưởng là chất lỏng chảy ổn định, gì. Nêu được mối quan hệ chảy thành dòng và không nén mỗi phần tử giữa tốc độ dòng chất lỏng được. và tiết diện của ống dòng.

của chất lỏng

 Ống dòng là một phần của chất chuyển động lỏng chuyển động, có mặt biên tạo theo đường bởi các đường dòng.

một nhất

 Trong mỗi ống dòng, tốc độ của định gọi là chất lỏng tỉ lệ nghịch với diện tích đường dòng, của ống dòng.

các

đường

v1 S 2  v 2 S1

dòng

không

trong đó, v1 là vận tốc của phần tử chất lỏng ở nơi ống dòng có tiết diện S1; v2 là vận tốc của phần tử chất lỏng ở nơi ống dòng có tiết diện S2. Đại lượng A = v1S1 = v2S2 có giá trị như nhau ở mọi điểm trong ống dòng và được gọi là lưu lượng chất lỏng. Khi chảy ổn định, lưu lượng của chất lỏng trong một ống dòng là không đổi. Trong hệ SI, lưu lượng được tính bằng m3/s.

giao nhau.

31 2

Phát biểu được định luật [Thông hiểu]

Tổng áp suất

Béc-nu-li và viết được hệ Định luật Béc-nu-li: Trong ống tĩnh thức của định luật này.

áp

dòng nằm ngang, tổng áp suất tĩnh suất động tại và áp suất động tại một điểm bất một kì là một hằng số. p+

1 2 ρv = hằng số 2

trong đó, p là áp suất tĩnh,  là khối lượng riêng của chất lỏng, v là vận tốc của chất lỏng tại điểm

trên

gọi là áp suất động.

điểm đường

dòng gọi là áp suất toàn phần. Chỗ nào vận tốc chất lỏng

1 đang xét. Đại lượng ρv 2 được lớn, 2

3

và

thì

áp

suất tĩnh nhỏ.

Vận dụng được định luật [Vận dụng] Béc-nu-li để giải một số Biết tính áp suất tĩnh, áp suất bài tập đơn giản.

động và các đại lượng trong hệ thức của định luật Bec-nu-li.

2.1.2. Cấu trúc nội dung bài “Áp suất thủy tĩnh. Nguyên lý Pa-xcan” và bài “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí. Định luật Bec-nu-li” Vật lí 10 NC 2.1.2.1. Cấu trúc nội dung bài “Áp suất thủy tĩnh. Nguyên lý Pa-xcan” Nội dung kiến thức cơ bản trong sách giáo khoa vật lý 10 nâng cao a. Áp suất của chất lỏng. Chất lỏng luôn tạo lực nén lên mọi vật trong nó. Áp suất tại vị trí khảo sát bằng với lực nén lên một đơn vị diện tích đặt tại đó. Biểu thức: p 

F , với F: lực nén lên diện tích S S

- Tại mọi điểm của chất lỏng, áp suất theo mọi phương là như nhau. - Áp suất ở độ sâu khác nhau thì khác nhau. Đơn vị : trong hệ SI là Pa (hay N/m2) 1Pa = 1N/m2 Ngoài ra còn có các đơn vị khác như:

32 1atm = 1,013.105 Pa 1torr = 1mmHg = 1,33 Pa 1atm = 760mmHg b. Sự thay đổi theo độ sâu. Áp suất thủy tĩnh. Áp suất thủy tĩnh (áp suất tĩnh) của chất lỏng ở độ sâu h Biểu thức: p = pa + gh Trong đó: - p là áp suất thủy tĩnh hay áp suất tĩnh của chất lỏng. - h là độ sâu so với mặt thoáng. - pa là áp suất khí quyển c. Nguyên lí Pascal. Phát biểu: Độ tăng áp suất lên một chất lỏng chứa trong bình kín được truyền nguyên vẹn cho mọi điểm của chất lỏng và thành bình. Biểu thức: p = png + gh png là áp suất từ bên ngoài nén lên mặt chất lỏng. d. Máy nén thủy lực - Nguyên lý Pascal được áp dụng trong việc chế tạo các máy nén thủy lực, máy nâng, phanh (thắng) thủy lực. - Công thức:

F2 S 2  F1 S1

Trong đó: + F1: Lực tác dụng lên pittông ở tiết diện S1. + F2: Lực tác dụng lên pittông ở tiết diện S2. Kết luận: Ta có thể dùng một lực nhỏ để tạo thành một lực lớn hơn. 2.1.2.2. Cấu trúc nội dung bài “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí. Định luật Bec-nu-li” Nội dung kiến thức cơ bản trong sách giáo khoa vật lý 10 nâng cao a. Chuyển động của chất lỏng lí tƣởng - Chất lỏng thỏa mãn điều kiện chảy thành dòng (chảy ổn định, không cuộn xoáy) và không nén được gọi là chất lỏng lí tưởng. - Khi chât lỏng chảy thành dòng thì vận tốc dòng chảy là nhỏ.

33 - Chất khí cũng có thể chảy thành dòng như chất lỏng và khi đó có thể áp dụng các tính chất, các kết quả của chất lỏng. b. Đƣờng dòng và ống dòng - Khi chất lỏng chảy ổn định, mỗi phần tử của chất lỏng chuyển động theo một đường nhất định không giao nhau, gọi là đường dòng. Vận tốc của phần tử chất lỏng tại mỗi điểm xác định trên đường dòng có phương tiếp tuyến với đường dòng và có độ lớn không đổi. - Ống dòng là một phần của chất lỏng chuyển động có mặt biên tạo bởi các đường dòng. Trong ống dòng, vận tốc chảy càng lớn thì các đường dòng càng sát nhau. c. Hệ thức giữa tốc độ và tiết diện trong một ống dòng. Lƣu lƣợng chất lỏng - Phát biểu: Trong một ống dòng, tốc độ của chất lỏng tỉ lệ nghịch với tiết diện của ống. - Hệ thức:

v1 S 2  v 2 S1

Trong đó: v1, v2 là vận tốc chất lỏng trong ống dòng tiết diện S1, S2. - Lưu lượng của chất lỏng: v1.S1 = v2.S2 = A. - Khi chảy ổn định, lưu lượng chất lỏng trong một ống dòng là không đổi. - Đơn vị của lưu lượng trong hệ SI : m3/s d. Định luật Bec-nu-li cho ống dòng nằm ngang. - Phát biểu:Trong một ống dòng nằm ngang, tổng áp suất tĩnh và áp suất động tại mọi điểm bất kì luôn là hằng số. 1 2

- Biểu thức: p   .v 2  const Trong đó: + p : là áp suất tĩnh. +

1  v 2 : áp suất động. 2

Như vậy, trong ống dòng, ở nơi có vận tốc lớn (tiết diện nhỏ) thì áp suất tĩnh nhỏ; nơi có vận tốc nhỏ thì áp suất tĩnh lớn.

34 2.1.3. Mối quan hệ giữa mục tiêu, chƣơng trình, nội dung bài “Áp suất thủy tĩnh. Nguyên lý Pa-xcan” và bài “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí. Định luật Bec-nu-li” Vật lý 10 với mục tiêu, nội dung giáo dục STEM Giáo dục STEM trong trường trung học là quan điểm dạy học định hướng PTNL HS thuộc các lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật và Toán học. 2.1.3.1. Kiến thức STEM trong chủ đề Bảng 2.3. Kiến thức STEM trong chủ đề “chế tạo máy bơm nƣớc tiện ích” Sản phẩm Khoa học (S) Công nghệ (T) Kỹ thuật (E) Toán học (M) Chế tạo - Biết được nguyên Ống nhựa, van - Bản vẽ sơ đồ - Đo đạt, tính toán máy bơm tắc hoạt động của một chiều, tay nguyên

mẫu kính

nước tiện việc hút nước và đưa quay, cánh quạt, của thiết bị ích

nước lên cao

các

loại

pittông,

chất lỏng

hành

bánh - Thiết kế, lắp trình pit-tông

- Tính được áp suất răng, dây xích, rắp hệ thống thủy tĩnh của cột mô

thước

tơ

chiều, áp kế.

một biến động

Tính

chuyển truyền

hệ

số

chuyển

quay động

- Mối quan hệ giữa

sang

tốc độ dòng chảy với

động tịnh tiến suất của động cơ

tiết diện ngang của

của pit-tông

ống

- Thiết kế, lắp

- Biết được nguyên

rắp hệ thống

tắc

tích áp để đưa

biến

chuyển

chuyển - Tính được hiệu

động quay tròn sang

nước lên cao

chuyển động tịnh

- Quy trình lắp

tiến

ráp thiết bị

2.1.3.2. Mục tiêu kiến thức của chủ đề a. Kiến thức: - Nêu được áp suất thủy tĩnh là gì và các đặc điểm của áp suất này. - Phát biểu và viết được hệ thức của nguyên lí Pa-xcan. - Nêu được mối quan hệ giữa tốc độ dòng chất lỏng và tiết diện của ống dòng. - Phát biểu được định luật Béc-nu-li và viết được hệ thức của định luật này.

35 b. Kỹ năng: - Thiết kế bản vẽ, sơ đồ nguyên mẫu của thiết bị - Thuyết minh được ý tưởng thiết kế và cách thức thiết kế - Gia công, chế tạo các bộ phận của thiết bị như bình tích áp, hệ thống pittông – xilanh. - Lắp ráp các bộ phận chi tiết theo đúng bản vẽ - Vận hành, thử nghiệm thiết bị - Thảo luận, đánh giá sản phẩm thử nghiệm, điều chỉnh sản phẩm và hoàn thiện sản phẩm - Làm việc nhóm, thuyết trình, lắng nghe, phản biện, bảo vệ chứng kiến c. Thái độ: - Hòa nhã, hợp tác làm việc nhóm - Tích cực, trung thực, cần cù và tỉ mỉ khi gia công, chế tạo sản phẩm - Yêu thích, đam mê trong nghiên cứu khoa học - Luôn có tinh thần cầu thị, lắng nghe 2.2. Xây dựng quy trình hƣớng dẫn HS thực hiện dự án “Chế tạo máy bơm nƣớc tiện ích” * Hoạt động 1: Hình thành ý tƣởng – Mục đích: Hình thành ý tưởng nghiên cứu khoa học cho HS – Nội dung: Tìm hiểu các vấn đề trong thực tiễn cuộc sống – Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Các ý tưởng nghiên cứu của các nhóm HS – Kỹ thuật tổ chức hoạt động: + GV giao nhiệm vụ (nội dung, phương tiện, cách thực hiện) + HS thực hiện nhiệm vụ (qua thực tế, tài liệu, video; cá nhân hoặc nhóm) + Báo cáo, thảo luận (thời gian, địa điểm, cách thức) + GV hỗ trợ lựa chọn ý tưởng * Hoạt động 2: Xác định vấn đề nghiên cứu – Mục đích: GV cần yêu cầu nhóm HS làm nghiên cứu, tìm hiểu:

36 + Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: HS tìm hiểu về các loại máy bơm nước hiện nay trên thị trường, các công trình nghiên cứu khoa học đã được công bố liên quan đến chế tạo máy bơm nước + Xác định tiêu chí sản phẩm: Yêu cầu HS xác định tiêu chí của sản phẩm “Máy bơm nước tiện tích”  Tính mới của sản phẩm  Tính tiện ích của sản phẩm  Kích thước sản phẩm  Giá thành sản phẩm – Nội dung: Tìm hiểu trên mạng Internet, thảo luận các tiêu chí của sản phẩm – Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Các mức độ hoàn thành nội dung cần hoàn thành + Ghi chép thông tin về tổng quan vấn đề nghiên cứu + Xác định được tiêu chí của sản phẩm – Kỹ thuật tổ chức hoạt động: + GV giao nhiệm vụ (nội dung, phương tiện, cách thực hiện, yêu cầu sản phẩm phải hoàn thành) + HS thực hiện nhiệm vụ (qua thực tế, tài liệu, video; cá nhân hoặc nhóm) + Báo cáo, thảo luận (thời gian, địa điểm, cách thức) + Phát hiện/phát biểu vấn đề (GV hỗ trợ). * Hoạt động 3: Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp Trong hoạt động này, HS thực hiện hoạt động học tích cực, tự lực dưới sự hướng dẫn của GV. Trong nghiên cứu khoa học sẽ không còn các "tiết học" thông thường mà ở đó GV "giảng dạy" kiến thức mới cho HS. Thay vào đó, HS phải tự tìm tòi, chiếm lĩnh kiến thức để sử dụng vào việc đề xuất, thiết kế sản phẩm cần hoàn thành. Nếu kiến thức mới đó trong điều kiện của HS không thể chiếm lĩnh được thì GV hướng dẫn sẽ cung cấp cho HS kiến thức nền – Mục đích: Hình thành kiến thức mới và đề xuất giải pháp trong việc chế tạo “Máy bơm nước tiện ích” + Các đơn vị kiến thức mới cần hình thành cho nhóm HS nghiên cứu  Nguyên tắc hoạt động của việc hút nước và đưa nước lên cao

37  Tính áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng  Mối quan hệ giữa tốc độ dòng chảy với tiết diện ngang của ống  Nguyên tắc biến chuyển động quay tròn sang chuyển động tịnh tiến + Đề xuất giải pháp/thiết kế  Xây dựng được ít nhất 02 bản thiết kế (sơ đồ nguyên mẫu) của sản phẩm “Máy bơm nước tiện ích”  Trình bày nguyên tắc hoạt động của giải pháp/thiết kế  Trình bày được tính khả thi trong quá trình thiết kế – Nội dung: Nghiên cứu nội dung sách giáo khoa, tài liệu, mạng Internet,… để tiếp nhận, hình thành kiến thức mới và đề xuất giải pháp/thiết kế hoặc dưới sự hướng dẫn của GV – Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Các mức độ hoàn thành nội dung + Xác định và ghi được thông tin, dữ liệu, giải thích, kiến thức mới + Bản thiết kế/giải pháp(sơ đồ nguyên mẫu) của sản phẩm – Cách thức tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ cụ thể cho nhóm HS nghiên cứu + Yêu cầu HS đọc SGK chương trình Vật lý 10 NC phần cơ học chất lưu và tìm hiểu trên mạng Internet; ghi chép những thông tin cần thiết vào sổ nhật kí nghiên cứu + Tổ chức cho nhóm HS nghiên cứu báo cáo thảo luận về bản thiết kế sản phẩm, đồng thời GV chốt kiến thức mới và hỗ trợ HS chọn giải pháp/thiết kế mẫu thử nghiệm * Hoạt động 4: Lựa chọn giải pháp Trong hoạt động này, HS được tổ chức để trình bày, giải thích và bảo vệ bản thiết kế kèm theo thuyết minh; đó là sự thể hiện cụ thể của giải pháp giải quyết vấn đề. Dưới sự trao đổi, góp ý của các thành viên và GV, HS tiếp tục hoàn thiện (có thể phải thay đổi để bảo đảm khả thi) bản thiết kế trước khi tiến hành chế tạo, thử nghiệm. – Mục đích: Lựa chọn giải pháp/bản thiết kế cho sản phẩm “Máy bơm nước tiện ích” – Nội dung: Trình bày, giải thích, bảo vệ giải pháp/thiết kế để lựa chọn và hoàn thiện. – Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: Giải pháp/bản thiết kế được lựa chọn/hoàn thiện đúng với tiêu chí sản phẩm đặt ra

38 – Cách thức tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ yêu cầu HS: + Trình bày, báo cáo, giải thích, bảo vệ giải pháp/thiết kế + Tiến hành thảo luận bản thiết kế + GV điều hành, nhận xét, đánh giá + hỗ trợ HS lựa chọn giải pháp/thiết kế mẫu thử nghiệm. * Hoạt động 5: Chế tạo mẫu, thử nghiệm và đánh giá Trong hoạt động này, HS tiến hành chế tạo mẫu theo bản thiết kế đã hoàn thiện sau bước 4 Trong quá trình chế tạo đồng thời phải tiến hành thử nghiệm và đánh giá. Trong quá trình này, HS cũng có thể phải điều chỉnh thiết kế ban đầu để bảo đảm mẫu chế tạo là khả thi. – Mục đích: Chế tạo và thử nghiệm sản phẩm “Máy bơm nước tiện ích” – Nội dung: Lựa chọn dụng cụ/thiết bị thí nghiệm; chế tạo mẫu theo thiết kế; thử nghiệm và điều chỉnh. – Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: + Tìm hiểu và chuẩn bị đầy đủ các dụng cụ, thiết bị, … cho việc thiết kế sản phẩm. + Thuyết minh được vai trò của các dụng cụ, thiết bị, … trong việc thiết kế + Tiến hành lắp rắp sản phẩm “Máy bơm nước tiện ích” theo thiết kế + Thử nghiệm và đánh giá sản phẩm chế tạo theo tiêu chí ban đầu – Cách thức tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ yêu cầu HS: + Lựa chọn dụng cụ/thiết bị thí nghiệm để chế tạp, lắp ráp… + HS thực hành chế tạo, lắp ráp và thử nghiệm + HS ghi chép lại từng công đoạn vào sổ nhật kí nghiên cứu + Lưu giữ hình ảnh, videos trong quá trình chế tạo và thử nghiệm + GV theo dõi và hỗ trợ HS trong quá trình thực hiện. * Hoạt động 6: Chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh Trong hoạt động này, HS được tổ chức để trình bày sản phẩm học tập đã hoàn thành; trao đổi, thảo luận, đánh giá để tiếp tục điều chỉnh, hoàn thiện. – Mục đích: Trình bày, chia sẻ, đánh giá sản phẩm “Máy bơm nước tiện ích” – Nội dung: Trình bày, thảo luận về sản phẩm đã chế tạo và thử nghiệm

39 – Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: + Sản phẩm “Máy bơm nước tiện ích” đã chế tạo và thử nghiệm + Bài trình kết quả nghiên cứu – Cách thức tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ yêu cầu HS + Mô tả rõ yêu cầu và sản phẩm trình bày + HS báo cáo, thảo luận (bài báo cáo, trình chiếu, video, dung cụ/thiết bị/mô hình/đồ vật đã chế tạo…) + GV đánh giá, kết luận và định hướng tiếp tục hoàn thiện. * Hoạt động 7: Hoàn thiện sản phẩm và vận hành sản phẩm Trên cơ sở bước 6, HS sẽ điều chỉnh sản phẩm nghiên cứu sao cho đúng với tiêu chí đã đề ra và vận hành thực nghiệm sản phẩm “Máy bơm nước tiện ích” – Mục đích: Đánh giá sản phẩm và hoàn thiện sản phẩm nghiên cứu “Máy bơm nước tiện ích” – Nội dung: Thảo luận và điều chỉnh sản phẩm “Máy bơm nước tiện ích” – Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS: + Hình ảnh/video vận hành sản phẩm + Bài báo cáo đánh giá sản phẩm. – Cách thức tổ chức hoạt động: GV giao nhiệm vụ yêu cầu HS + Mô tả rõ cần điều chỉnh + HS báo cáo, thảo luận (bài báo cáo, trình chiếu, video, sản phẩm…) + GV đánh giá, kết luận. 2.3. Tiến trình dạy học chế tạo máy bơm nƣớc tiện ích theo định hƣớng giáo dục STEM Trong tiến trình dạy học theo định hướng giáo dục STEM, đặc biệt là trong việc hướng dẫn nhóm HS thực hiện một dự án nghiên cứu khoa học thì tiến trình dạy học không nhất thiết phải đi theo đầy đủ các bước như trong dạy học truyền thống. Việc hướng dẫn cũng như việc cung cấp các kiến thức nền cho HS có thể được thực hiện thông qua nhiều kênh khác nhau (mạng xã hội, ở trường, ở nhà, câu lạc bộ, …) Trong tiến trình dạy học chế tạo máy bơm nước tiện ích theo định hướng giáo dục STEM, chúng tôi chia thành 7 hoạt động cơ bản như sau:

40 2.3.1. Hoạt động 1: Hình thành ý tƣởng a. Vấn đề thực tiễn: Thực tế ở các địa phương trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi, ngươi dân chủ yếu sống và làm việc bằng nông nghiệp, cuộc sống người nông dân luôn gặp phải những khó khăn vì thu nhập thấp. Diện tích đất nông nghiệp ít, hơn nữa khi canh tác thì người nông dân gặp phải khó khăn là nước tưới. Những mảnh đất có diện tích nhỏ và ở xa khu dân nên nên việc sử dụng mô tơ điện hay máy bơm nước để tưới tiêu thì lại quá tốn kém so với thu nhập từ canh tác, chính vì thế mà người nông dân thường bỏ hoang đất hoặc trồng những loại cây chủ yếu dựa vào nước mưa (không chủ động được nguồn nước tưới), dẫn đến không đạt hiệu quả kinh tế cao. Xuất phát từ thực tế trên, GV yêu cầu HS chế tạo ra một máy bơm nước, có thể sử dụng nhiều loại năng lượng để giúp người nông dân tưới tiêu, qua đó góp một phần công sức nhỏ của mình trong việc cải thiện đời sống kinh tế cho người nông dân b. Tiến trình dạy học Thông qua câu lạc bộ nghiên cứu khoa học GV yêu cầu HS tìm hiểu những vấn đề thực tiễn ở địa phương nơi các em đang sinh sống, từ đó phát hiện những ý tưởng nghiên cứu khoa học nhằm hỗ trợ người nông dân trong việc sản xuất, canh tác, … - Yêu cầu HS tự tìm hiểu và ghi chép các thông tin vào phiếu học tập số 1 - Thời gian thực hiện: 02 ngày PHIẾU HỌC TẬP SỐ 01 TT

Tên dự án

Mô tả ý nghĩa của dự án

1 2 3 - GV tổ chức cho HS trình bày, báo cáo ý tưởng nghiên cứu - GV hỗ trợ và chốt ý tưởng nghiên cứu cho HS 2.3.2. Hoạt động 2: Xác định vấn đề nghiên cứu - Sau khi HS đã hình thành ý tưởng nghiên cứu, GV yêu cầu HS tìm hiểu và hoàn thiện các vấn đề sau đây vào phiếu học tập số 2 và số 3 - Thời gian thực hiện: 01 tuần

41 PHIẾU HỌC TẬP SỐ 02 a. Mục đích: Tìm hiểu tổng quan về vấn đề nghiên cứu b. Yêu cầu: Tìm hiểu trên mạng internet và hoàn thành các nội dung vào phiếu học tập Các đề tài, sản phẩm đã có

TT

Mô tả đặc tính kỹ thuật cơ bản

1 2 … n PHIẾU HỌC TẬP SỐ 03 a. Mục đích: Xác định tiêu chí của sản phẩm “máy bơm nước tiện ích” b. Yêu cầu: Tìm hiểu trên mạng internet, thảo luận và hoàn thành các nội dung vào phiếu học tập TT

Tiêu chí

1

Tính mới của sản phẩm

2

Tính tiện ích của sản phẩm

3

Kích thước sản phẩm

4

Giá thành sản phẩm

Mô tả chi tiết tiêu chí

- GV tổ chức cho HS trình bày, báo cáo - Nhóm nghiên cứu thảo luận và phản biện lẫn nhau, GV hỗ trợ HS trong việc xác định các tiêu chí 2.3.3. Hoạt động 3: Nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp - Trong hoạt động này, GV yêu cầu HS tìm hiểu các đơn vị kiến thức nền hỗ trợ cho việc thiết kế và HS đề xuất được các giải pháp để thiết kế sản phẩm máy bơm nước tiện ích - GV yêu cầu HS hoàn thiện các nội dung sau vào phiếu học tập số 4 và 5 - Thời gian thực hiện: 2 tuần

42 PHIẾU HỌC TẬP SỐ 04 a. Mục đích: Tìm hiểu các kiến nền để hỗ trợ cho việc đề xuất giải pháp b. Yêu cầu: Tìm hiểu trên mạng internet, sách giáo khoa Vật lý 10 NC thảo luận và hoàn thành các nội dung vào phiếu học tập TT

Kiến thức cần tìm hiểu

1

Nguyên tắc hoạt động của việc hút

Nội dung kiến thức

nước và đưa nước lên cao 2

Tính áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng

3

Mối quan hệ giữa tốc độ dòng chảy với tiết diện ngang của ống

4

Nguyên tắc biến chuyển động quay tròn sang chuyển động tịnh tiến PHIẾU HỌC TẬP SỐ 05 a. Mục đích: Đề xuất giải pháp để thiết kế sản phẩm “máy bơm nước tiện ích” b. Yêu cầu: HS thảo luận và hoàn thành các nội dung vào phiếu học tập

TT

Nội dung

1

Xây dựng ít nhất 02 bản thiết kế (sơ

Kết quả thảo luận

đồ nguyên mẫu) của sản phẩm “Máy bơm nước tiện ích” 2

Trình bày nguyên tắc hoạt động của từng giải pháp thiết kế

3

Trình bày tính khả thi trong quá trình thiết kế - GV hỗ trợ cho HS trong quá trình hình thành giải pháp 2.3.4. Hoạt động 4: Lựa chọn giải pháp - Trong hoạt động này, GV yêu cầu HS hoàn thành các nội dung sau vào phiếu

học tập số 06 và trình bày trước nhóm nghiên cứu: - Thời gian thực hiện: 01 buổi

43 PHIẾU HỌC TẬP SỐ 06 a. Mục đích: Lựa chọn các giải pháp để thiết kế sản phẩm “máy bơm nước tiện ích” b. Yêu cầu: HS thảo luận và hoàn thành các nội dung vào phiếu học tập TT

Nội dung

Kết quả thảo luận

1

Bản thiết kế (sơ đồ nguyên mẫu) của sản phẩm

2

Trình bày nguyên tắc hoạt động của sản phẩm

3

Tính toán chi tiết cho bản thiết kế sản phẩm - Thảo luận và phản biện bản thiết kế - GV điều hành, nhận xét, đánh giá + hỗ trợ HS lựa chọn giải pháp thiết kế mẫu

thử nghiệm. 2.3.5. Hoạt động 5: Chế tạo mẫu, thử nghiệm và đánh giá - Thời gian thực hiện: 03 tuần - Trong hoạt động này, HS tiến hành chế tạo mẫu theo bản thiết kế đã hoàn thiện sau bước 4 và yêu cầu HS hoàn thiện các nội dung sau: a. Chuẩn bị vật liệu cho thiết kế TT

Tên vật liệu

Mô tả vai trò trong thiết kế

1 2 … N

Giá thành

Ghi chú

44 b. Tiến hành lắp ráp sản phẩm Bước 1: Xây dựng cách bước lắp ráp vào sổ nhật kí nghiên cứu khoa học Bước 2: Tiến hành lắp ráp theo bản thiết kế theo các bước Bước 3: Thử nghiệm sản phẩm lắp ráp hoàn thiện Bước 4: Đánh giá sản phẩm theo tiêu chí ban đầu đưa ra * Lưu ý: Trong hoạt động này GV yêu cầu học phải lưu giữ lại các hình ảnh, videos, nội dung thảo luận,… ở từng công đoạn lắp ráp 2.3.6. Hoạt động 6: Chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh - Trong hoạt động này, HS được tổ chức để trình bày sản phẩm học tập đã hoàn thành; trao đổi, thảo luận, đánh giá để tiếp tục điều chỉnh, hoàn thiện. - Thời gian thực hiện: 01 buổi - Để giúp cho nhóm nghiên cứu trình bày sản phẩm của mình, GV yêu cầu HS cần chuẩn bị các nội dung sau: + Sản phẩm đã chế tạo + Videos, hình ảnh vận hành sản phẩm “Máy bơm nước tiện ích” + Bài báo cáo, gồm:  Bản thiết kế nguyên mẫu.  Nguyên lý hoạt động của sản phẩm.  Qui trình hoàn thiện sản phẩm.  Video, hình ảnh vận hành sản phẩm.  Đánh giá sản phẩm theo tiêu chí ban đầu đã đưa ra.  Định hướng điều chỉnh và hoàn thiện sản phẩm - GV tổ chức cho HS báo cáo, thảo luận, đánh giá, kết luận và định hướng tiếp tục hoàn thiện. 2.3.7. Hoạt động 7: Hoàn thiện sản phẩm và vận hành sản phẩm - Trên cơ sở bước 6, HS sẽ điều chỉnh sản phẩm nghiên cứu sao cho đúng với tiêu chí đã đề ra và vận hành thực nghiệm sản phẩm “Máy bơm nước tiện ích” - Thời gian thực hiện: 01 tuần - Trong hoạt động này GV yêu cầu nhóm nghiên cứu: + Xác định rõ vấn đề cần điều chỉnh, cách thức điều chỉnh + Tiến hành điều chỉnh

45 + Hoàn thiện sản phẩm chế tạo + Viết bài báo cáo kết quả nghiên cứu 2.4. Đánh giá năng lực giải quyết vấn đề thực tiễn của học sinh trong dạy học qua trải nghiệm chủ đề “chế tạo máy bơm nƣớc tiện ích” Dựa trên các thành tố năng lực GQVDTT, vận dụng vào đánh giá HS trong dạy học qua trải nghiệm chủ đề các lực cơ, đề tài quan tâm đến các nội dung cụ thể trong bảng 2.4 dưới đây. Bảng 2.4. Rubric đánh giá năng lực GQVDTT trong dạy học chủ đề “chế tạo máy bơm nƣớc tiện ích”

Các mức độ tƣơng ứng với các chỉ số hành vi

Năng lực

Thành tố

thành năng lực

Mức 1

Mức 2

Chỉ số hành vi 1- 2

phần

điểm

Mức 3

3-4

5-7

điểm

điểm

Xác định Mô tả được vai trò Chỉ mô tả Ngôn

Mức 4 8-10 điểm

tả Mô tả đầy

ngữ Mô

Phát được vai máy bơm nước trong bằng ngôn mô tả lộn gần đầy đủ, chính của thực tế ngữ đời xộn đủ các xác các hiện/ trò xác

việc

sử

sống

sự kiện sự kiện

định rõ máy bơm vấn đề nước

bằng ngôn

cần

trong

ngữ Vật

giải

thực tế

lí Trình bày được đặc Không

quyết

điểm của máy bơm trình

gắn với

nước.

thực

được

Trình bày lộn không các

tiễn

điểm Mô

tả Diễn đạt được các Mô tả, diễn Diễn

được cấu thành phần cấu tạo đạt tạo

tùy còn

của nên máy bơm nước tiện, không nhầm

bày Trình

Tự

xộn, bày gần bày đủ đủ

các đủ

đặc đặc

trình đẩy các

đặc điểm

điểm đạt Diễn đạt Diễn thiếu, tương

đầy

đạt đủ,

lẫn đối đầy chuẩn xác

46 máy bơm theo ngôn ngữ khoa theo ngôn nhiều

các đủ bằng bằng ngôn

nước

ngữ ngôn

học.

ngữ vật lí

thông

thuật vật lí

ngữ

dụng hiện nay

ngữ vật lí

Vật lí Phát biểu được bản Nêu

được Phát

biểu Phát

Phát biểu

chất hoạt động của khó

khăn được

vấn biểu

rõ vấn đề

máy bơm nước

nhưng

đề

nhưng được

không phát còn

bằng câu

khó vấn

đề hỏi

hay

bài

toán

biểu rõ vấn khăn, chưa nhưng đề

diễn đạt hợp lí

rõ ý hỏi

còn dài dòng, lộn xộn. Thực Năng lực Thu thập và sắp xếp Chưa chọn, Chọn, hiện đề

xuất các thông tin liên sắp

giải và

chọn quan đến máy bơm được thông một

pháp giải pháp nước.

tin

Chế tạo

(Tiến hành thu nhận

máy

nhiều thông tin từ

bơm

các

nước

nhau,

tiện ích

nguồn Phân

xếp xếp

sắp Chọn

Chọn, sắp

được được

xếp hợp lí

thông tin

đủ và

số gần

đủ

thông

thông tin

tin

cho

việc

giải quyết

khác tích

được các thông tin để lựa chon được thông tin có ích nhất về việc chế tạo máy bơm nước) Đề

xuất

(các) Không

rõ Các

Các

Chọn

phương án chế tạo phương án phương án phương được các máy bơm nước

còn chung án

còn phương

47 chung

dài

án hợp lí

dòng Đánh giá tính khả Không thi của phương án chọn đưa ra. (Phân tích được được

ưu,

Chưa

biết Chọn

Chọn và

ra đánh

giá được

lí

tính khả thi phương được tính

nhược phương án của phương án

điểm của từng giải tối ưu

giải

án chọn

tối ưu của

nhưng

phương

pháp. Chỉ ra điều

chưa chỉ án

kiện áp dụng với

rõ

từng giải pháp; Điều

tối ưu

dựa

tính trên thực tiễn

kiện cơ sở vật chất, môi trường, trình độ của HS.... Thống nhất lựa chọn phương án tối ưu, hợp lí cho việc chế tạo máy bơm nước tiện ích.) Xây dựng kế hoạch Chưa đề ra Kế

hoạch Rõ

chế tạo máy bơm được

dòng, dung

kế dài

nước và thống nhất hoạch

chưa

kế hoạch với các bạn

nhiệm vụ

nội Rõ nhiệm vụ

rõ thực

hiện

thực và

hiện

thời gian

trong nhóm.

nhưng

hoàn

(Xây dựng kế hoạch

chưa

thành

cụ thể chi tiết cho

trật

phương

án:

thời

Kiến thức cần sử

gian

từng

dụng để giải quyết, kinh nghiệm của bản thân, nguyên vật liệu

tự

48 cần mua, thời gian thực hiện...) Thực

Phân công nhiệm vụ Làm

hiện giải cho các thành viên tùy pháp chế trong tạo bơm nước

nhóm,

việc Làm

việc Có

tiện, còn

lúng gắng

tiến chưa ra kết túng,

máy hành thực hiện các quả,

cố Tự

lực

làm việc

cần nhưng

và

đạt

sản hỗ trợ để ra vẫn cần được kết

nhiệm vụ theo kế phẩm

kết quả, sản sự

đã hoạch.

phẩm

hỗ quả, sản

trợ mới phẩm.

đề xuất ở (Thực hiện chế tạo trên. máy bơm nước theo

đạt

kết

quả

kế hoạch trên, điều chỉnh kế hoạch nếu cần, ghi chép kết quả trong quá trình thực hiện nhiệm vụ, chỉ ra những khó khăn gặp phải, đề xuất biện pháp khắc phục)

Đánh Đánh giá Đánh giá cách làm Không đưa Đưa ra ý Bước giá

giải pháp của mình và đề xuất ra được ý kiến

cách đưa ra kết những cải tiến mong kiến

bình đầu

Đưa ra ý có kiến đánh

cho luận không những ý giá

xác

kiến

đáng cho

của

bình

kết

mình,

luận,

sản phẩm

khám

đánh

hoạt động

làm luận

phá các

muốn.

việc làm

phù hợp

giá cho

giải

giải

pháp

pháp

quả,

49 mới,

Khám phá các giải Không đưa Nhận

vấn đề

ra Nhận ra Đề

pháp mới mà có thể ra được ý nhược điểm và

mới

xuất

có được

thực hiện được và có ý kiến gì của

kết những ý những

điều

sản kiến cải giải pháp

chỉnh

hành

quả,

động của mình.

phẩm

đã tiến,

Tính khả thi của giải

thực hiện

pháp mới

hợp lí để

thay đổi thay

đổi

giải

cách thức

pháp

thực hiện

tương đối phù hợp Phát hiện Liên hệ được hiện Không những vấn mới

Nhận

ra Nêu

Nêu

ra

tượng thực tế với nhận ra sự một vài sự được đa đầy

đủ

đề kiến thức vật lí có liên hệ của tương ứng số liên quan.

sự các

sự

thức giữa

kết tương tự kiện, yếu

với thực tế quả,

sản giữa kết tố cơ bản

kiến

phẩm

đánh giá

với quả

thực tiễn

toán học sản phẩm với thực tiễn

Nhận ra những vấn Không thấy Đưa đề mới từ kết quả, được

ra Đưa ra Xác

vấn được những được

lập

được vấn

sản phẩm đã thực đề gì

ý

hiện

nhưng diễn vấn

đề diễn

đạt

từ được gọn,

vòng

kiến những

lòng mới

đề mới và đạt

kết quả, đủ và dễ sản phẩm

hiểu

50

KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 Trong dạy học theo định hướng PTNL GQVDTT cho HS thì việc phát hiện những ý tưởng nghiên cứu của HS là rất quan trọng, qua đó GV mới có thể phát hiện, giúp đỡ, bồi dưỡng HS thực hiện được ý tưởng nghiên cứu từ đó giúp HS đam mê khoa học hơn. Để thực hiện được yêu cầu trên thì người GV cần “truyền cảm hứng”, “truyền ngọn lửa đam mê khoa học” cho HS thông qua các tiết học học trên lớp, câu lạc bộ nghiên cứu khoa học, … Để phát hiện những ý tưởng nghiên cứu thì GV nên yêu cầu HS tìm hiểu, quan sát những vấn đề liên quan đến cuộc sống của chúng ta hằng ngày, từ đó phát hiện ra vấn đề cần nghiên cứu. Trường THPT Ba Gia, huyện Sơn Tịnh, tỉnh Quảng Ngãi ngôi trường mà tôi đang giảng dạy nằm ở vùng trung du huyện Sơn Tịnh, đời sống người dân luôn gặp phải khó khăn do thu nhập từ canh tác nông nghiệp thấp. Do vị trí địa lý nên người nông dân không chủ động được nguồn nước tưới cho cây trồng, nhiều vùng đất bỏ hoang. Xuất phát từ thực tế đó, nhóm HS mới nảy sinh ý tưởng thực hiện chế tạo một “máy bơm nước tiện ích” để hỗ trợ người nông dân trong tưới tiêu, qua đó góp một phần công sức nhỏ bé của mình để nâng cao đời sống cho người dân. Để hướng dẫn HS thực hiện được ý tưởng chế tạo “máy bơm nước tiện ích”, chúng tôi đã xây dựng được một qui trình hướng dẫn gồm 7 hoạt động cơ bản, trong mỗi hoạt động GV cần nêu rõ yêu cầu và nhiệm vụ giao cho HS; sau mỗi hoạt động GV cần tổ chức cho HS báo cáo, trao đổi thảo luận, GV hỗ trợ HS giải quyết những vấn đề, khó khăn khi thực hiện nghiên cứu.

51

CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM SƢ PHẠM 3.1. Mục đích và nhiệm vụ của thực nghiệm sƣ phạm 3.1.1. Mục đích của thực nghiệm sƣ phạm - Khẳng định tính đúng đắn của cở sở lý luận và qui trình hướng dẫn HS thực hiện một dự án nghiên cứu khoa học, kỹ thuật đã xây dựng. - Chế tạo thành công máy bơm nước tiện ích với đúng yêu cầu, giải pháp mà nhóm HS đã đưa ra - Dựa trên kết quả thực nghiệm sư phạm để có những điều chỉnh cho phù hợp hơn nữa về mặt phương pháp cũng như cách thức tổ chức dạy học nhằm phát triển năng quyết năng lực GQVDTT của HS. 3.1.2. Nhiệm vụ của thực nghiệm sƣ phạm - Xây dựng qui trình hướng dẫn HS thực hiện một dự án khoa học kỹ thuật - Xây dựng qui trình hướng dẫn HS thực hiện một dự án chế tạo máy bơm nước tiện ích - Xây dựng các thang đo về năng lực GQVDTT - Tiến hành thực nghiệm sư phạm theo theo các biện pháp đã đề xuất - Kiểm tra, phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm 3.2. Đối tƣợng và thời gian của thực nghiệm sƣ phạm 3.2.1. Đối tƣợng thực nghiệm sƣ phạm - Đối tượng thực tập là nhóm HS lớp 10A3 trường THPT Ba Gia, huyện Sơn Tịnh, tỉnh Quảng Ngãi. TT

Họ và tên

1

Đỗ Thành Ân

2

Nguyễn Công Hậu

Ghi chú

- Địa bàn thực nghiệm: HS trường THPT Ba Gia, ở địa bàn xã Tịnh Giang, huyện Sơn Tịnh, tỉnh Quảng Ngãi 3.2.2. Thời gian thực nghiệm sƣ phạm: Từ tháng 10 năm 2018 đến tháng 10 năm 2019 3.3. Phƣơng pháp thực nghiệm sƣ phạm 3.3.1. Phát hiện nhóm HS năng lực GQVDTT Thông qua cuộc thi sáng tạo khoa học kĩ thuật được trường THPT Ba Gia phát

52 động hàng năm, GV nêu rõ mục đích ý nghĩa của cuộc thi đến HS. Phát động và tổ chức cuộc thi “ý tưởng sáng tạo” đến HS. Từ đó sẽ phát hiện được những nhóm HS có lòng đam mê, yêu thích nghiên cứu khoa học và có năng lực GQVDTT 3.3.2. Phƣơng pháp quan sát Chúng tôi tiến hành quan sát trực tiếp HS làm việc và vấn đáp HS kết hợp với việc phân tích video, hình ảnh của sản phẩm và phân tích các câu trả lời trong phiếu học tập của HS để thu thập số liệu về các hành vi của năng lực GQVDTT của trong quá trình thực nghiệm sư phạm. 3.3.3. Phƣơng pháp thống kê toán học Dựa vào các số liệu thu thập được, chúng tôi sử dụng phương pháp thống kê toán học để xử lí, so sánh và đánh giá sự PTNL GQVDTT của HS thông qua sản phẩm mà HS đã thiết kế, từ đó rút ra kết luận về tính đúng đắn của giả thuyết khoa học của đề tài. 3.4. Phân tích diễn biến và đánh giá kết quả thực nghiệm sƣ phạm. 3.4.1. Diễn biến và kết quả thu đƣợc ở hoạt động hình thành ý tƣởng Đầu tiên GV giao nhiệm vụ cho các nhóm HS tìm hiểu những ý tưởng nghiên cứu để hộ trợ người nông dân canh tác, sản xuất mà những vấn đề đó xuất phát từ thực tiễn ở địa phương em. Sau 2 ngày phát động đối với 02 lớp (10A2 và 10A3 trường trung học phổ thông Ba Gia) mà tôi đang giảng dạy thì có 06 ý tưởng được các nhóm HS tìm hiểu và xây dựng Tiến hành tổ chức cho HS báo cáo, trình bày ý tưởng nghiên cứu của nhóm mình. Sau đó chúng tôi quyết định lựa chọn ý tưởng nghiên cứu “chế tạo máy bơm nước tiện ích” của nhóm HS Đỗ Thành Ân và Nguyễn Công Hậu lớp 10A3 3.4.2. Diễn biến và kết quả thu đƣợc ở hoạt động xác định vấn đề nghiên cứu Sau khi chọn được nhóm HS với ý tưởng chế tạo máy bơm nước tiện ích, chúng tôi tiến hành yêu cầu HS cần xác định được vấn đề cần nghiên cứu, kết quả thu được như sau:

53 - HS tìm hiểu tổng quan về vấn đề nghiên cứu: HS tìm hiểu các đề tài, sản phẩm, các công trình nghiên cứu liên quan đến máy bơm nước trên mạng Internet và có ghi chép cụ thể (thông qua nhật kí nghiên cứu) - HS xác định được tiêu chí sản phẩm “Máy bơm nước tiện tích”, cụ thể:  Tính mới của sản phẩm: Không sử dụng nguồn điện xoay chiều như các sản phẩm máy bơm nước hiện nay.  Tính tiện ích của sản phẩm: Sản phẩm nhỏ gọn, dễ lắp đặt, sản phẩm có tính ứng dụng vào thực tiễn (hỗ trợ người nông dân tưới tiêu).  Giá thành sản phẩm: dưới 1.500.000 đồng 3.4.3. Diễn biến và kết quả thu đƣợc ở hoạt động nghiên cứu kiến thức nền và đề xuất giải pháp * Hoạt động tìm hiểu kiến thức nền: Trong hoạt động tìm nền, chúng tôi yêu cầu HS tìm hiểu và cung cấp các kiến thức liên quan đến đề tài nghiên cứu, cụ thể: - Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của việc hút nước và đưa nước lên cao - Tìm hiểu về áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng - Mối quan hệ giữa tốc độ dòng chảy với tiết diện ngang của ống - Nguyên tắc biến chuyển động quay tròn sang chuyển động tịnh tiến * Hoạt động đề xuất giải pháp Trong hoạt động này HS đã đưa ra được các giải pháp để thực hiện đề tài và được thể hiện thông qua sơ đồ thiết kế nguyên mẫu.

Đƣa nƣớc lên cao Năng lƣợng

Thiết bị bơm nƣớc

Thiết bị tích áp

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên mẫu Sau khi nhóm HS xây dựng được sơ đồ nguyên mẫu, chúng tôi yêu cầu HS thuyết trình cho giải pháp đã đề xuất và cụ thể hóa bằng sơ đồ nguyên lý hoạt động.

54 Từ sơ đồ nguyên mẫu trên, nhóm HS đã tiến hành thảo luận và thiết kế được 02 giải pháp được cụ thể hóa bằng sơ đồ sau: SƠ ĐỒ GIẢI PHÁP 1

Bình tích

Nƣớc

Hình 3.2. Sơ đồ thiết kế giải pháp 1 - Nguyên lí hoạt động: + Khi cánh quạt quay (dựa vào sức gió, quay tay hoặc dùng mô tơ điện một chiều)  bánh răng 1 quay  bánh răng 2 quay  bánh răng 3 quay + Bánh răng 3 được nối lệch tâm với chốt pittông  bánh răng 3 quay thì làm cho pittông chuyển động tịnh tiến lên xuống trong xilanh + Khi pittông đi lên, áp suất ống nước giảm van một chiều 1 mở và van van một chiều 2 đóng  nước được hút vào ống + Khi pittông đi xuống, áp suất ống nước tăng van một chiều 1 đóng và van van một chiều 2 mở  nước được đẩy đi lên + Quá trình trên lặp đi lặp lại nhiều lần nước sẽ được đưa vào bình tự áp và sẽ đưa nước từ nơi thấp đến nơi cao - Tính toán các thông số theo thiết kế + Đường kính trong của xi lanh d = 90mm + Hành trình pittong s = 15 cm + Bánh răng: sử dụng bộ bánh răng của hộp số xe máy

55 + Thể tích một lần bơm (ứng với trục khuỷu quay một vòng):

V

d2 s = 9,54.10-4 m3 4

SƠ ĐỒ GIẢI PHÁP 2 Pin mặt trời

Bộ điều

Cảm biến

Moto bơm

Bình

khiển sạc

độ ẩm

nước 12V

tích áp

Bình Acquy 12V Nƣớc

Hình 3.3. Sơ đồ thiết kế giải pháp 2 - Nguyên lí hoạt động: + Sử dụng nguồn năng lượng pin mặt trời để nạp điện cho ắc qua thông qua bộ điều khiển sạc. Nguồn điện từ ắc quy (lấy từ bộ điều khiển sạc) sẽ cung cấp cho máy bơm nước DC 12V + Cảm biến độ ẩm có vai trò như một công tắt sẽ đóng/ngắt mạch tự động khi độ độ ẩm đất nhỏ hơn hoặc lớn hơn giá trị cài đặt ban đầu + Nước từ máy bơm DC 12V sẽ cấp cho bình tích áp và từ đó nước sẽ được đưa lên cao, phục vụ tưới tiêu. 3.4.4. Diễn biến và kết quả thu đƣợc ở hoạt động lựa chọn giải pháp Trong hoạt động này, chúng tôi yêu cầu HS trình bày nguyên lý hoạt động cho từng giải pháp mà nhóm HS đã thiết kế và tiến hành thảo luận để lựa chọn giải pháp. - Đối với giải pháp 1 thì nguồn năng lượng sử dụng là quay tay, năng lượng gió

56 hoặc có thể dùng bình ắc quy + Ưu điểm: Sản phẩm có giá thành rẽ, sản phẩm có thể ứng dụng vào thực tiễn. + Hạn chế: Sản phẩm còn thô sơ, khi sử dụng nguồn năng lượng gió thì tính ổn định của lượng nước đưa lên không cao (vì phụ thuộc vào sức gió) - Đối với giải pháp 2 thì nguồn năng lượng sử dụng là pin mặt trời, động cơ bơm nước là DC12V và có sử dụng cảm biến độ ẩm + Ưu điểm: Sản phẩm có tính tự động hóa, sản phẩm có thể ứng dụng vào thực tiễn. + Hạn chế: Giá thành sản phẩm hơi cao, phải tự chế động cơ bơm nước DC12V (vì động cơ này không bán trên thị trường) Kết luận: Với 2 giải pháp mà HS đưa ra đều dựa trên sơ đồ nguyên mẫu đã xây dựng, điểm khác nhau cơ bản giữa 2 giải pháp đó là nguồn năng lượng sử dụng và thiết bị bơm nước. Từ những phân tích trên, chúng tôi yêu cầu HS thực hiện cả 2 giải pháp, tuy nhiên sẽ thực hiện giải pháp 1 sẽ thực hiện trước và giải pháp 2 sẽ thực hiện sau. 3.4.5. Diễn biến và kết quả thu đƣợc ở hoạt động chế tạo mẫu, thử nghiệm và đánh giá Trong hoạt động này, HS tiến hành chế tạo mẫu theo bản thiết kế đã hoàn thiện và thực hiện theo các giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Tìm hiểu và mua các thiết bị, linh kiện trên thị trƣờng Sau khi xây dựng ý tưởng nghiên cứu và cơ sở khoa học cho đề tài, nhóm HS đã tìm hiểu và mua các thiết bị tại các cửa hàng cơ khí để hỗ trợ cho việc thiết kế sản phẩm

1. Ống nhựa

2. Bánh răng

57

3. Cánh quạt

5. Trụ sắt

4. Môtơ 12

6. Phụ kiện khác

Hình 3.4. Các vật liệu thiết kế máy bơm nƣớc tiện ích Giai đoạn 2: Tiến hành lắp ráp thiết bị

Hình 3.5. Sản phẩm lần 1 (theo nguyên mẫu) Thảo luận sản phẩm: Bƣớc 1: Thử nghiệm thiết bị Nhóm HS đã tiến hành thử nghiệm thiết bị và nhận thấy: - Thiết bị vận hành theo đúng với nguyên lý hoạt động đã xây dựng - Hạn chế: Khi vận hành thử thì lực quay làm cho hệ thống vận hành còn quá lớn, với mục đích sử dụng năng lượng nguồn năng lượng 1 chiều hoặc năng lượng gió thì không thể làm quay được thiết bị

58 Bƣớc 2: Tìm ra nguyên nhân và hƣớng khắc phục - Nguyên nhân làm cho hệ thống khó vận hành là do ma sát giữa pittong và xi lanh còn quá lớn. - Hệ thống biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến bị lỗi - Hướng khắc phục: + Làm lại hệ thống xilanh và pittong sao cho ma sát giữa chúng nhỏ nhất có thể (giảm đường kính của xinh lanh và giảm hành trình pittong) + Điều chỉnh lại hệ thống truyền lực biến chuyển quay thành chuyển động tịnh tiến 3.4.6. Diễn biến và kết quả thu đƣợc ở hoạt động chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh Từ những hạn chế mà nhóm HS tìm hiểu được, chúng tôi tiến hành thảo luận để điều chỉnh và hoàn thiện sản phẩm chế tạo lần thứ 2 theo đúng tiêu chí ban đầu đề ra. Trong sản phẩm lần này, nhóm HS đã thay đổi hệ thống truyền lực bằng hệ thống trục khuỷu – thanh truyền của động cơ xe máy, điều chỉnh lại hệ thống pittông và xilanh

Hình 3.6. Sản phẩm lần 02 Thảo luận sản phẩm: Bƣớc 1: Thử nghiệm thiết bị - Thử nghiệm thiết bị vận hành theo đúng với nguyên lý hoạt động đã xây dựng - Hệ thống vận hành ổn định, đúng với yêu cầu đặt ra ban đầu - Hạn chế: Hạn chế duy nhất của thiết bị ở sản phẩm lần 3 là nước được bơm lên chỉ đưa được lên cao 1m, dẫn đến không đáp ứng được yêu cầu tưới tiêu cho người nông dân

59 - Thảo luận tìm hƣớng khắc phục: Để đưa nước được đi xa chúng chúng tôi đã cùng với HS tìm hiểu trên mạng Internet và lắp ráp được một hệ thống gọi là bình tự áp gắn vào đường nước ra của thiết bị. Bƣớc 2: Chế tạo bình tự áp: a. Cấu tạo:

Hình 3.7. Bình tự áp 1 – Van khóa, 2 – Van xả một chiều, 3 – Bình áp suất, 4 – Van, vòi dẫn nước lên cao. b. Nguyên lý làm việc Cơ chế hoạt động của bình tự áp là nước được dẫn vào máy bơm thì bị van một chiều thứ nhất chặn lại, tạo ra áp suất đột ngột làm mở van một chiều thứ hai gắn ở đáy bình áp suất. Van thứ hai mở ra, dẫn nước vào bình áp suất, ép không khí trong bình lên đỉnh và nén lại. Không khí bị nén tới hạn lại đẩy khối nước xuống lại đáy bình, một phần của khối nước chảy theo ống dẫn (gắn dưới đáy bình). Quá trình này lặp đi lặp lại, đẩy nước từ ống dẫn ở lên trên cao. Điểm đặc biệt của bơm tự áp là khi ta tích áp cho bình một áp suất nhất định thì trong quá vận hành áp suất trong bình luôn luôn không thay đổi, cụ thể khi lượng nước được đẩy lên thì áp suất trong bình giảm xuống bao nhiêu thì khi đó lượng nước đưa vào bình tự áp sẽ tăng lên lại bấy nhiêu. Bƣớc 3: Lắp ráp hoàn thiện sản phẩm Sau khi lắp ráp bình tự áp vào, chúng tôi tiến hành thử nghiệm sản phẩm và nhận thấy sản phẩm vận hành ổn định và đúng với tiêu chí ban đầu của sản phẩm mà nhóm HS đã đưa ra

60 3.4.7. Diễn biến và kết quả thu đƣợc ở hoạt động hoàn thiện sản phẩm và vận hành sản phẩm 3.4.7.1. Sản phẩm giải pháp 1 Sau khi lắp ráp hoàn thiện sản phẩm, chúng tôi tiến hành thực nghiệm sản phẩm trên địa bàn xã Tịnh Giang, huyện Sơn Tịnh, tỉnh Quảng Ngãi

Hình 3.8. Sản phẩm hoàn thiện giải pháp 1 TÓM TẮT ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA GIẢI PHÁP 1 1. Kết quả nghiên cứu Sau khi tìm hiểu xây dựng ý tưởng nghiên cứu đến khi hoàn thiện dự án, trong khoảng thời gian hơn 3 tháng chúng tôi thu được kết quả như sau: - Xây dựng và thiết kế thành công cho mô hình của dự án - Tìm hiểu và mua được các thiết bị hỗ trợ cho việc thiết kế - Tiến hành lắp ráp thành công sản phẩm - Thử nghiệm thành công sản phẩm - Sản phẩm có thể sử dụng nhiều dạng năng lượng khác nhau như điện 1 chiều, quay thủ công hoặc có thể dùng năng lượng gió - Tính toán các số liệu thiết kế cho sản phẩm: + Đường kính xilanh: D = 49 mm = 0,049 m + Hành trình pittông: h = 80 mm = 0,08 m + Thể tích nước (lý tưởng) cho một lần bơm:

.D2 V0 = .h = 1,5.10 -4 m3 4

61 - Đối với quay thủ công (quay tay): Số vòng quay trên 1 phút là 40 vòng  Thể tích nước (lý tưởng) bơm được trong 1 phút: Vp = 40.V 0 = 6.10 -3 m3 = 6 lít  Thể tích nước (lý tưởng) bơm được trong 1giờ: VG = 60.V p = 0,36 m3 = 360 lít + Trong thực tế thể tích nước khi máy sử dụng (quay tay) trong thời gian 1 phút là 5 lít  Thể tích nước thực tế được bơm lên được trong 1giờ: V’G = 300 lít + Hiệu suất của máy: H =

V'G .100(%) = 83,3% VG

- Khi sử dụng moto điện 1 chiều 12 V, trong 1 phút thể tích nước được bơm lên là 6 lít - Khi sử dụng nguồn năng lượng gió thì lượng nước được đưa lên tùy thuộc vào sức gió 2. Đánh giá sản phẩm a. Ƣu điểm - So với mô hình thiết kế ban đầu (nguyên mẫu) thì sản phẩm có sự thay đổi về mặt cấu tạo về hệ thống truyền lực nhưng vẫn giữ nguyên nguyên lý hoạt động so với nguyên mẫu, điều này chứng tỏ cơ sở lý thuyết ban đầu mà nhóm nghiên cứu xây dựng là hoàn toàn phù hợp, chính xác. - Điểm mới của dự án là nguồn nước được sử dụng là nguồn nước tĩnh, nguồn năng lượng để hệ thống vận hành là nguồn năng lượng điện 1 chiều (ắc quy) hoặc quay tay (hoặc có thể sử dụng năng lượng gió) - Với lượng nước được đưa lên như kết quả nhóm đã thực nghiệm thì hoàn toàn sản phẩm trên có thể được áp dụng để tưới tiêu những mảnh đất có diện tích nhỏ - Sản phẩm có thể được ứng dụng trong thực tiễn, qua đó có thể cải thiện một phần đời sống kinh tế cho người nông dân.

62 - Tính tiện ích của sản phẩm còn được thể hiện ở điểm ngoài việc tưới tiêu thì người nông dân có thể sử dụng sản phẩm để đưa nước lên bồn từ giếng đóng nếu bị cúp điện b. Hạn chế - Hệ thống pittong và xilanh tự chế nên vẫn còn có ma sát tương đối lớn trong quá trình chuyển động. - Thời gian sử dụng năng lượng của nguồn ắc quy cung cấp cho thiết bị không được lâu - Lượng nước đưa lên không lớn nên sản phẩm chỉ được áp dụng tưới tiêu với những mảnh đất có diện tích nhỏ. 3. Hƣớng phát triển - Đặt nhà sản xuất chế tạo hệ thống pittong – xilanh đúng với yêu cầu kỹ thuật đề ra. - Thay nguồn năng lượng bình ắc quy thành nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời (pin mặt trời) - Thay thế hệ thống pittong – xilanh bằng động cơ DC12V 3.4.7.2. Sản phẩm giải pháp 2 Sau khi nhóm HS hoàn thành xong kết quả nghiên cứu của giải pháp 1, chúng tôi tiến hành thảo luận, phân tích các ưu nhược điểm và hướng phát triển của dự án để tiếp tục hoàn thiện sản phẩm ứng với giải pháp 2 Các bước mà nhóm HS đã thực hiện để hoàn thành sản phẩm ứng với giải pháp 2 Bƣớc 1: Chế tạo môtơ DV12V - Để chế tạo mô tơ bơm nước DC12V, nhóm HS đã tìm hiểu nguyên lý hoạt động của việc hút và đưa lên cao của các mô tơ truyền thống. - Mua các dụng cụ để chế tạo mô tơ bơm nước DC12V gồm: Mô tơ 775 – công suất 80W, bình ắc quy 12V, các ống nhựa, keo dán. - Làm cánh quạt cho mô tơ - Lắp ráp sản phẩm mô tơ DC12V - Test sản phẩm mô tơ DC12V bằng nguồn ắc quy 12V

63

Hình 3.9. Chế tạo mô tơ bơm nƣớc DC12V Bƣớc 2: Tìm hiểu và mua hệ thống pin mặt trời, bộ điều khiển sạc và cảm biến độ ẩm Chúng tôi tiến hành nghiên cứu, thảo luận và tìm hiểu trên thị trường để lựa chọn mua hệ thống pin mặt trời, bộ điều khiển sạc cho ắc quy 12V và cảm biến độ ẩm đất để tự đóng ngắt chế độ bơm theo độ ẩm đất. Bộ sản phẩm nhóm HS lựa chọn: - Pin mặt trời 12V – 40W - Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời 10A/12V - Cảm biến độ ẩm XH-M214

1. Bình ắc quy 12V

3. Pin mặt trời

2. Bộ điều khiển sạc

4. Cảm biến độ ẩm đất

Hình 3.10. Các vật liệu cho thiết kế giải pháp 2

64 Bƣớc 3: Lắp ráp và test thiết bị, hoàn thiện sản phẩm

Hình 3.11. Sản phẩm hoàn thiện của giải pháp 2 TÓM TẮT ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA GIẢI PHÁP 2 1. Kết quả nghiên cứu - Tìm hiểu và mua được các thiết bị hỗ trợ cho việc thiết kế giải pháp 2 - Tiến hành lắp ráp thành công sản phẩm - Thử nghiệm thành công sản phẩm - Phân tích kết quả thử nghiệm: * Kết quả thu đƣợc: + Lượng nước được bơm lên khi test mô tơ DC12V là 10 lít/15 giây  Lượng nước được đưa lên trong 1 phút là 40 lít  Lượng nước được đưa lên trong 1 giờ là 2400 lít + Độ cao nước tối đa mà môtơ đưa lên được (chưa qua bình tích áp) là 3,5 m + Lượng nước được bơm lên khi test hệ thống (qua bình tích áp) với độ cao nước đưa lên 6m là 7,5 lít/15 giây  Lượng nước được đưa lên trong 1 phút là 30 lít  Lượng nước được đưa lên trong 1 giờ là 1800 lít + Cảm biến độ ẩm XH-M214 hoạt động đóng ngắt mạch theo độ ẩm đất rất ổn định * Phân tích dữ liệu: - Phân tích số chỉ của áp kế trên bình tích áp: + Khi thực nghiệm với lượng nước đưa lên đến độ cao 6m, chúng tôi tích áp cho bình tự áp và đo được áp suất trong bình tích áp tích từ áp kế là: p = 0,3 kg/cm2  29400 N/m2 (1 kg/cm 2  98000 N/m2 )

65 + Độ cao nước tối đa được đưa lên ứng với áp suất tích được trong bình: Áp dụng công thức: p = gh

h

p  3m  .g

- Nhận xét: khi không sử dụng bình tích áp thì độ cao nước tối đa được đưa lên cao là 3,5 m, khi sử dụng bình tích áp thì độ cao nước đưa lên lớn hơn 6 m là phù hợp với lý thuyết đã tính toán. 2. Đánh giá sản phẩm a. Ƣu điểm - Với lượng nước và độ cao nước được đưa lên như kết quả nhóm đã thực nghiệm thì hoàn toàn sản phẩm trên có thể được áp dụng để tưới tiêu những mảnh đất có diện tích lớn hơn so với giải pháp 1 - Nguồn năng lượng sử dụng là nguồn năng lượng sạch, bình ắc quy tự sạc từ nguồn điện pin mặt trời. - Hệ thống có tính tự động hóa (thông qua cảm biến độ ẩm) sẽ tiết kiệm thời gian tưới tiêu cho người sử dụng. b. Hạn chế Chi phí giá thành cho sản phẩm hơi cao (khoảng một triệu ba trăm nghìn đồng) 3.5. Phân tích định tính kết quả thực nghiệm sƣ phạm tại trƣờng THPT Ba Gia Tỉnh Quảng Ngãi 3.5.1. Kết quả đạt đƣợc của các tiêu chí theo bảng Rurbic đánh giá 3.5.1.1. Vấn đề nghiên cứu - Mục tiêu cụ thể và rõ ràng. - Xác định được sự đóng góp vào lĩnh vực nghiên cứu. - Có thể đánh giá được bằng các phương pháp khoa học. 3.5.1.2. Thiết kế và phương pháp - Kế hoạch được thiết kế với các phương pháp thu thập dữ liệu tốt. - Các biến và đối chứng được xác định, phù hợp và hoàn chỉnh. 3.5.1.3. Thực hiện: thu thập, phân tích và giải thích dữ liệu

66 - Có một số lỗi và sai sót nhỏ trong các kĩ thuật. - Hầu hết các phép đo chính xác và rõ ràng. - Áp dụng các phương pháp toán học và thống kê phù hợp. - Dữ liệu thu thập đủ hỗ trợ cho giải thích và các kết luận. 3.5.1.4. Tính sáng tạo Dự án chứng minh được ý nghĩa sáng tạo và độc đáo trong hai hoặc nhiều hơn trong số các tiêu chí trên. Bảng 3.1. Bảng kết quả đánh giá dự án Đánh giá Nội dung Rất tốt Vấn đề nghiên cứu

X

Thiết kế và phương pháp

X

Thực hiện: thu thập, phân tích và

Tốt

Đạt

Chƣa đạt

X

giải thích dữ liệu Tính sáng tạo

X

3.5.2. Kết quả đạt đƣợc theo tiêu chí đánh giá sản phẩm 3.5.2.1. Vấn đề nghiên cứu – Mô tả được sự đòi hỏi thực tế của vấn đề cần giải quyết. – Xác định được các tiêu chí cho giải pháp đề xuất. – Lí giải được về sự cấp thiết của sản phẩm máy bơm bước tiện ích 3.5.2.2. Thiết kế và phương pháp – Sự tìm tòi được các phương án khác nhau để đáp ứng nhu cầu hoặc giải quyết vấn đề – Xác định được các giải pháp để thiết kế sản phẩm 3.5.2.3. Thực hiện: Xây dựng và kiểm tra – Nguyên mẫu chứng minh được thiết kế dự kiến – Nguyên mẫu được kiểm tra trong nhiều điều kiện/thử nghiệm.

67 – Nguyên mẫu chứng minh được kĩ năng công nghệ và sự hoàn chỉnh. 3.5.2.4. Sự sáng tạo Dự án chứng minh được tính sáng tạo thông qua các tiêu chí đạt được ở trên 3.5.2.5. Tr nh bày a. Áp phích (Poster) – Có sự bố trí lôgic. – Rõ ràng của các đồ thị và chú thích. – Có sự hỗ trợ của các tài liệu trưng bày. b. Phỏng vấn – Trả lời rõ ràng, súc tích, sâu sắc các câu hỏi. – Hiểu biết cơ sở khoa học liên quan đến dự án. – Hiểu biết về sự giải thích và hạn chế của các kết quả và các kết luận; – Thể hiện được sự đóng góp và hiểu biết về dự án của tất cả các thành viên. 3.5.3. Bảng kiểm quan sát năng lực GQVDTT của HS trong dạy học qua trải nghiệm chủ đề “chế tạo máy bơm nƣớc tiện ích” Bảng 3.2. Bảng kiểm quan sát năng lực GQVDTT của HS Đỗ Thành Ân lớp 10A3 – Trƣờng THPT Ba Gia

Các mức độ đạt đƣợc tƣơng ứng với các chỉ số hành vi

Năng lực

Thành tố

thành năng lực

Chỉ số hành vi

Mức 1 1- 2

phần

điểm Xác định Mô tả được vai trò Phát

được vai máy bơm nước trong

hiện/

trò

xác

việc

định rõ máy vấn đề bơm nước

Mức 2

Mức 3

3-4

5-7

điểm

điểm

Mức 4 8-10 điểm

X

của thực tế sử

Trình bày được đặc điểm của máy bơm nước.

X

68 cần

trong

giải

thực tế

quyết gắn với thực tiễn

Mô

tả Diễn đạt được các

X

được cấu thành phần cấu tạo tạo

của nên máy bơm nước

máy bơm theo ngôn ngữ khoa nước thông dụng hiện nay

học. Phát biểu được bản

X

chất hoạt động của máy bơm nước

Thực

Năng lực Thu thập và sắp xếp

hiện

đề xuất và các thông tin liên

giải

chọn giải quan đến máy bơm

pháp

pháp

X

nước.

Chế tạo

(Tiến hành thu nhận

máy

nhiều thông tin từ

bơm

các

nước

nhau, Phân tích được

tiện ích

các thông tin để lựa

nguồn

khác

chon được thông tin có ích nhất về việc chế tạo máy bơm nước) Đề

xuất

(các)

X

phương án chế tạo máy bơm nước Đánh giá tính khả thi của phương án đưa

X

69 ra. Xây dựng kế hoạch

X

chế tạo máy bơm nước và thống nhất kế hoạch với các bạn trong nhóm. Thực hiện Phân công nhiệm vụ

X

giải pháp cho các thành viên chế

tạo trong

nhóm,

tiến

máy bơm hành thực hiện các nước

đã nhiệm vụ theo kế

đề xuất ở hoạch. trên. Đánh

Đánh giá Đánh giá cách làm

giá

giải pháp của mình và đề xuất

cách

đưa ra kết những cải tiến mong

làm

luận

X

muốn.

của Khám phá các giải

mình,

pháp mới mà có thể

khám

thực hiện được và

phá các

điều

giải

chỉnh

hành

động của mình.

pháp mới,

Tính khả thi của giải

vấn đề

pháp mới

mới

X

Phát hiện Liên hệ được hiện những vấn

tượng thực tế với đề kiến thức vật lí có

X

70 mới

liên quan. Nhận ra những vấn

X

đề mới từ kết quả, sản phẩm đã thực hiện Nhận xét của GV: HS Đỗ Thành Ân là HS có học lực khá, em nắm bắt được vấn đề, về khung năng lực GQVĐTT thì em rất nhạy bén trong thu thập thông tin, đề xuất giải pháp và thao tác thành thạo trong tiến hành chế tạo máy bơm nước tiện ích. Trong suốt quá trình chế tạo máy bơm nước em chăm chỉ tìm hiểu kiến thức từ thí nghiệm và tính toán nhanh nhạy, bắt tay chế tạo phao rất tập trung, yêu công việc chế tạo mà mình đang làm. Bảng 3.3. Bảng kiểm quan sát năng lực GQVDTT của HS Nguyễn Công Hậu lớp 10A3 – Trƣờng THPT Ba Gia

Các mức độ đạt đƣợc tƣơng ứng với các chỉ số hành vi

Năng lực

Thành tố

thành năng lực

Chỉ số hành vi

phần

Mức 1

Mức 2

1- 2

3-4

5-7

điểm

điểm

điểm Xác định Mô tả được vai trò Phát hiện/ xác định rõ vấn đề cần giải quyết gắn với

Mức 3

Mức 4 8-10 điểm

X

được vai máy bơm nước trong trò việc

của thực tế sử

máy bơm nước trong thực tế

Trình bày được đặc điểm của máy bơm nước.

X

71 thực tiễn

Mô

tả Diễn đạt được các

X

được cấu thành phần cấu tạo tạo

của nên máy bơm nước

máy bơm theo ngôn ngữ khoa nước

học.

thông

Phát biểu được bản

dụng hiện

chất hoạt động của

nay

máy bơm nước

Thực

Năng lực Thu thập và sắp xếp

hiện

đề xuất và các thông tin liên

giải

chọn giải quan đến máy bơm

pháp

pháp

Đề

máy

phương án chế tạo

bơm

máy bơm nước

xuất

(các)

Đánh giá tính khả thi

tiện ích

X

nước.

Chế tạo

nước

X

X

X

của phương án đưa ra. Xây dựng kế hoạch

X

chế tạo máy bơm nước và thống nhất kế hoạch với các bạn trong nhóm. Thực hiện Phân công nhiệm vụ giải pháp cho các thành viên chế

tạo trong

nhóm,

tiến

máy bơm hành thực hiện các nước đã đề nhiệm vụ theo kế xuất ở trên. hoạch.

X

72 Đánh

Đánh giá Đánh giá cách làm

giá

giải pháp của mình và đề xuất

cách

đưa ra kết những cải tiến mong

làm

luận

của

muốn. Khám phá các giải

mình,

X

X

pháp mới mà có thể

khám

thực hiện được và

phá các

điều

giải

động của mình.

chỉnh

hành

pháp Tính khả thi của giải

mới,

pháp mới

vấn đề mới

Phát hiện Liên hệ được hiện những vấn mới

X

tượng thực tế với đề kiến thức vật lí có liên quan. Nhận ra những vấn

X

đề mới từ kết quả, sản phẩm đã thực hiện Nhận xét của GV: HS Nguyễn Công Hậu là HS có học lực trung bình, ban đầu em khá rụt rè để trình bày ý kiên của mình nhưng khi đã nắm bắt được vấn đề thì em rất nhạy bén trong thu thập thông tin và đề xuất giải pháp. Trong suốt quá trình chế tạo máy bơm nước em chăm chỉ tìm hiểu kiến thức từ thí nghiệm và lắng nghe những góp ý từ GV.

73

KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 Qua quá trình theo dõi, quan sát các hoạt động học tập của HS và phân tích kết quả thực nghiệm sư phạm, chúng tôi nhận thấy: - Việc dạy học theo định hướng giáo dục STEM dưới dạng nghiên cứu khoa học thì quy trình dạy học, cung cấp các kiến thức nền cho HS không giống như dạy học theo kiểu truyền thống. GV chỉ định hướng các kiến thức nền và HS tự nghiên cứu là chính, sau đó GV sẽ chốt lại các kiến thức cho HS thông qua các sản phẩm học tập của HS. - Hầu hết HS hoàn thành được những yêu cầu đưa ra dưới sự hướng dẫn của GV và trong quá trình hoàn thành sản phẩm luôn có sự thay đổi về mặt kỹ thuật so với thiết kế nguyên mẫu ban đầu. - Sự đam mê trong nghiên cứu khoa học, sự cần cù của HS là một trong những yếu tố quan trọng trong việc hoàn thành sản phẩm. - Từ những kết quả đánh giá mà HS đạt được, đều đó chứng tỏ nếu HS được hướng dẫn theo đúng quy trình nghiên cứu khoa học thì sẽ phát triển được năng lực GQVDTT. Nói cách khác, giả thuyết khoa học của đề tài đã được kiểm chứng là đúng.

74

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 1. Những kết quả đạt đƣợc của luận văn Đối chiếu với mục đích, nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu, luận văn cơ bản đã đạt được các kết quả sau: - Lựa chọn được cơ sở lí luận về giáo dục STEM: Khái niệm, mục tiêu, các kỹ năng, phân loại và các chủ đề STEM. - Lựa chọn được cơ sở lí luận về năng lực GQVDTT của HS: Khái niệm, đặc điểm của HS, thực trạng của dạy học GQVĐ ở địa bàn tỉnh Quảng Ngãi. - Phân tích và làm rõ được quy trình dạy học các môn khoa học theo phương thức giáo dục STEM nhằm phát triển năng lực GQVDTT và quy trình hướng dẫn HS thực hiện một dự án nghiên cứu khoa học. - Phân tích và xây dựng được bộ tiêu chí đánh giá một dự án nghiên cứu khoa học kỹ thuật. - Phân tích được nội dung chương “Cơ học chất lưu” bài “Áp suất thủy tĩnh. Nguyên lý Pa-xcan” và bài “Sự chảy thành dòng của chất lỏng và chất khí. Định luật Bec-nu-li” - Vật lí 10 NC dưới góc độ STEM - Xây dựng được quy trình dạy học thiết kế máy “Bơm nước tiện ích” theo định hướng giáo dục STEM, trong đó chỉ rõ các hoạt động của GV và HS ở mỗi giai đoạn của quy trình. - Tiến hành tổ chức dạy học theo đúng quy trình đã đề xuất - Tiến hành thực nghiệm sư phạm tại trường THPT Ba Gia, tỉnh Quảng Ngãi và phân tích được kết quả thực nghiệm để khẳng định giả thuyết khoa học của đề tài là đúng. 2. Hạn chế của đề tài Bên cạnh những kết quả đạt được ở trên, đề tài vẫn còn tồn tại một số hạn chế như sau: - Phạm vi thực nghiệm sư phạm còn hạn hẹp (chỉ tiến hành trên một nhóm HS). - Công cụ đánh giá năng lực GQVDTT của HS còn đơn giản (chủ yếu là dựa vào tiêu chí đánh giá một dự án nghiên cứu khoa học kỹ thuật). - Số lần thực nghiệm chưa đủ nhiều nên chưa đủ dữ kiện để khẳng định tính hiệu quả của đề tài đối với toàn bộ HS ở bậc phổ thông.

75 Những hạn chế trên cũng chính là những gợi ý để tác giả tiếp tục nghiên cứu sâu hơn và mở rộng, phát triển đề tài. 3. Kết luận chung Từ việc phân tích cơ sở lí luận và thực tiễn của đề tài, thông qua kết quả thực nghiệm sư phạm, chúng tôi rút ra kết luận: Quy trình tổ chức dạy học theo định hướng giáo dục STEM ở mức độ nghiên cứu khoa học nhằm PTNL GQVDTT của HS đã đề xuất là khả thi, đáp ứng được các yêu cầu đổi mới phương pháp dạy học ở trường phổ thông hiện nay cũng như đáp ứng được các mục tiêu dạy học mà đề tài đã vạch ra. Kết quả thực nghiệm sư phạm cho thấy nội dung các nhiệm vụ học tập giao cho HS là phù hợp với điều kiện thực tiễn và trình độ của các em, cách thức tổ chức và phương pháp hướng dẫn là có tính khả thi. 4. Kiến nghị Kết quả nghiên cứu cho thấy khi áp dụng quy trình tổ chức DH “Chế tạo máy bơm nước tiện ích” - Vật lí 10 đã góp phần PTNL GQVDTT của HS. Do đó, chúng tôi kiến nghị: - Cần mở rộng phạm vi thực nghiệm sư phạm các tiến trình dạy học đã thiết kế ở nhiều lớp, nhiều trường hơn nữa. - Cần mở rộng và phát huy hơn nữa cuộc thi sáng tạo tạo khoa học kỹ thuật ở các trường học, đồng thời vận dụng quy trình dạy học đã đề xuất vào việc tổ chức hướng dẫn HS thực hiện một dự án nghiên cứu khoa học. - Cần xây dựng bộ công cụ dùng để kiểm tra, đánh giá năng lực GQVDTT một cách công phu và tổng quát hơn, có thể sử dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau.

76

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bộ giáo dục và đào tạo (2014), Tài liệu tập huấn dạy học tích hợp ở trường THCS,THPT, NXB Đại học Sư phạm Hà Nội. [2]. Bộ Giáo dục và đào tạo (2018), Chương tr nh giáo dục phổ thông. Chương tr nh tổng thể. [3]. Bộ Giáo dục và đào tạo (2018), Chương tr nh giáo dục phổ thông môn Vật lí. [4]. Bộ Giáo dục và đào tạo (2018), Tài liệu tập huấn dạy học môn khoa học ở trường trung học theo định hướng giáo dục STEM. [5]. Nguyễn Văn Biên (2015), Quy tr nh xây dựng chủ đề tích hợp về Khoa học tự nhiên”, Tạp chí Khoa học trường Đại học Sư phạm Hà Nội. [6]. Lương Duyên Bình (Chủ biên), Nguyễn Xuân Chi, Tô Giang, Trần Chí Minh, Vũ Quang, Bùi Gia Thịnh (2012), Vật lí 10, NXB giáo dục Việt Nam. [7]. Nguyễn Thanh Nga (Chủ biên), Phùng Việt Hải, Nguyễn Quang Linh, Hoàng Phước Muội (2018), Thiết kế và tổ chức chủ đề giáo dục STEM cho HS trung học cơ sở và trung học phổ thông, NXB Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh. [8]. Nguyễn Thanh Nga (Chủ biên), Phùng Việt Hải, Nguyễn Quang Linh, Hoàng Phước Muội, Nguyễn Anh Dũng, Ngô Trọng Tuệ (2018), Dạy học chủ đề STEM cho HS trung học cơ sở và trung học phổ thông, NXB Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh. [9]. Nghị quyết số 138/NQ-CP (Nghị quyết hội nghị chính phủ với địa phương và phiên họp chính phủ thường kỳ tháng 12 năm 2017). [10]. Nguyễn Thị Lan Phương, Đề xuất khái niệm và chuẩn đầu ra của năng lực giải quyết vấn đề với HS trung học phổ thông. Viện khoa học giáo dục, Việt Nam. [11]. Dương Xuân Quý (2017), Hoạt động trải nghiệm sáng tạo trong nhà trường phổ thông, Chuyên đề bồi dưỡng GV THPT. [12]. Bùi Gia Thịnh (chủ biên), Vũ Quang, Dương Tiến Khang, Vũ Trọng Rỹ, Trịnh Thị Hải Yến, Sách Giáo Khoa Vật lí 8, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam. [13]. Bùi Gia Thịnh (chủ biên), Vũ Quang, Dương Tiến Khang, Vũ Trọng Rỹ, Trịnh Thị Hải Yến, Sách Bài Tập Vật lí 8, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam.

77 [14]. Nguyễn Đức Thâm (chủ biên), Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế (2002), Phương pháp dạy học Vật lí ở trường phổ thông, NXB Đại học sư phạm Hà Nội. [15]. Nguyễn Cảnh Toàn (Chủ biên) (2004), Học và dạy cách học, NXB Đại học Sư phạm Hà Nội. [16]. Đỗ Hương Trà (chủ biên), Nguyễn Văn Biên, Tưởng Duy Hải, Dương Xuân Quý, Trần Bá Trình (2019), Dạy học PTNL Vật lí trung học cơ sở, NXB Đại học sư phạm Hà Nội. [17]. Xavier Roegiers (1996), Khoa sư phạm tích hợp - Hay làm thế nào để phát triển các năng lực ở nhà trường, NXBGD, Hà Nội. [18]. http://tieuhoc.daytot.vn/tin-cho-phu-huynh/ky-nang-giao-duc-STEM-554.html [19]. http://www.baohaiquan.vn/Pages/Chuong-trinh-giao-duc-STEM-Nhung-tichcucdang-duoc-nhan-rong.aspx [20].https://dayhocvatli.wordpress.com/2018/03/24/sach-stem-thiet-ke-va-to-chucchu-de-giao-duc-stem-cho-hoc-sinh-trung-hoc-co-so-va-trung-hoc-pho-thong/ [21]. http://www.tapchicongsan.org.vn/home/nghiencuu-traodoi/2018/51835/giao-ducviet-nam-trong-boi-canh-cuoc-cach-mang-cong-nghiep.aspx [22]. https://dantri.com.vn/giao-duc-khuyen-hoc/4-li-do-giao-duc-stem-duoc-nhacnhieu-nhung-chua-trien-khai-rong-o-viet-nam-20181128172631652.htm

PL1

PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1 BÀI BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA HS ĐỐI VỚI GIẢI PHÁP 1 GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hiện nay, ở vùng quê có nhiều vùng đất nhỏ của các hộ gia đình, do diện tích khoảng từ 50 – 200 m2 và ở trên cao nên không thể có nước để canh tác, vì diện tích nhỏ và xa khu dân cư nên nếu sử dụng máy chạy nước bằng nhiên liệu xăng dầu hoặc mô tơ chạy nước bằng năng lượng điện xoay chiều thì chi phí quá tốn kém so thu nhập từ canh tác nên rất nhiều gia đình bỏ hoang đất không canh tác hoặc trồng những loại cây trồng chủ yếu dựa vào nguồn nước trời dẫn đến hiệu quả kinh tế không cao. Xuất phát từ thực tế trên, chúng em muốn tạo ra một máy bơm nước không sử dụng năng lượng điện xoay chiều mà vẫn có thể giúp người dân trong việc tưới nước, qua đó góp một phần công sức nhỏ trong việc cải thiện đời sống cho người nông dân. II. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Hiện nay vấn đề nưới tưới luôn là vấn đề được người nông dân quan tâm trong quá trình canh tác. Để phục vụ cho việc tưới tiêu, trên thị trường hiện nay đã có rất nhiều loại máy bơm nước sử dụng năng lượng điện xoạy chiều và các loại máy bớm nước sử dụng nhiên liệu xăng. Năm 2016 thầy giáo Phạm Đình Mẫn, GV vật Lý của trường THPT chuyên Hoàng Văn Thụ tỉnh Hòa Bình đã chế tạo một giải pháp công nghệ mới có thể đưa đưa nước lên cao sử dụng sức nước dựa trên nguyên tắc hoạt động của guồng nước vẫn được người dân vùng cao sử dụng. Giải pháp công nghệ mới gồm các bộ phận chính: khung máy, bánh đón nước, cục trung gian, củ bơm, xà đỡ và khuyên định vị giúp máy hoạt động ở mọi mực nước suối. Với nguyên lý hoạt động: nước suối chảy tác động vào các cánh đón nước làm bánh đón nước quay, chuyển động của bánh được truyền qua trục trung gian nhờ xích, trục trung gian quay, truyền chuyển động sang củ bơm làm trục củ bơm quay. Khi trục củ bơm quay làm các pít tông trong củ bơm lần lượt hút và nén nước đẩy sang bầu trữ áp, nước từ bầu trữ áp sẽ được đẩy dần lên cao theo đường ống dẫn. Hoạt động của

PL2 máy rất đơn giản, chỉ cần đặt máy xuống suối là máy sẽ hoạt động mà không cần cải tạo dòng suối như đắp đập, chắn dòng. XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA DỰ ÁN I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Áp suất chất lỏng: 1.1. Áp suất chất lỏng Định nghĩa áp suất chất lỏng Áp suất chất lỏng tại một điểm bất kì trong lòng chất lỏng là giá trị áp lực lên một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó. 1.2. Công thức tính áp suất chất lỏng Áp suất của chất lỏng được tính bằng tích của trọng lượng riêng của chất lỏng và độ sâu tính từ điểm tính áp suất tới mặt thoáng chất lỏng. p=d.h Trong đó: d (N/m3) trọng lượng riêng của chất lỏng h (m) độ sâu tính từ điểm tính áp suất tới mặt thoáng chất lỏng p (Pa) áp suất của chất lỏng 1.3. Phân loại áp suất: Áp suất chất lỏng đƣợc chia làm hai loại: - Áp suất tuyệt đối Áp suất tuyệt đối là tổng áp suất gây ra bởi cả khí quyển và cột chất lỏng tác dụng lên điểm trong lòng chất lỏng. Ký hiệu: pa Công thức: pa=p0+γh Trong đó:  p0

là áp suất khí quyển



γh là trọng lượng riêng của chất lỏng



h là độ sâu thẳng đứng từ mặt thoáng chất lỏng đến điểm được xét

- Áp suất tƣơng đối Áp suất tương đối còn gọi là áp suất dư là áp suất gây ra chỉ do trọng lượng của cột chất lỏng. Ngoài ra áp suất tương đối là hiệu giữa áp suất tuyệt đối và áp suất khí

PL3 quyển. Nếu áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển thì ta được áp suất chân không. 1.4. Định nghĩa áp suất thủy tĩnh: Áp suất thủy tĩnh (áp suất tĩnh) là áp suất của chất lỏng ở độ sâu h Công thức áp suất thủy tĩnh: p=pa+gh Trong đó: + p là áp suất thủy tĩnh hay áp suất tĩnh của chất lỏng (Pa) + h là độ sâu so với mặt thoáng (m) + pa là áp suất khí quyển (Pa) +  là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3) 2. Nguyên lý Pascal a. Phát biểu: Độ tăng áp suất lên một chất lỏng chứa trong bình kín được truyền nguyên vẹn cho mọi điểm của chất lỏng và thành bình. b. Biểu thức p = png+ρgh png là áp suất từ bên ngoài nén lên mặt chất lỏng. 3. Hệ thức liên hệ giữa tốc độ và tiết diện trong của ống dòng a. Hệ thức giữa tốc độ chảy và tiết diện của ống: V1.S1= V2.S2 Trong một ống dòng tốc độ của chất lỏng tỉ lệ nghịch với diện tích tiết diện của ống. b. Lƣu lƣợng của chất lỏng. Là thể tích khối chất lỏng chảy qua tiết diện của ống trong một đơn vị thời gian. Kí hiệu: A Công thức: A = S1.V1= S2.V2. Đơn vị: m3/s hoặc m3/ h Khi chảy ổn định lưu lượng chất lỏng trong một ống dòng là không đổi. 4. Tỷ số truyền của bánh răng - Trong kỹ thuật cơ, tỷ lệ bánh răng là một thước đo trực tiếp về tỷ lệ tốc độ quay của hai hoặc nhiều bánh răng liên kết. Theo nguyên tắc chung, khi xử lý tính

PL4 toán bánh răng, nếu bánh răng (trực tiếp nhận lực quay từ động cơ) lớn hơn bánh răng hướng dẫn, sau này sẽ quay nhanh hơn và ngược lại. - Chúng ta có thể diễn đạt khái niệm cơ bản này với công thức: Tốc độ bánh răng = T2 / T1 (trong đó T1 là số răng trên bánh răng thứ nhất và T2 là số răng trên trục thứ hai) 5. Hành trình pittông Khoảng cách pittong đi từ diểm chết trên đến điểm chết dưới là hành trình của pittong II. XÂY DỰNG, THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI (NGUYÊN MẪU) CHO HỆ THỐNG

Nƣớc

III. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦA HỆ THỐNG + Khi cánh quạt quay (dựa vào sức gió, quay tay hoặc dùng mô tơ điện một chiều)  bánh răng 1 quay  bánh răng 2 quay  bánh răng 3 quay

PL5 + Bánh răng 3 được nối lệch tâm với chốt pittông  bánh răng 3 quay thì làm cho pittông chuyển động tịnh tiến lên xuống trong xilanh + Khi pittông đi lên, áp suất ống nước giảm van một chiều 1 mở và van van một chiều 2 đóng  nước được hút vào ống + Khi pittông đi xuống, áp suất ống nước tăng van một chiều 1 đóng và van van một chiều 2 mở  nước được đẩy đi lên + Quá trình trên lặp đi lặp lại nhiều lần thì nước sẽ được đưa từ nơi thấp đến nơi cao IV. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO HỆ THỐNG (THEO NGUYÊN MẪU) - Đường kính trong của xi lanh d = 90mm - Hành trình pittong s = 15 cm - Bánh răng: sử dụng bộ bánh răng của hộp số xe máy - Thể tích một lần bơm (ứng với trục khuỷu quay một vòng):

d2 V   s = 9,54.10-4 m3 4 GIẢ THUYẾT KHOA HỌC VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU I. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC: Từ thực tiễn, cơ sở khoa học mà nhóm nghiên cứu tìm hiểu và xây dựng, chúng em nhận thấy hoàn toàn chúng ta có thể chế tạo thành công một hệ thống một máy bơm nước sử dụng từ nguồn năng lượng gió, nguồn năng lượng 1 chiều hoặc quay tay để đưa nước từ nơi thấp đến nơi cao nhằm phục vụ cho việc tưới tiêu của người nông dân trong quá trình canh tác. II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU - Thông qua dự án giúp chúng em áp dụng các kiến thức Vật lý đã học để giải quyết một nhiệm vụ cụ thể trong thực tiển đời sống - Góp một phần nhỏ công sức của mình trong việc cải thiện đời sống cho người nông dân. - Sản phẩm thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm môi trường - Sản phẩm có thể áp dụng rộng rãi vào trong thực tiển cuộc sống.

PL6 TIẾN TRÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU I. Phƣơng pháp nghiên cứu: - Phương pháp nghiên cứu tài liệu - Phương pháp thực nghiệm - Phương pháp tính toán, thống kê các số liệu II. Tiến trình nghiên cứu Giai đoạn 1: Xây dựng ý tƣởng nghiên cứu Giai đoạn 2: Tìm hiểu và mua các thiết bị, linh kiện trên thị trƣờng Giai đoạn 3: Tiến hành lắp ráp thiết bị

Hình ảnh sản phẩm (theo nguyên mẫu ban đầu) Giai đoạn 4: Thử nghiệm thiết bị và thảo luận Bƣớc 1: Thử nghiệm thiết bị Nhóm nghiên cứu chúng em đã tiến hành thử nghiệm thiết bị và nhận thấy: - Thiết bị vận hành theo đúng với nguyên lý hoạt động đã xây dựng - Hạn chế: Khi vận hành thử thì lực quay làm cho hệ thống vận hành còn quá lớn, với mục đích sử dụng năng lượng nguồn năng lượng 1 chiều hoặc năng lượng gió thì không thể làm quay được thiết bị Bƣớc 2: Thảo luận, tìm ra nguyên nhân và hƣớng khắc phục - Nguyên nhân làm cho hệ thống khó vận hành là do ma sát giữa pittong và xi lanh còn quá lớn. - Hệ thống biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến bị lỗi

PL7 - Hướng khắc phục: + Làm lại hệ thống xilanh và pittong sao cho ma sát giữa chúng nhỏ nhất có thể (giảm đường kính của xinh lanh và giảm hành trình pittong) + Điều chỉnh lại hệ thống truyền lực biến chuyển quay thành chuyển động tịnh tiến Giai đoạn 5: Hoàn thiện sản phẩm lần 2.

Hình ảnh sản phẩm lần thứ 2 - Tiến hành lắp ráp hoàn thiện sản phẩm lần 2 - Thử nghiệm thiết bị vận hành theo đúng với nguyên lý hoạt động đã xây dựng - Lực ma sát giữa pittong và xi lanh nhỏ hơn so với sản phẩm ban đầu, dẫn đến lực làm làm cho thống vận hành giảm đáng kể so với sản phẩm ban đầu - Hạn chế, thảo luận nguyên nhân: + Mặc dù hành trình pittong là 10 cm có giảm đi so với nguyên mẫu, tuy nhiên trong quá trình chuyển động thì trục gắn giữa trục khuỷu với pitong chuyển động còn quá lệch trục so với trục đối xứng của xilanh nên trong quá trình chuyển động pittong vẫn còn tác dụng áp lực tương đối lớn lên xilanh dẫn đến làm cho lực ma sát giữa pittong và xilanh vẫn còn lớn. + Hai bánh răng của hệ thống truyền lực không thật sự đồng phẳng, dẫn đến khi hệ thống quay nhanh thì xích truyền động bị rơi ra ngoài. - Tìm ra hƣớng khắc phục + Điều chỉnh lại trục khuỷu, sao cho hành trình pittong khoảng 8 cm + Điều chỉnh lại hệ thống truyền lực sao cho hai bánh răng luôn đồng phẳng trong quá trình chuyển động

PL8 Giai đoạn 6: Hoàn thiện sản phẩm lần 3

Hình ảnh sản phẩm lần 3 - Tiến hành lắp ráp hoàn thiện sản phẩm lần 3 - Thử nghiệm thiết bị vận hành theo đúng với nguyên lý hoạt động đã xây dựng - Hệ thống vận hành ổn định, đúng với yêu cầu đặt ra ban đầu - Hạn chế: Hạn chế duy nhất của thiết bị ở sản phẩm lần 3 là nước được bơm lên chỉ đưa được lên cao 1m, dẫn đến không đáp ứng được yêu cầu tưới tiêu cho người nông dân - Thảo luận tìm hƣớng khắc phục: Để đưa nước được đi xa chúng em đã tìm hiểu trên mạng Internet và lắp ráp được một hệ thống gọi là bình tự áp gắn vào đường nước ra của thiết bị. Cấu tạo bình tự áp:

Hình ảnh: Bình tự áp 1 – Van khóa, 2 – Van xả một chiều, 3 – Bình áp suất, 4 – Van, vòi dẫn nước lên cao.

PL9 Cơ chế hoạt động của bình tự áp là nước được dẫn vào máy bơm thì bị van một chiều thứ nhất chặn lại, tạo ra áp suất đột ngột làm mở van một chiều thứ hai gắn ở đáy bình áp suất. Van thứ hai mở ra, dẫn nước vào bình áp suất, ép không khí trong bình lên đỉnh và nén lại. Không khí bị nén tới hạn lại đẩy khối nước xuống lại đáy bình, một phần của khối nước chảy theo ống dẫn (gắn dưới đáy bình). Quá trình này lặp đi lặp lại, đẩy nước từ ống dẫn ở lên trên cao. Điểm đặc biệt của bơm tự áp là khi ta tích áp cho bình một áp suất nhất định thì trong quá vận hành áp suất trong bình luôn luôn không thay đổi, cụ thể khi lượng nước được đẩy lên thì áp suất trong bình giảm xuống bao nhiêu thì khi đó lượng nước đưa vào bình tự áp sẽ tăng lên lại bấy nhiêu. Kết quả là nước được đưa lên cao khoảng hơn 7 m so với mực nước mặt hồ và hệ thống vận hành khá ổn định Giai đoạn 6: Ứng dụng sản phẩm vào thực tiễn

Hình ảnh sản phẩm hoàn thiện trong thực tế Giai đoạn 7: Viết báo cáo và hoàn thành dự án KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU – HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA DỰ ÁN 1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Sau khi tìm hiểu xây dựng ý tưởng nghiên cứu đến khi hoàn thiện dự án, trong khoảng thời gian hơn 3 tháng chúng em thu được kết quả như sau: - Xây dựng và thiết kế thành công cho mô hình của dự án

PL10 - Tìm hiểu và mua được các thiết bị hỗ trợ cho việc thiết kế - Tiến hành lắp ráp thành công sản phẩm - Thử nghiệm thành công sản phẩm - Sản phẩm có thể sử dụng nhiều dạng năng lượng khác nhau như điện 1 chiều, quay thủ công hoặc có thể dùng năng lượng gió - Tính toán các số liệu thiết kế cho sản phẩm: + Đường kính xilanh: D = 49 mm = 0,049 m + Hành trình pittông: h = 80 mm = 0,08 m + Thể tích nước (lý tưởng) cho một lần bơm: V0 =

.D2 .h = 1,5.10 -4 m3 4

- Đối với quay thủ công (quay tay): Số vòng quay trên 1 phút là 40 vòng  Thể tích nước (lý tưởng) bơm được trong 1 phút: Vp = 40.V 0 = 6.10 -3 m3 = 6 lít  Thể tích nước (lý tưởng) bơm được trong 1giờ: VG = 60.V p = 0,36 m3 = 360 lít + Trong thực tế thể tích nước khi máy sử dụng (quay tay) trong thời gian 1 phút là 5 lít  Thể tích nước thực tế được bơm lên được trong 1giờ: V’G = 300 lít + Hiệu suất của máy: H =

V'G .100(%) = 83,3% VG

- Khi sử dụng moto điện 1 chiều 12 V, trong 1 phút thể tích nước được bơm lên là 6 lít - Khi sử dụng nguồn năng lượng gió thì lượng nước được đưa lên tùy thuộc vào sức gió 2. ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM a. Ƣu điểm - So với mô hình thiết kế ban đầu (nguyên mẫu) thì sản phẩm có sự thay đổi về mặt cấu tạo về hệ thống truyền lực nhưng vẫn giữ nguyên nguyên lý hoạt

PL11 động so với nguyên mẫu, điều này chứng tỏ cơ sở lý thuyết ban đầu mà nhóm nghiên cứu xây dựng là hoàn toàn phù hợp, chính xác. - Điểm mới của dự án là nguồn nước được sử dụng là nguồn nước tĩnh, nguồn năng lượng để hệ thống vận hành là nguồn năng lượng điện 1 chiều (ắc quy) hoặc quay tay (hoặc có thể sử dụng năng lượng gió) - Với lượng nước được đưa lên như kết quả nhóm đã thực nghiệm thì hoàn toàn sản phẩm trên có thể được áp dụng để tưới tiêu những mảnh đất có diện tích nhỏ - Sản phẩm có thể được ứng dụng trong thực tiễn, qua đó có thể cải thiện một phần đời sống kinh tế cho người nông dân. - Tính tiện ích của sản phẩm còn được thể hiện ở điểm ngoài việc tưới tiêu thì người nông dân có thể sử dụng sản phẩm để đưa nước lên bồn từ giếng đóng nếu bị cúp điện b. Hạn chế - Hệ thống pittong và xilanh tự chế nên vẫn còn có ma sát tương đối lớn trong quá trình chuyển động. - Thời gian sử dụng năng lượng của nguồn ắc quy cung cấp cho thiết bị không được lâu 3. HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA DỰ ÁN - Thay nguồn năng lượng quay thủ công thành nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời (pin mặt trời) - Thay đổi hệ thống bơm nước bằng môtơ DC12

PL12 PHỤ LỤC 2 BÀI BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA HS ĐỐI VỚI GIẢI PHÁP 2 GIẢ THUYẾT KHOA HỌC VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI I. Giả thuyết khoa học: Từ thực tiễn, cơ sở khoa học mà nhóm nghiên cứu tìm hiểu và xây dựng, chúng em nhận thấy hoàn toàn chúng ta có thể chế tạo thành công một hệ thống một máy bơm nước tự động sử dụng từ nguồn năng lượng mặt trời để đưa nước từ nơi thấp đến nơi cao nhằm phục vụ cho việc tưới tiêu của người nông dân trong quá trình canh tác. II. Mục đích nghiên cứu - Thông qua dự án giúp chúng em áp dụng các kiến thức Vật lý đã học để giải quyết một nhiệm vụ cụ thể trong thực tiễn đời sống - Chế tạo thành công hệ thống bơm nước tưới tiêu tự động bằng năng lượng mặt trời sử dụng động cơ DC12V - Sản phẩm thân thiện với môi trường, không gây ô nhiễm môi trường - Sản phẩm có thể áp dụng rộng rãi vào trong thực tiển cuộc sống. III. Mục tiêu cụ thể của đề tài 1. Nguồn năng lƣợng: Sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp cho hệ thống 2. Động cơ bơm nƣớc: - Chế tạo máy bơm nước dùng động cơ DC 12V - Lượng nước được bơm lên lớn hơn 1000 lít/giờ 3. Tính tự động hóa: Sử dụng cảm biến độ ẩm đất để đóng ngắt tự động cho hệ thống 4. Tính thực tiễn: - Chế tạo hệ thống bình tự áp để đưa nước lên cao phục vụ việc tưới tiêu - Thiết bị dễ lắp ráp, sử dụng - Giá thành sản phẩm phù hợp với người sử dụng

PL13 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Đối tƣợng nghiên cứu: - Tìm hiểu cơ sở lý thuyết để xây dựng đề tài + Thời gian sạc acquy khi dùng pin Mặt Trời và thời gian sử dụng acquy khi có tải + Nguyên lý hoạt động của máy bơm nước + Cơ chế tích áp trong bình tự áp và dùng áp suất để đưa nước lên cao + Nguyên lý hoạt động của cảm biến độ ẩm đất - Chế tạo hệ thống bơm nước tự động bằng năng lượng mặt trời sử dụng động cơ DC12V 2. Xây dựng sơ đồ nguyên mẫu cho hệ thống a. Sơ đồ khối nguyên mẫu Đƣa nƣớc lên cao

Năng

Mạch điều

lƣợng

khiển đóng ngắt

Thiết bị

Thiết bị

bơm nƣớc

tích áp

b. Nguyên lý hoạt động: - Nước được bơm từ thiết bị bơm nước qua thiết bị tích áp để đưa nước lên cao - Nguồn năng lượng cung cấp cho thiết bị bơm nước sẽ thông qua mạch điều khiển đóng ngắt tự động 3. Nghiên cứu cở sở lý thuyết cho hệ thống 3.1. Thời gian sạc và sử dụng của bình ắc quy. 3.1.1. Thời gian sạc: - Thời gian sạc cho một bình ắc quy được tính như sau: t = q/I Trong đó: + q (Ah) là dung lượng bình ácquy + I (A) là cường độ dòng điện nạp

PL14 + t (h) là thời gian sạc - Để tính thời gian sạc của bình ắc quy ta cần đo I (dùng Ampe kế) và dung lượng q (Ah) đọc từ thông số của bình ắc quy 3.1.2. Thời gian sử dụng bình ắc quy - Thời gian sử dụng của một bình ắc quy được tính như sau: H

A tt Ptt .t H.E.q  t A ng E.q Ptt

Trong đó: +H (%) là hiệu suất của bình ắc quy + Ang là công của nguồn + Ptt là công suất tiêu thụ của thiết bị (tải) + E là suất điện động của bình ắc quy + q là dung lượng của bình ắc quy + t là thời gian sử dụng - Để tính thời gian sử dung ta cần: + Đọc các thông số từ bình ắc quy để biết E và q + Biết được công suất tiêu thụ của tải + Biết được hiệu suất của bình ắc quy (H  80% = 0,8) 3.2. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy bơm nƣớc 3.2.1. Cấu tạo chung: Gồm các bộ phận sau: - Vỏ động cơ: Bảo vệ các chi tiết bên trong của động cơ điện. - Phần tĩnh (Stato): Thành phần cơ bản của một động cơ điện. - Trục quay (Rôto): Truyền chuyển động qua đầu bơm. - Quạt: Làm mát động cơ. - Bạc đạn: Cố định vị trí của Rô to và cho phép Rô to xoay vòng. - Bảng điện: Truyền điện năng vào trong động cơ. 3.2.2. Nguyên lý hoạt động - Máy bơm nước vận hành dựa trên nguyên lí chung là hút hết không khí ra khỏi một đường ống (tạo chân không) làm cho áp suất trong đường ống giảm về 0. Khi đó, áp suất khí quyển đè lên mặt nước, làm cho nước trong ống dâng lên.

PL15

- Khi thân bơm và ống hút được cung cấp đầy đủ nước, máy sẽ hoạt động theo quá trình hút đẩy, quá trình hút đẩy này được diễn ra liên tục nhằm tạo ra dòng chảy không ngừng giúp vận chuyển nước. 3.3. Cảm biến độ ẩm đất: Mạch công tắc cảm biến độ ẩm đất XH-M214 Mạch công tắc cảm biến độ ẩm đất XH-M214 tự động đóng, ngắt điện khi độ ẩm đất thấp hơn ngưỡng cài đặt, Bộ phận cảm biến độ ẩm đất được mạ nikel, chống oxy hóa, tĩnh điện. Bộ phận rơ le đóng ngắt được tải dòng 10A.

3.3.1. Thông số kỹ thuật: - Điện áp hoạt động: 12VDC - Dải độ ẩm: 20 ~ 99%RH - Độ chính xác: 1%RH - Ngõ ra: tiếp điểm relay COM-NO - Dòng tải relay: 10A - Điều chỉnh thông số bằng nút nhấn trên mạch - Trọng lượng: 28g 3.3.2. Cấu tao và nguyên lý hoạt động Bộ phận cảm biến độ ẩm đất sử dụng mạch chất lượng FR-04 2 mặt mạ nikel, chống oxy hóa, tĩnh điện. Bộ phận rơ le đóng cắt được tải dòng cao tới 10A và công suất lớn.

PL16 Mạch cảm biến độ ẩm của đất cho phép đo độ ẩm của đất và điều khiển rơ le khi đất quá khô hoặc quá ẩm. Mạch cảm biến độ ẩm của đất gồm 2 bộ phận: + Bộ phận cảm biến độ ẩm được gắm thẳng xuống đất + Bộ phận điều chỉnh độ nhạy nằm phía trên mặt đất Mạch cảm biến độ ẩm của đất hoạt động bằng cách so sánh độ ẩm từ phần nằm dưới mặt đất với giá trị định trước (giá trị này thay đổi được thông qua 1 biến trở màu xanh) từ đó phát ra tín hiệu đóng / ngắt rơ le. 3.3.3. Cách cài đặt độ ẩm: - Bấm phím SET Hiện F0 Bấm phím +/- để chuyển sang F1 hoặc F2 - Khi hiện F0, F1 hoặc F2 thì bấm phím SET lần nữa để chọn độ ẩm - Cài đặt độ ẩm xong thì đợi 1 lúc mạch tự thoát chế độ cài đặt - F0: Mức độ ẩm trên, khi độ ẩm đất cao hơn F0 thì mạch ngắt điện, van nước đóng hoặc máy bơm tắt - Thiết lập giá trị độ ẩm đóng relay + Khi màn hình hiển thị F0  nhấn nút SET để vào cài đặt giá trị F0  nhấn nút +/- để tăng giảm đến giá trị mong muốn. + F1: Mức độ ẩm dưới, khi độ ẩm đất thấp hơn F1 thì mạch đóng điện, van nước mở hoặc máy bơm chạy - Thiết lập giá trị độ ẩm ngắt relay + Khi màn hình hiển thị F0  nhấn nút +/- đến khi hiển thị F1  nhấn nút SET để vào cài đặt giá trị F1  nhấn nút +/- để tăng giảm đến giá trị mong muốn. - F2: Hiệu chỉnh sai số, độ ẩm mạch đo được sẽ được cộng thêm F2. Thường để F2 = 0 - Điều chỉnh độ ẩm - ở chế độ này sử dụng trong các trường hợp: + Hiệu chỉnh lại giá trị độ ẩm đo được. + Có thể sử dụng mà không cần hiệu chỉnh. + Sử dụng nhiều module làm việc cùng lúc trong cùng môi trường để việc quản lý hoạt động được thống nhất.

PL17 3.3.4. Sơ đồ đấu dây điều khiển thiết bị 12V:

3.4. Bộ điều khiển sạc ắc quy tự động bằng năng lƣợng mặt trời Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời là thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu nhằm nâng cao tuổi thọ của bình ắc-quy, và giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài. Bộ điều khiển sạc còn cho biết tình trạng nạp điện của Panel mặt trời vào ắc-quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được các phụ tải. Ngoài ra nó còn giúp thực hiện việc bảo vệ nạp quá điện thế (>13,8V) hoặc điện thế thấp (<10,5V)

Hƣớng dẫn sử dụng bộ điều khiển sạc: – Sử dụng trong phạm vi thông số kỹ thuật máy. – Quan sát kỹ các cực vào ra ở mặt máy trước khi đấu nối: + Cực (+), cực (-) đầu vào Solar + Cực (+), cực (-) của ăcquy đến bộ điều khiển sạc. + Cực (+), cực (-) của tải DC.

PL18 – Đảm bảo, nối đúng và siết chặt tại các đầu nối trước khi khởi động công tắc (ON). –

Công tắc “MAIN”: là công tắc chính, luôn luôn phải mở (ON). Công tắc này

dùng đóng/ngắt chức năng sạc, không ảnh hưởng đối với các LED hiển thị. –

Công tắc “LOAD”: đóng ngắt điện ra tải sử dụng.

–

Máy sẽ họat động sau 3-5 phút từ khi khởi động công tắc “MAIN”.

– LED hiển thị mức điện áp ắcquy nối vào máy. – LED “Solar” báo khi có Solar nối vào máy và đủ nắng 4. Xây dựng nguyên lý hoạt động của hệ thống bơm nƣớc tƣới tiêu tự động a. Sơ đồ nguyên lý Pin mặt trời

Bộ điều khiển sạc

Cảm biến độ ẩm

Moto bơm nước 12V

Bình tích áp

Bình Acquy Nƣớc b. Nguyên lý hoạt động: Sử dụng nguồn năng lượng pin mặt trời để nạp điện cho ắc quy thông qua bộ điều khiển sạc. Nguồn điện từ ắc quy (lấy từ bộ điều khiển sạc) sẽ cung cấp cho máy bơm nước DC 12V Cảm biến độ ẩm có vai trò như một công tắt sẽ đóng/ngắt mạch tự động, khi độ ẩm đất nhỏ hơn hoặc lớn hơn giá trị cài đặt ban đầu

PL19 Nước từ máy bơm DC 12V sẽ cấp cho bình tích áp và từ đó nước sẽ được đưa lên cao, phục vụ tưới tiêu. 5. Các giai đoạn để thực hiện dự án Giai đoạn 1: Xây dựng ý tƣởng nghiên cứu Giai đoạn 2: Tìm hiểu và mua các thiết bị, linh kiện trên thị trƣờng Giai đoạn 3: Tiến hành chế tạo máy bơm nƣớc DC12V - Sử dụng động cơ DC 12V – 775, công suất 80W để chế tạo - Chế tạo bộ phận cánh quạt, hệ thống van hút và đẩy bằng ống nhựa

- Test thiết bị máy bơm nước bằng nguồn điện DC 12V Giai đoạn 4: Test thiết bị cảm biến độ ẩm - Lắp ráp thiết bị theo sơ đồ nguyên lý - Kiểm tra điện áp lấy ra bằng đồng hồ đa năng (vôn kế)

Giai đoạn 5: Lắp ráp và thử nghiệm hệ thống bơm nƣớc tƣới tiêu Sau khi test các thiết bị và chế tạo các bộ phận cho hệ thống, nhóm nghiên cứu chúng em tiến hành lắp ráp và vận hành thử nghiệm hệ thống

PL20

Giai đoạn 6: Thảo luận và hoàn thiện sản phẩm

Sau khi thử nghiệm hệ sản phẩm nhóm nghiên cứu chúng em nhận thấy: - Cảm biến độ ẩm: Hoạt động ổn định, đóng/ngắt mạch đúng theo độ ẩm nhập vào thiết bị. - Lượng nước được đưa lên đối với bơm nước DC12V là 10 lít trong thời gian 15 giây - Khi tích áp với áp suất 0,3 kg/cm2 thì độ cao nước mà hệ thống đưa lên cao là hơn 6m Từ những kết quả trên chúng em nhận thấy hệ thộng hoạt động theo đúng tiêu chí ban đầu đưa ra và tiếp tục hoàn thiện sản phẩm Giai đoạn 7: Viết báo cáo và hoàn thành dự án

PL21 KẾT QUẢ (SỐ LIỆU) NGHIÊN CỨU 1. Thời gian sạc cho bình ắcquy 12V: Nguồn pin mặt trời sử dụng có thông số kỹ thuật là: công suất cực đại là 40W, suất điện động là 22,05V, dòng điện cực đại (ngắn mạch) là 2,56A. Kết quả thu được: Cƣờng độ chiếu sáng Tối đa Thời gian sạc (giờ)

 5,5

Tối thiểu

Trung bình

7

 6,25

Bảng 1 2. Cảm biến độ ẩm XH-M214: Cảm biến độ ẩm có vai trò đóng ngắt mạch tự động theo độ ẩm đất. Độ ẩm nhóm nghiên cứu chúng em test cho thiết bị là từ 40% đến 60% Độ ẩm đất đo được

Nhỏ hơn 40%

Lớn hơn 60%

Chế độ

Đóng

Ngắt

Bảng 2 3. Lƣợng nƣớc đƣa lên khi test với máy bơm nƣớc 12VDC tự chế: - Lượng nước đưa lên khá ổn định, trong 15 giây lượng nước đo được là 10 lít - Độ cao nước được đưa lên là 3,5 m 4. Lƣợng nƣớc đƣa lên khi test hệ thống theo áp suất tích trong bình tích áp: Nước từ máy bơm DC12V sẽ qua bình tích áp, trên bình tích áp có gắn áp kế để đo áp suất trong bình. Số chỉ áp kế

Độ cao nƣớc tối đa

Thời gian

Lƣợng nƣớc

(kg/cm2)

(mét)

(giây)

(lít)

0

3,5

15

 10

0,1

 4,5

15

9

0,2

 5,5

15

8

0,3

 6,5

15

7

Bảng 3

PL22 PHÂN TÍCH SỐ LIỆU, KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Phân tích kết quả thời gian sạc và sử dụng của bình Ắcquy: a. Thời gian sạc: - Bình ắcquy sử dụng có thông số kỹ thuật là 12V – 10Ah, nghĩa là bình ắc quy có suất điện động E = 12V và dung lượng q = 10Ah - Dùng đồng hồ đa năng đo được điện áp cấp cho bình ắc quy là 12,5 V và cường độ dòng điện khoảng 1,9A (khi cường độ chiếu sáng tối đa) - Thời gian sạc của bình được tính theo công thức: t 

q  5, 26(h) I

Như vậy: So sánh với số liệu thu được ở bảng 1 thì kết quả tính toán thời gian sạc 5,26 (h) là hoàn toàn hợp lý b. Thời gian sử dụng: - Thời gian sử dụng của một bình ắc quy được tính như sau: H

A tt Ptt .t H.E.q  t A ng E.q Ptt

Trong đó: +H  80 (%) là hiệu suất của bình ắc quy + Ptt = 80 W là công suất tiêu thụ của mô tơ 775 – 12V + E = 12 V là suất điện động của bình ắc quy + q = 10Ah là dung lượng của bình ắc quy + t là thời gian sử dụng - Với các thông số trên ta tính được: t = 1,2 giờ Nhận xét: - Trong thực tế thì trong quá trình sử dụng, ắc quy sẽ sạc và cung cấp điện áp cho thiết bị đồng thời nên thời gian sử dụng t  1,2 giờ - Với mục đích là tưới tiêu những vùng đất có diện tích nhỏ và sử dụng cảm biến độ ẩm để đóng ngắt tự động thiết bị thì với khoảng thời gian sử dụng trên là hoàn toàn có thể đạt được mục đích sử dụng. 2. Phân tích kết quả lƣợng nƣớc đƣa lên khi test hệ thống theo áp suất tích trong bình tích áp: Từ kết quả bảng 3, ta vẽ được đồ thị của độ cao nước tối đa h đưa lên theo áp suất p tích được trong bình tích áp

PL23

p (kg/cm2) 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0

1

2

3

4

5

6

7

Từ hình vẽ trên ta nhận thấy đồ thị có dạng là một đường thẳng. Phương trình của độ cao h theo áp suất p có dạng: p = -0,35 + 0,1.h (kg/cm2) (Điều kiện độ cao h (m) trong phương trình trên là h  3,5m) Nhận xét: - Để đưa nước lên cao đến độ cao h (m) thì áp suất tích được trong bình p  ph. Trong đó: ph là áp suất cột chất lỏng - Khi h = 3,5m thì p = 0. Lúc này bình tích áp chưa tích áp, độ cao nước tối đa được đưa lên 3,5m. Kết quả này hoàn hoàn phù hợp với kết quả test với bơm nước DC12V khi chưa qua bình tích áp. - Khi p  0. + Xét tại 1 điểm bất kì trên đồ thị, ta chọn điểm có tọa độ h = 5,5 m thì p = 0,2 kg/cm2  19600 N/m2 + Theo lý thuyết thì áp suất cột chất lỏng có độ cao h (m) là: ph = gh (N/m2) Trong đó:

 = 1000 kg/m3 là khối lượng riêng của nước g = 9,8 m/s2 là gia tốc trọng trường

Với p = 0,2 kg/cm2  19600 N/m2 thì h 

ph  2m g

- Ta nhận thấy kết quả thực nghiệm trên là hoàn toàn phù hợp với lý thuyết vì nếu không sử dụng bình tích áp thì độ cao nước tối đa là 3,5 m, khi bình tích áp có áp suất 0,2 kg/cm2 thì độ cao nước do áp suất này đẩy lên là 2 m. Như vậy tổng độ cao nước tối đa được đưa lên là: 3,5 (m) + 2 (m) = 5,5 (m).

PL24 KẾT LUẬN 1. Kết quả nghiên cứu Sau khi tìm hiểu xây dựng ý tưởng nghiên cứu đến khi hoàn thiện dự án, trong khoảng thời gian hơn 6 tháng chúng em thu được kết quả như sau: - Xây dựng và thiết kế thành công cho mô hình của dự án - Tìm hiểu và mua được các thiết bị hỗ trợ cho việc thiết kế - Tiến hành lắp ráp thành công sản phẩm - Thử nghiệm thành công sản phẩm Sau khi thực nghiệm sản phẩm, phân tích kết quả thu được thì nhóm chúng em nhận thấy kết quả nghiên cứu phù hợp với cơ sở lý thuyết của dự án. Lượng nước trung bình đưa lên là 8,5 lít/15giây (1 giờ khoảng 2040 lít), cho thấy sản phẩm có thể ứng dụng vào thực tiễn trong việc tưới tiêu. 2. Kết luận về sản phẩm: a. Ƣu điểm: - Sản phẩm có thể ứng dụng vào tưới tiêu cho người nông dân, đặc biệt là đối với những vùng đất xa khu dân cư. - Sản phẩm có sử dụng cảm biến độ ẩm đất, đóng ngắt mạch tự động. Qua đó tiết kiệm thời gian cho người sử dụng. - Sản phẩm sử dụng nguồn năng lượng mặt trời không gây ô nhiễm môi trường. b. Hạn chế: - Bơm nước tự chế không đảm bảo kín hơi hoàn toàn nên không hút được nước ở độ sâu quá 2m. - Bình tích áp không có van điều khiển áp suất tự động nên khi sử dụng nếu xảy ra sự cố thì có thể làm vỡ bình tích áp. 3. Hƣớng phát triển của dự án - Khắc phục những hạn chế như đã trình bày - Phối hợp với phòng Nông nghiệp (hoặc công ty sản xuất giống cây trồng), cung cấp cho người nông dân bảng độ ẩm đất phù hợp của các loại cây trồng để có cơ sở nhập thông số độ ẩm vào cảm biến độ ẩm. Qua đó nâng cao năng suất của các loại cây trồng. - Thiết bị sử dụng cảm biến độ ẩm đất để tưới tự động nên chúng em sẽ tìm hiểu các mô hình tưới nhỏ giọt để hướng dẫn người nông dân lắp đặt và sử dụng. Qua đó giúp nâng cao hiệu quả của thiết bị tưới tiêu tự động.

PL25 PHỤ LỤC 3 GIẤY XÁC NHẬN GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN KHKT

PL26

PL27 PHỤ LỤC 4 GIẤY CHỨNG NHẬN HỌC SINH ĐẠT GIẢI KHKT

PL28

PL29

PL30