z TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÍ - BÙI THỊ SEN KHỐ LUẬN TỚT NGHIỆP XÂY DỰNG CHỦ ĐỀ STEM “NGÔI NHÀ TỰ LÀM MÁT” DÙNG TRONG DẠY HỌC KIẾN THỨC TIA HỒNG NGOẠI Ở TRƯỜNG THPT Chun ngành : LL&PPDH Bộ mơn Vật lí Mã sô : 665103061 Năm 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA VẬT LÍ - BÙI THỊ SEN KHỐ LUẬN TỚT NGHIỆP XÂY DỰNG CHỦ ĐỀ STEM “NGƠI NHÀ TỰ LÀM MÁT” DÙNG TRONG DẠY HỌC KIẾN THỨC TIA HỒNG NGOẠI Ở TRƯỜNG THPT Chuyên ngành : LL&PPDH Bộ mơn Vật lí Mã sơ : 665103061 Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Sen Giảng viên hướng dẫn: TS Dương Xuân Quý Năm 2020 LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Ban Chủ nhiệm Khoa Vật lí; thầy giáo khoa Vật lí nói chung Bộ mơn Lí luận Phương pháp dạy học Vật lí nói riêng Đồng thời, tơi xin đặc biệt gửi lời tri ân chân thành đến thầy giáo TS Dương Xn Q ln tận tình hướng dẫn, bảo giúp đỡ em nhiều để em hồn thành khố luận naỳ Sau cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng hành, động viên giúp đỡ tơi suốt q trình hồn thiện khố luận Tác giả BÙI THỊ SEN MỤC LỤC BẢNG CHỮ CÁI VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt CSLL DH GD GV HS NL TBTN THPT TN Nội dung Cơ sở lí luận Dạy học Giáo dục Giáo viên Học sinh Năng lực Thiết bị thí nghiệm Trung học phổ thơng Thí nghiệm MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, phát triển mạnh mẽ xã hội đại, ngành giáo dục phải đổi mục đích, nội dung, phương pháp phương tiện dạy học Muốn vậy, học sinh cần trang bị kiến thức khoa học gắn liền với ứng dụng chúng thực tiễn nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội Q trình địi hịi học sinh phải thực theo quy trình khoa học quy trình kĩ thuật để vừa có kiến thức khoa học, vừa áp dụng kiến thức vào thực tiễn Có thể nói, để đáp ứng yêu cầu trên, dạy học STEM phương thức giáo dục tối ưu Trong Vật lí – mơn khoa học thực nghiệm; triển khai dạy học theo phương thức STEM, HS cịn tự xây dựng thiết bị thí nghiệm, sáng tạo mơ hình theo chủ đề để giải vấn đề sống vô hiệu Tìm hiểu thực tiễn trường phổ thơng bối cảnh, trạng xã hội cho thấy: - Tại phịng thí nghiệm Vật lí khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm Hà Nội trường THPT chưa có thiết bị thí nghiệm phục vụ cho việc dạy học nội dung kiến thức “Tia hồng ngoại”: + Do chưa có thiết bị thí nghiệm nghiên cứu tính chất nhiệt tia hồng ngoại, học sinh cảm nhận xúc giác mà khơng có TN kiểm chứng cụ thể + Bên cạnh đó, với tính chất dễ bị hấp thụ tia hồng ngoại, học sinh hoàn toàn học thơng báo, em phải thừa nhận lí thuyết cách thụ động - Việc vận dụng kiến thức tia hồng ngoại vào thực tiễn giúp tăng cường hoạt động trải nghiệm chiếm hữu kiến thức cho học sinh hạn chế bị bỏ qua - Trong đó, thấy trạng thực tế Trái Đất đối mặt với nguy nóng lên ngày; Việt Nam nhiệt độ ngày cao lịch sử cho vào năm 2019 Hà Tĩnh, vào khoảng 43,4 độ C, nhiệt độ Hà Nội năm khoảng 41 độ C: + Các biện pháp chống nóng thơng thường mà người đại áp dụng rộng rãi, phổ biến sử dụng máy lạnh, máy điều hịa nhiệt độ, điều khiến nhiệt độ môi trường tăng cao; đồng thời, giá thành, chi phí để lắp đặt hệ thống làm mát cho nhà cao + Cuộc sống đại, nhà có nhiều đồ dùng, thiết bị điện, nhiệt – nguồn phát tia hồng ngoại khiến nhiệt độ nhà tăng Như vậy, cần thiết bị, sản phẩm mơ hình vừa giúp học sinh chiếm lĩnh kiến thức, vừa áp dụng kiến thức để giải vấn đề thực tiễn Mục đích nghiên cứu đề tài Xây dựng thiết bị giúp học sinh thực thí nghiệm tia hồng ngoại: nghiên cứu tính chất nhiệt tia hồng ngoại, nghiên cứu tính chất dễ bị hấp thụ vật tia hồng ngoại từ xây dựng chủ đề dạy học “mơ hình ngơi nhà tự làm mát” nhằm phát triển lực sáng tạo học sinh Giả thuyết khoa học Nếu xây dựng dụng cụ nghiên cứu tia hồng ngoại xây dựng chủ đề dạy học theo phương thức giáo dục STEM dạy học lớp 12 góp phần phát triển lực sáng tạo học sinh Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài 4.1 Nghiên cứu lí thuyết - Nghiên cứu CSLL giáo dục STEM - Nghiên cứu CSLL DH STEM dạy học vật lí - Nghiên cứu CSLL việc xây dựng TBTN vật lí - Yêu cầu khoa học - kĩ thuật sư phạm TBTN vật lí trường phổ thông - Yêu cầu khoa học - kĩ thuật sư phạm sản phẩm STEM trường phổ thông 4.2 Nghiên cứu thực tiễn - NC đề tài việc xây dựng TBTN tia hồng ngoại - NC nội dung kiến thức Vật lí “ Tia hồng ngoại tia tử ngoại” để xác định kiến thức mà học sinh cần đạt - NC logic tiến trình xây dựng chủ đề STEM để xây dựng giáo án dạy học nội dung kiến thức “ Tính chất tia hồng ngoại” - NC TBTN có để phân tích ưu, nhược điểm - NC TBTN cần tiến hành để dạy học nội dung kiến thức “ Tính chất tia hồng ngoại” theo quy trình STEM 4.3 Xây dựng chủ đề STEM “Ngôi nhà tự làm mát” 4.4 Thử nghiệm, bổ sung, sửa đổi 4.5 Soạn thảo tiến trình dạy học nội dung kiến thức Tia hồng ngoại theo quy trình STEM 4.6 Soạn thảo tiêu chí đánh giá sản phẩm của đề STEM 4.7 Thực nghiệm sư phạm 4.8 Phân tích, đánh giá kết thực nghiệm sư phạm Phạm vi nghiên cứu - Quá trình dạy học nội dung kiến thức “Tia hồng ngoại tia tử ngoại” - Các TBTN sử dụng trình dạy học - Các dự án STEM xây dựng trình dạy học Phương pháp nghiên cứu đề tài - Phương pháp nghiên cứu lí thuyết - Phương pháp nghiên cứu thực tiễn - Phương pháp thực nghiệm sư phạm - Phương pháp thống kê toán học Đóng góp đề tài - Theo phương thức giáo dục STEM, dụng cụ cho phép xây dựng thực thí nghiệm định tính, định lượng nhiệt học chương trình Vật lí THCS THPT, tạo hội để học sinh thực đa dạng hoạt động, thực hành STEM: - Với chương trình THCS, dụng cụ sử dụng thí nghiệm: + Nghiên cứu ngun lí bình thông + Nghiên cứu chất dẫn nhiệt, chất cách nhiệt + Nghiên cứu nội dung dãn nở nhiệt - Với chương trình THPT, dụng cụ sử dụng thí nghiệm: + Nghiên cứu tính chất nhiệt tia hồng ngoại + Nghiên cứu tính chất dễ bị hấp thụ vật tia hồng ngoại - Bên cạnh đó, dụng cụ cịn sử dụng để lồng ghép sản phấm STEM: + Chế tạo nhiệt kế đơn giản đo nhiệt độ khoảng từ 20 đến 60 độ C + Kết hợp arduino cảm biến nhiệt độ để thiết kế, chế tạo thiết bị đo nhiệt độ khơng khí + Chế tạo mơ hình “Ngơi nhà làm mát tự động” Soạn thảo tiến trình dạy học nội dung kiến thức Tia hồng ngoại- Vật lí 12 nhằm phát triển lực đáp ứng yêu cầu môn xã hội Cấu trúc khoá luận luận Ngoài phần mục lục, mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục, luận văn gồm chương: Chương 1: Cơ sở lí luận việc xây dựng chủ đề STEM dạy học vật lí Chương 2: Xây dựng thiết bị dùng dạy học kiến thức tia hồng ngoại qua chủ đề STEM “Ngôi nhà làm mát tự động” 10 PHIẾU ĐÁNH GIÁ A Đánh giá sản phẩm Đánh giá sản phẩm nhà làm mát tự động Tiêu chí Ngơi nhà tích nhỏ 700 cm3 Ngơi nhà có tác dụng làm nhiệt độ khơng khí bên giảm Điểm tối đa hệ thống làm mát khởi động Ngơi nhà có chức làm mát tự động nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép Ngơi nhà có hình thức đẹp Chi phí làm ngơi nhà tiết kiệm Tổng điểm 10 B Đánh giá báo cáo thiết kế sản phẩm Tiêu chí Bản thiết kế kiểu dáng nhà rõ ràng, sáng Điểm tối đa tạo, phù hợp Bản vẽ thiết kế tường nhà rõ ràng, đẹp, nguyên lí Giải thích roc nguyên lí làm mát ngơi nhà Trình bày rõ ràng, logic, sinh động Tổng điểm 10 Điểm đạt GV cần nhấn mạnh: Khi báo cáo phương án thiết kế sản phẩm học sinh phải vận dụng kiến thức để giải thıı́ch, trıı̀nh bày nguyên lıı́ hoạt động sản phẩm Vì vậy, tiêu chí có trọng số điểm lớn 2.3.1 Các TN có thể tiến hành dạy học kiến thức 2.3.1.1 TN nghiên cứu tính chất nhiệt tia hồng ngoại - Mục đích thí nghiệm: 36 Khảo sát tính chất nhiệt tia hồng ngoại - Sơ đồ bố trí thí nghiệm: Nhiệt kế Hình 1: Sơ đồ mơ hình thí nghiệm nghiên cứu tính chất nhiệt tia hồng ngoại - Tiến hành thí nghiệm + Đặt nhiệt kế số vào hộp để xác định nhiệt độ ban đầu khơng khí chưa bật bóng đèn Ghi lại số liệu + Bật bóng đèn, bóng đèn trở thành nguồn phát tia hồng ngoại dễ phân biệt có nhiệt độ cao mơi trường + Lúc này, theo dõi số nhiệt kế Ghi chép số liệu sau khoảng thời gian giây - Bảng số liệu Thời gian (giây) Nhiệt độ 32 (độ C) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 33 36 38 39 41 42 43 44 45 45 46 37 - Các bước sử dụng thí nghiệm dạy học: Vấn đề: Tia hồng ngoại có có tính chất gì? GQVĐ: - Giả thuyết: tính chất nhiệt - Sử dụng thí nghiệm để kiểm tra Kết luận: Một tính chất tia hồng ngoại tính chất nhiệt 2.3.1.2 TN nghiên cứu tính chất dễ bị hấp thụ vật tia hồng ngoại - Mục đích thí nghiệm Khảo sát mức độ bị hấp thụ tia hồng ngoại số vật khác về: Chất liệu, bề mặt, màu sắc - Sơ đồ bố trí thí nghiệm: - Tiến hành thí nghiệm: - Các bước sử dụng thí nghiệm dạy học: Vấn đề: Tia hồng ngoại có có tính chất gì? GQVĐ: - Giả thuyết: tính chất dễ bị hấp thụ vật - Sử dụng thí nghiệm để kiểm tra 38 Kết luận: Một tính chất tia hồng ngoại tính chất dễ bị hấp thụ vật 2.3.2 Mô hình nhà 2.3.2.1 Bản thiết kế nhà : Que gỗ :Tấm xốp : Hệ thống vách tường đặc biệt Hình 2: Sơ đồ mô hình lắp ráp ngơi nhà Hình 3: Sơ đồ lắp ráp hệ thống ống dẫn nước tường ngơi nhà 39 2.3.2.2 Mơ hình ngơi nhà mini sau lắp đặt Hình 4: Mợt số hình ảnh ngơi nhà mini Hình 5: Hình ảnh tường bên ngơi nhà 40 Trong mơ hình ngơi nhà, hệ thống vách tường lắp đặt bổ sung hình vẽ, cụ thể: + Các ống kim loại xếp liền kề, nối hình chữ U liên tiếp; ống kim loại nối với móc xích ống nhựa dẻo + Bơm nước vào hệ thống ống dẫn cho tất ống có nước - Quan sát số nhiệt kế; cho thấy nhiệt tỏa xạ hồng ngoại bị hấp thụ vào hệ thống ống kim loại dẫn nước cách đáng kể Như vậy, thông qua hệ thống tường lắp đặt, ngơi nhà bạn đầu nóng lên xạ hồng ngoại có sẵn nhà làm mát cách tự động 2.3.3 Nhiệm vụ bổ sung Trong dạy học, gợi ý thêm nhiệm vụ tích hợp Cơng nghệ thiết kế dụng cụ đo nhiệt độ khơng khí khoảng từ 30-50 độ C thay phương án đơn giản sử dụng nhiệt kế có sẵn Cụ thể, ta có cách: - Kết hợp arduino cảm biến nhiệt độ để thiết kế, chế tạo thiết bị đo nhiệt độ khơng khí kết nối khơng dây: + Kết nối cảm biến nhiệt LM35 vào Arduino: - Nối VCC cảm biến vào 5V Arduino Nối GND cảm biến vào GND Arduino Nối A0 cảm biến vào A0 Arduino Kết nối Module Bluetooth HC06 vào Arduino Nối VCC Module Bluetooth HC06 vào 5V Arduino Nối GND Module Bluetooth HC06 vào GND Arduino Nối TXD Module Bluetooth HC06 vào RXD Arduino Nối RXD Module Bluetooth HC06 vào TXD Arduino + Nối nguồn chiều nạp code cho Arduino: Code: /* 41 Temperature Alarm */ unsigned long tepTimer ; int bom = 5; //chân bơm void setup(){ pinMode(bom, OUTPUT); //chân bơm chân đầu Serial.begin(9600); //khởi tạo serial } void loop(){ int val; double data; val=analogRead(A2); data = (double) val * (5/10.24); // chuyển đổi từ điện áp sang nhiệt độ if(data>35){ // nhiệt độ lớn 35 độ bơm bật digitalWrite(bom,1); } else { // nhiệt độ nhỏ 35 độ bơm tắt digitalWrite(bom,0); } if(millis() - tepTimer > 500){ //giá trị hiển thi lên serial 0.5s lần tepTimer = millis(); Serial.print("temperature: "); Serial.print(data); Serial.println("C"); } } + Đọc số liệu biểu thị nhiệt độ đo hiển thị hình - Sử dụng nút cao su có gắn ống thủy tinh giọt nước màu nút chặt vào bình cầu thủy tinh rỗng để nhốt lượng khơng khí khơng đổi bình: 42 + Đặt hệ thống bình vào mơ hình, bật bóng đèn, nhiệt độ tăng cao dẫn đến khơng khí bình dãn nở đẩy giọt nước màu lên cao => nhiệt độ tăng + Có thể theo dõi đồng với số liệu đo Arduino để vạch vạch chia biểu thị nhiệt độ ống thủy tinh cảm biến nhiệt Arduino + Bluetooth Hình 6: Mơ hình nhà tự làm mát với nhiệt kế tự thiết kế Như vậy, với chủ đề STEM “Ngôi nhà tự làm mát” lồng ghép thêm dự án nhỏ “Thiết kế thiết bị đo nhiệt độ khơng khí” cho học sinh KẾT LUẬN 43 Bộ dụng cụ chế tạo vật dụng đơn giản, dễ tìm, tái chế, sản phẩm mơ hình có tính thẩm mĩ, tăng cường sáng tạo người học chế tạo Các thiết bị giúp thực thí nghiệm chiếm lĩnh vận dụng kiến thức tia hồng ngoại theo quy trình khoa học Để từ xác định kế hoạch dạy học theo định hướng giáo dục STEM vơi mơ hình “Ngơi nhà tự làm mát” Theo cách này, HS thực dự án học tập với hoạt động đa dạng, phong phú hấp dẫn, lôi Đồng thời, giúp em phát triển lực phù hợp với mục tiêu dạy học môn yêu cầu xã hội 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Giáo dục đào tạo (2019), , Xây dựng thực chủ đề giáo dục STEM giáo dục trung học, Tài liệu bồi dưỡng giáo viên [2] Lương Duyên Bình, Vũ Quang, Nguyễn Thượng Chung, Tơ Giang, Trần Chí Minh, Ngơ Quốc Qnh (2010), SGK Vật Lí 12, NXB Giáo Dục [3] Đỗ Hương Trà, Nguyễn Văn Biên, Tưởng Duy Hải, Phạm Xuân Quế, Dương Xuân Quý, Dạy học phát triển lực mơn Vật Lí Trung học phổ thơng, NXB Đại học Sư Phạm 45 ... 1: Cơ sở lí luận việc xây dựng chủ đề STEM dạy học vật lí Chương 2: Xây dựng thiết bị dùng dạy học kiến thức tia hồng ngoại qua chủ đề STEM “Ngôi nhà làm mát tự động” 10 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN... để dạy học nội dung kiến thức “ Tính chất tia hồng ngoại? ?? theo quy trình STEM 4.3 Xây dựng chủ đề STEM “Ngôi nhà tự làm mát” 4.4 Thử nghiệm, bổ sung, sửa đổi 4.5 Soạn thảo tiến trình dạy học. .. “ Tia hồng ngoại tia tử ngoại? ?? để xác định kiến thức mà học sinh cần đạt - NC logic tiến trình xây dựng chủ đề STEM để xây dựng giáo án dạy học nội dung kiến thức “ Tính chất tia hồng ngoại? ??