Luận án phát triển năng lực thực nghiệm của học sinh trong dạy học một số kiến thức phần “điện học điện từ học” vật lí trung học phổ thông

1 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cuộc cách mạng khoa học công nghệ phát triển nhanh vũ bão Giáo dục đứng trước thử thách lớn, tri thức loài người ngày tăng lên nhanh chóng tri thức nhanh lạc hậu Thị trường lao động đòi hỏi ngày cao lực nghề nghiệp Người lao động phải có lực phát giải vấn đề cách sáng tạo tình thay đổi Sống làm việc giới đại, đòi hỏi người phải có lực chung lực chuyên môn, lực học tập suốt đời Chương trình giáo dục truyền thống tập trung vào kiến thức bộc lộ điều bất cập tải kiến thức, giảng dạy theo lối truyền thụ chiều, nặng lí thuyết mang tính hàn lâm, hạn chế tính động tự chủ sáng tạo người học, không đáp ứng nhu cầu giải tình thực tiễn khả làm việc người học Những cơng trình nghiên cứu quốc tế giáo dục chứng tỏ giới có nhiều người gọi ”người mù chữ chức năng”, nghĩa người lĩnh hội kiến thức, kĩ nhà trường khơng có khả sử dụng kiến thức, kĩ vào sống hàng ngày Những người mù chữ chức khó có việc làm, chỗ đứng xã hội đại Chính thế, nhà trường phải tập trung dạy người học biết sử dụng kiến thức, kĩ biết vào việc giải vấn đề thực tiễn có ý nghĩa người học Tóm lại, nhà trường cần phát triển lực người học [75] Chương trình dạy học định hướng lực với mục tiêu học tập theo quy định kết đầu mong muốn trình dạy học Kết học tập mong muốn mô tả chi tiết quan sát, đánh giá lực người học, nhấn mạnh lực vận dụng kiến thức, kĩ người học Chương trình dạy học phát triển lực đặt câu hỏi: Biết làm từ kiến thức, kĩ có? Tuy nhiên vận dụng cách thiên lệch, không ý đầy đủ tới nội dung dạy học dẫn tới lỗ hổng tri thức tính hệ thống tri thức Lần lịch sử giáo dục phổ thông Việt Nam xây dựng chương trình giáo dục phát triển phẩm chất lực người học “Chương trình giáo dục phổ thơng Chương trình tổng thể” (2018) [14] Chương trình phát triển lực mơn học có mơn Vật lí trường THPT Dạy học để đạt mục tiêu chung mục tiêu riêng mơn học Vật lí theo chương trình 2018 vấn đề khó nhận thức lí luận dạy học phát triển lực, việc vận dụng phương pháp dạy học tích cực để thiết kế, tổ chức dạy học vật lí phát triển lực đánh giá lực HS, đòi hỏi cần phải tiếp tục nghiên cứu nghiêm túc môi trường giáo dục Việt Nam Nội dung mơn Vật lí THPT chủ yếu kiến thức vật lí học cổ điển số kiến thức vật lí học đại, kiến thức giúp cho HS học tốt môn Hố học, Sinh học, Tốn học, Địa lí Kiến thức vật lí trung học phổ thơng sở khoa học ngành kĩ thuật công nghệ Vật lí trường THPT chủ yếu vật lí thực nghiệm Những kiến thức vật lí xây dựng dựa vào thí nghiệm kiểm tra thí nghiệm Để HS kiến tạo tri thức mới, hiểu sâu nắm vững kiến thức vận dụng kiến thức giải vấn đề thực tiễn có ý nghĩa tốt tổ chức hoạt động nhận thức HS phương pháp mà nhà vật lí học dùng nghiên cứu vật lí, phương pháp phương pháp thực nghiệm Đây phương pháp tạo nhiều điều kiện để phát triển lực thực nghiệm HS Trong đào tạo bồi dưỡng GV vật lí phổ thơng đặt vấn đề coi vận dụng phương pháp nhận thức vật lí vào dạy học vật lí phương diện lí luận thực hành Với nhiều lí khác việc vận dụng phương pháp thực nghiệm vào mơn Vật lí cịn tồn nhiều khó khăn, hạn chế chưa đạt yêu cầu giáo dục phát triển phẩm chất lực Trong chương trình mơn Vật lí THPT, nội dung kiến thức phần “Điện học Điện từ học” có nhiều ứng dụng thực tế sống, kĩ thuật công nghệ Nội dung kiến thức “Điện học - Điện từ học” có tính trừu tượng khó nghiên cứu HS Vấn đề đặt cần phải phát triển lực thực nghiệm HS để họ tích cực tự lực kiến tạo tri thức vận dụng tri thức, giải vấn đề đường thực nghiệm Với lí nêu trên, chọn đề tài “Phát triển lực thực nghiệm học sinh dạy học số kiến thức phần “Điện học - Điện từ học” Vật lí trung học phổ thông” làm luận án tiến sĩ Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu đề xuất áp dụng biện pháp dạy học để phát triển lực thực nghiệm HS dạy học vật lí trung học phổ thơng Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Dạy học vật lí trường THPT theo hướng phát triển lực thực nghiệm HS 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phát triển lực thực nghiệm HS dạy học phần “Điện học Điện từ học” Vật lí 11 THPT Giả thuyết khoa học Nếu đề xuất biện pháp tổ chức hoạt động học tập, rèn luyện giải vấn đề phương pháp thực nghiệm vận dụng biện pháp vào trình dạy học phần “Điện học - Điện từ học” Vật lí 11 trung học phổ thơng phát triển lực thực nghiệm học sinh Nhiệm vụ nghiên cứu 5.1 Nghiên cứu lực thực nghiệm HS dạy học vật lí 5.2 Nghiên cứu hoạt động dạy học vật lí trường phổ thông theo hướng phát triển lực thực nghiệm HS 5.3 Nghiên cứu thực trạng dạy học phát triển lực thực nghiệm HS dạy học vật lí trường THPT 5.4 Nghiên cứu đề xuất biện pháp dạy học vật lí phát triển lực thực nghiệm HS 5.5 Áp dụng biện pháp dạy học phát triển lực thực nghiệm HS (nhiệm vụ 5.4) vào trình dạy học phần “Điện học - Điện từ học” Vật lí 11 THPT 5.6 Thực nghiệm sư phạm trường THPT Phương pháp nghiên cứu 6.1 Phương pháp lý thuyết Nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài, phân tích - tổng hợp nội dung khoa học, xây dựng sở lý luận phát triển lực thực nghiệm HS dạy học vật lí trường THPT 6.2 Phương pháp điều tra, khảo sát thực tế Dùng phiếu để điều tra, dự giờ, xem giáo án, vấn - trao đổi với GV HS 6.3 Phương pháp thực nghiệm sư phạm Tổ chức dạy học thực nghiệm kế hoạch học biên soạn, sử dụng biện pháp phát triển lực thực nghiệm đề xuất vào trình dạy học trường THPT để kiểm chứng giả thuyết khoa học đề tài 6.4 Phương pháp thống kê toán học Xử lí số liệu kết điều tra kết TNSP cơng cụ tốn học thống kê Đóng góp luận án 7.1 Về mặt lí lý luận - Xây dựng khái niệm lực thực nghiệm, cấu trúc lực thực nghiệm thang đo lực thực nghiệm HS học tập vật lí trường THPT - Đề xuất biện pháp dạy học phát triển lực thực nghiệm HS dạy học vật lí trường THPT 7.2 Về mặt thực tiễn - Chuẩn bị 18 thí nghiệm dạy học phần “Điện học - Điện từ học” THPT, cải tiến 03 thí nghiệm có 03 thí nghiệm tự làm (xem trang 61 luận án Phụ lục 3) - Xây dựng hệ thống 26 BTTN làm công cụ để rèn luyện đánh giá lực thực nghiệm HS trình dạy học phần “Điện học - Điện từ học” THPT - Thiết kế 06 tiến trình dạy học phần “Điện học - Điện từ học” Vật lí 11 theo định hướng phát triển lực thực nghiệm HS (xây dựng video clip tiết dạy xây dựng kiến thức học “Lực từ Cảm ứng từ”) - Có 01 sản phẩm dạy học dự án, dự thi sáng tạo khoa học kĩ thuật HS đạt giải Nhì cấp tỉnh Hà Tĩnh Cấu trúc luận án Ngoài phần Mở đầu, Kết luận, Tài liệu tham khảo, Phụ lục, nội dung luận án gồm có chương sau: Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương Cơ sở lí luận thực tiễn phát triển lực thực nghiệm học sinh dạy học vật lí trường trung học phổ thơng Chương Xây dựng kế hoạch học phần “Điện học - Điện từ học” Vật lí 11 theo hướng phát triển lực thực nghiệm học sinh Chương Thực nghiệm sư phạm CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Các nghiên cứu lực, lực thực nghiệm 1.1.1 Các nghiên cứu lực a Khái niệm lực Trong tài liệu nghiên cứu có nhiều định nghĩa khác lực Có thể phân thành nhóm sau: - Nhóm thứ coi lực thuộc phạm trù khả Theo OECD (tổ chức Hợp tác Phát triển kinh tế giới), lực khả đáp ứng cách có hiệu yêu cầu phức tạp bối cảnh cụ thể [90] Denyse Trembley coi “Năng lực khả hành động hiệu cố gắng dựa nhiều nguồn lực” Theo F E Weinert: “Năng lực tổng hợp khả kỹ sẵn có học sẵn sàng HS nhằm giải vấn đề nảy sinh hành động cách có trách nhiệm, có phê phán để đến giải pháp” [10] - Nhóm thứ hai coi lực thuộc phạm trù hoạt động đặc điểm, phẩm chất, thuộc tính cá nhân: Theo P A Rudik: “Năng lực tính chất tâm - sinh lý người chi phối trình tiếp thu kiến thức, kỹ năng, kỹ xảo hiệu thực hoạt động định” [9, tr 236] Từ định nghĩa này, khái niệm lực bao gồm điều kiện tâm sinh lý chi phối hoạt động người A G Covaliop định nghĩa: “Năng lực tập hợp tổng hợp thuộc tính cá nhân người, đáp ứng nhu cầu lao động đạt kết cao” [9, tr 236] N X Laytex cho rằng: “Năng lực thuộc tính tâm lí cá nhân đảm bảo điều kiện để hồn thành tốt đẹp loại hoạt động định” Các định nghĩa nhóm thứ hai coi lực đặc tính, phẩm chất, thuộc tính người, coi lực khả hoạt động Đặc trưng lực bộc lộ hoạt động (thể kỹ lĩnh vực cụ thể), hoạt động mang lại hiệu quả, chất lượng, thành công Các nghiên cứu lực Việt Nam Ở Việt Nam có nhiều cơng trình nghiên cứu lực giáo dục phát triển lực, kết nghiên cứu tác giả, nhóm tác giả, kể đến kết nghiên cứu tác Nguyễn Ngọc Bích (2000) [9], Hồng Hồ Bình (2015) [10], Nguyễn Lăng Bình - Đỗ Hương Trà - Nguyễn Phương Hồng - Cao Thị Thặng (2010) [11], Nguyễn Lâm Đức (2016) [18], Đặng Thành Hưng (2012) [30], Nguyễn Lan Phương (2015) [55], Phạm Thị Phú - Nguyễn Đình Thước (2019) [54], Phạm Hữu Tòng (2004) [67], Đỗ Hương Trà - Nguyễn Văn Biên - Tưởng Duy Hải - Phạm Xuân Quế - Dương Xuân Quý (2019) [72], Tiếp thu quan niệm lực nước có giáo dục phát triển ý kiến đội ngũ chuyên gia giáo dục nước, Bộ Giáo dục Đào tạo (2018), Chương trình Giáo dục phổ thơng Chương trình tổng thể xác định: "Năng lực thuộc tính cá nhân hình thành, phát triển nhờ tố chất sẵn có q trình học tập, rèn luyện, cho phép người huy động tổng hợp kiến thức, kĩ thuộc tính cá nhân khác hứng thú, niềm tin, ý chí thực thành công hoạt động định, đạt kết mong muốn điều kiện cụ thể" [14, tr 36] Như vậy, lực thuộc tính tâm lí phức hợp, hội tụ nhiều yếu tố kiến thức, kĩ năng, thái độ, thực hoạt động có trách nhiệm Các chuyên gia lĩnh vực giáo dục nước định nghĩa lực có khác cách diễn đạt, nội hàm lực thể đặc điểm chung lực thuộc tính cá nhân,khả người qua hoạt động rèn luyện có lực, lực cá nhân định khả thực giải vấn đề thực tiễn lĩnh vực cụ thể Ta thấy người người khác có lực khác Các dấu hiệu khác biệt lực là: - Khác biệt khuynh hướng hoạt động Khuynh hướng dấu hiệu hình thành lực Biểu nguyện vọng ý muốn người hoạt động định Ví dụ lĩnh vực hội họa, âm nhạc, tốn học, vật lí,… rõ ràng, khuynh hướng cho biết tiền đề bẩm sinh định lực hoạt động - Khác biệt nhịp độ hoạt động người Người có lực hoạt động thuộc lĩnh vực bắt tay vào thực dễ dàng kết tốt nhiều so với người khơng có lực về: + Số lượng chất lượng kết hoạt động + Tính chất độc lập sáng tạo hoạt động Năng lực địi hỏi phải có kiến thức, kĩ quan điểm thái độ mà cá nhân để vận dụng giải thành cơng vấn đề thực tiễn, tình cụ thể b Cấu trúc lực Cho đến cấu trúc lực xây dựng theo hai hướng: - Hướng thứ nhất: cấu trúc lực theo nguồn hợp thành Theo cách này, lực kết hợp ba thành tố: thái độ (attitude) + kĩ (skills) + kiến thức (knowledge) Người ta gọi hướng xây dựng thứ cấu trúc lực theo mô hình ASK - Hướng thứ hai: xây dựng cấu trúc lực theo lực thành tố Năng lực = Hợp phần (các lĩnh vực chuyên môn) + Thành tố (năng lực phận) + Hành vi (tạo nên thành tố) [10], [54, tr 11-13] c Các loại lực Việc phân loại lực vấn đề phức tạp Tùy thuộc vào quan điểm tiếp cận lực mà người ta chia lực thành dạng thức khác Cho đến nay, thấy lực phân thành hai loại lực chung/cốt lõi (general competence) lực cụ thể/chuyên biệt (specific competence) [14], [54] - Năng lực chung lực thiết yếu để người sống làm việc bình thường xã hội Năng lực chung hình thành phát triển từ nhiều môn học/nhiều lĩnh vực - Năng lực cụ thể/chun biệt lực hình thành thơng qua phát triển lĩnh vực môn học Chương trình giáo dục phổ thơng mơn Vật lí (2018), xác định lực chung, lực chun biệt mơn Vật lí là: Năng lực chung: (1) Năng lực tự chủ tự học; (2) Năng lực giao tiếp hợp tác; (3) Năng lực giải vấn đề sáng tạo Năng lực cụ thể/chuyên biệt mơn Vật lí: (1) Năng lực nhận thức vật lí; (2) Năng lực tìm hiểu thực khách quan góc độ vật lí; (3) Năng lực vận dụng kiến thức, kĩ vật lí vào thực tiễn [15] Xác định lực chung lực cụ thể/chuyên biệt giáo dục/đào tạo cấp học, bậc học có cấp độ khác Nó phụ thuộc vào giá trị đạo đức, văn hóa quy ước xã hội, phụ thuộc vào khả hữu ích lực với cộng đồng, hồn cảnh gia đình xã hội, phụ thuộc vào yêu cầu phát triển giai đoạn cụ thể, yêu cầu phát triển nguồn nhân lực nhằm đáp ứng thị trường lao động, trình độ khoa học - kỹ thuật công nghệ quốc gia Chính mà việc xác định hệ thống lực chung lực riêng chương trình giáo dục phổ thông nước đa dạng phong phú [13], [54, tr 17-21] 1.1.2 Năng lực thực nghiệm học sinh phổ thông Theo R Josephy (1986), đánh giá hoạt động thực nghiệm vật lí thơng qua OCEA theo quy trình: Lập kế hoạch (thiết kế thí nghiệm, làm sáng tỏ vấn đề), Thực (quan sát, thao tác, thu thập liệu), Diễn giải (xử lí liệu, đưa suy luận, dự đốn giải thích), Giao tiếp (báo cáo, nhận thơng tin) [86] Tác giả coi hoạt động thực nghiệm vật lí điều kiện, mơi trường để hình thành lực thực nghiệm Quy trình hoạt động thực nghiệm nêu địi hỏi hành động trí tuệ thực tiễn Theo Nico Schreiber, Heike Theyßen Horst Schecker (2009), lực thực nghiệm lực đặc thù hình thành thơng qua mơn Vật lí Khi HS giải BTTN ln phải vận dụng tổng hợp kiến thức lí thuyết, kết hợp khả hoạt động trí óc thực hành vốn hiểu biết vật lí, kĩ thuật thực tế đời sống Vì vậy, dùng BTTN để bồi dưỡng lực thực nghiệm cho HS [93] Tác giả coi lực thực nghiệm lực đặc thù mơn Vật lí, khả hoạt động trí tuệ - thực hành sử dụng BTTN làm phương tiện/công cụ để rèn luyện, phát triển lực thực nghiệm Theo tác giả Phạm Hữu Tòng: “Năng lực thực nghiệm với tư cách lực nhận thức khoa học, hiểu lực nghĩ PATN khả thi cho phép đề xuất kiểm tra giả thuyết hay đoán khoa học thực hành thí nghiệm thành cơng để từ rút kết luận cần thiết (chứ đơn lực thao tác thí nghiệm, hiểu theo nghĩa lực thực thao tác tay, quan sát, đo đạc)” [67, tr 126] Như vậy, lực thực nghiệm vật lí lực giải vấn đề theo phương pháp thực nghiệm vật lí, bao gồm hai mặt: mặt hoạt động tư (đầu óc) mặt hoạt động thể chất (tay chân, giác quan) Các tác giả Phạm Thị Phú Nguyễn Đình Thước coi “Năng lực thực nghiệm tổ hợp kĩ năng, kiến thức thái độ chủ thể, cho phép chủ thể giải vấn đề phương pháp thực nghiệm” [54, tr 164] Theo định nghĩa này, lực thực nghiệm lực thực giải vấn đề theo phương pháp thực nghiệm Xaypaseuth Vylaychit (2019) định nghĩa “Năng lực thực nghiệm khả huy động tổng hợp kiến thức, kĩ năng, kĩ xảo với thuộc tính tâm lí hứng thú, niềm tin, ý chí để thực thành công nhiệm vụ thực nghiệm, lực thực nghiệm bao gồm xác định mục đích thí nghiệm, thiết kế PATN (bao gồm lựa chọn cơng cụ thí nghiệm, dự kiến cách tiến hành thu thập số liệu trình thực nghiệm), tiến hành thí nghiệm (lắp ráp, bố trí tiến hành thí nghiệm, thu thập kết thí nghiệm, xử lí số liệu đánh giá kết quả)” [76, tr 14] Định nghĩa khả huy động tổng hợp kiến thức, kĩ năng, kĩ xảo với thuộc tính tâm lí thực thí nghiệm theo mục đích định; nhiệm vụ thực nghiệm thể tiến trình thực hành động thí nghiệm HS, phù hợp dạy học phát triển lực thực nghiệm vật lí HS trường trung học sở Có thể nhận thấy, nhà nghiên cứu lực thực nghiệm vật lí diễn đạt khái niệm lực thực nghiệm có khác chung nội hàm khả sử dụng kiến thức, kĩ thuộc tính tâm lí cá nhân để thực nhiệm vụ giải vấn đề phương pháp thực nghiệm Dạy học phát triển lực thực nghiệm vật lí HS coi trọng thể chương trình giáo dục phổ thơng nước ngồi nước: • Chương trình giáo dục phổ thơng nước giới, đặc biệt nước có giáo dục phát triển sớm đưa tiêu chuẩn/chuẩn quốc gia kiến thức, kĩ năng, thái độ cho mơn Vật lí mơn học khác Trong mơn Vật lí, kiến thức phương pháp nhận thức vật lí nói chung phương pháp thực nghiệm nói riêng coi kiến thức vật lí Kiến thức phương pháp thực nghiệm, kĩ thực nghiệm yêu cầu HS phải đạt theo chuẩn chương trình Chẳng hạn, nghiên cứu chất lượng học mơn tự nhiên HS phổ thông 20 nước khác [90] người ta dùng câu hỏi, tập để kiểm tra, đánh giá kiến thức, kĩ như: 10 + Quan sát, phân loại, khái quát hoá kiện + Giải thích số liệu thu quan sát thí nghiệm + Đề xuất giả thuyết + Lập kế hoạch tiến hành thí nghiệm, kiểm tra giả thuyết + Lập kế hoạch nghiên cứu vấn đề nhỏ phù hợp với trình độ nhận thức đối tượng HS Những kĩ nêu kĩ năng lực thực nghiệm - Chuẩn giáo dục quốc gia Anh [91] quy định HS đến 16 tuổi phải đạt yêu cầu sau: + Nghiên cứu tượng quan sát trực tiếp tư liệu + Nhận xét giống nhau, tìm quy luật kết quan sát + Giải thích tượng quan sát nêu giả thuyết cho kiểm tra giả thuyết hệ thí nghiệm + Lập PATN để kiểm tra giả thuyết + Lựa chọn sử dụng dụng cụ đo để thực theo PATN + Đánh giá mức độ xác đại lượng đo + Rút kết luận sở nghiên cứu tiến hành Các yêu cầu nêu yêu cầu có kĩ năng lực thực nghiệm - Chuẩn giáo dục quốc gia Hoa Kỳ [89] gần giống chuẩn giáo dục Anh có số yêu cầu cao Đối với HS lớp 12 yêu cầu cần phải: + Đề xuất vấn đề nghiên cứu + Lập kế hoạch nghiên cứu + Lập kế hoạch thí nghiệm + Phân tích giải thích số liệu thực nghiệm + Trình bày kết nghiên cứu ngơn ngữ nói viết - Chuẩn giáo dục quốc gia Cộng hoà Liên bang Nga, mơn Vật lí [102] u cầu HS phổ thông cần phải: + Nắm vững kiến thức sở lí thuyết vật lí đại (gồm kiện khoa học, khái niệm, mô hình lí thuyết, định luật), phương pháp nghiên cứu vật lí + Nắm vững ngơn ngữ vật lí biết sử dụng để phân tích thơng tin PL71 Sơ đồ thí nghiệm 0,5 PL72 PHỤ LỤC 7: BÁO CÁO SẢN PHẨM DỰ THI SÁNG TẠO KHOA HỌC KĨ THUẬT CỦA HỌC SINH SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ TĨNH TRƯỜNG THPT LÊ QUẢNG CHÍ BÁO CÁO NGHIÊN CỨU SÁNG TẠO KHOA HỌC KĨ THUẬT CỦA HỌC SINH Tên dự án: HỆ THỐNG LÀM MÁT TỰ ĐỘNG TRONG QUY TRÌNH CHƯNG CẤT CHẤT HỮU CƠ Tác giả: Lê Văn Cường; Lê Việt Hoàng Đơn vị dự thi: Trường THPT Lê Quảng Chí - Hà Tĩnh Năm học: 2017 - 2018 PL73 NỘI DUNG BÁO CÁO I.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nhà chúng em khu kinh tế Vũng Áng - thị xã Kỳ Anh - Hà Tĩnh, đất sản xuất nơng nghiệp khơng cịn, gia đình thuộc diện tái định cư nên phải chuyển đổi hình thức sản xuất kinh doanh cho phù hợp Trong có nghề làm dầu tràm, dầu sả nấu rượu truyền thống để phục vụ cho khu kinh tế Hình 1: Vũng Áng - thị xã Kỳ Anh - Hà Tĩnh Hình 2: Người dân chưng cất chất hữu Trong quy trình chưng cất chất hữu (làm dầu tràm, dầu sả, nấu rượu truyền thống, …) có q trình bay ngưng tụ Hỗn hợp chất hữu nước đun sôi, bay gặp môi trường lạnh ngưng tụ lại thành chất lỏng thành phẩm Môi trường lạnh thường nước để hấp thụ nhiệt từ thiết bị chứa nóng dần lên Khi nước nóng làm giảm hiệu suất trình ngưng tụ, lượng chất lỏng thành phẩm giảm Cho nên cần thiết phải cho nước làm mát có nhiệt độ khơng q cao so với nhiệt độ môi trường Người chưng cất phải canh chừng độ nóng nước thay nước mát Cơng việc tốn cơng lao động, thời gian, nhiều bận việc không kịp thời thay nước Đối với hộ sản xuất quy mô lớn nhà em, việc thay nước làm mát lại vất vả Trong thời kỳ công nghiệp, cần ứng dụng cảm biến, vi mạch, thiết bị điện tử vào thực tiễn Trong có ứng dụng kỹ thuật vật lí van nước PL74 điện từ, rơ-le điện từ, phao thông minh, vi mạch, bán dẫn… mà chúng em học tập Vật lí 11 Từ thực tế gia đình, chúng em đề xuất ý tưởng sáng tạo khoa học kĩ thuật “Hệ thống làm mát tự động quy trình chưng cất chất hữu cơ”, khơng cần người phải canh chừng mà thay nước làm mát Làm để nước nóng tự động xả ngồi đưa nước mát tự chảy vào bể làm mát với lượng phù hợp II MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU - Đề tài cần nghiên cứu tìm hiểu thực trạng sản xuất liên quan, MĐ sử dụng công nghệ hoạt động chưng cất chất hữu - Hệ thống làm mát tự động quy trình chưng cất chất hữu ứng dụng vào chưng cất tinh dầu tràm, tinh dầu sả, nấu rượu… Hệ thống cài đặt nhiệt độ làm việc tùy nhu cầu người sử dụng - Hệ thống cần ứng dụng kĩ thuật, công nghệ đại tự động xả nước nóng nước mát tự động chảy vào bể làm mát với lượng phù hợp mà người lao động canh chừng thay nước làm mát thủ công trước - Tổ chức đề xuất ý tưởng, thiết kế mơ hình sản phẩm - Nghiên cứu nguyên lí hoạt động thiết bị ứng dụng kĩ thuật vật lí liên quan có dùng sản phẩm Chuẩn bị nguyên vật liệu - Chế tạo thử nghiệm, điều chỉnh thực nghiệm sản phẩm III KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU TT Thời gian Nội dung Chi tiết Tháng 5, 6, Xác định vấn đề - Tìm hiểu thực tế sản xuất rượu 7, năm nghiên cứu truyền thống, làm dầu tràm truyền 2017 thống, làm dầu sả - Xác định vấn đề nghiên cứu - Xác định mục đích, nhiệm vụ nghiên cứu Tháng 9, Thiết kế, xây dựng - Sử dụng phương pháp điều tra; phân 10, 11 năm sản phẩm tích tổng kết kinh nghiệm 2017 - Xác định tiêu chuẩn thiết kế - Thiết kế xây dựng vẽ - Tính tốn chuẩn bị vật liệu - Xây dựng sản phẩm PL75 TT Thời gian Nội dung Tháng 12 Tham gia thi vòng năm 2017 sơ loại Sở Giáo dục – Đào tạo Hà Tĩnh nhận kết Chi tiết - Làm phiếu đăng kí - Xây dựng báo cáo kết nghiên cứu - Đưa phiếu báo cáo kết lên trường học kết nối - Hoàn thiện sản phẩm - Khắc phục chỉnh sửa tối ưu hóa sản phẩm Tháng Trình bày kết - Thuyết trình sản phẩm trước thầy năm 2018 nghiên cứu Sở giáo bạn lớp Giáo dục – Đào tạo - Chuẩn bị báo cáo, poster Hà Tĩnh - Báo cáo Sở Giáo dục – Đào tạo Hà Tĩnh IV PHƯƠNG PHÁP VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Chúng em sử dụng phương pháp nghiên cứu vấn đề liên quan rút sau: - Tiếp cận thực tiễn: Phân tích khó khăn thực tế lao động chưng cất chất hữu cơ, xác định vấn đề nghiên cứu định hình mục đích làm mát tự động hồn tồn quy trình chưng cất chất hữu Sau chúng em tìm giải pháp thực tế dân chúng chưa có cách thực tự động hồn tồn - Tiếp cận kĩ thuật: Nghiên cứu tìm hiểu cảm biến, vi mạch điều khiển Trong em phát điều khiển có gắn với cảm biến nhiệt Cảm biến nhiệt đặt thùng nước làm mát để báo nhiệt độ điều khiển Em phát van điện tử tự động đóng mở Các van điện tử cảm biến nối với phận điều khiển trung tâm Có thể đặt nhiệt độ phận điều khiển toC (ví dụ 50oC), nhiệt độ nước làm mát đến toC cảm biến nhiệt báo phận điều khiển Bộ phận điều khiển cho van xả nước nóng ngồi, sau đóng lại, đến van nước mát cho nước bên chảy vào bể làm mát Thời gian xả nước vào tính toán cài đặt - Thực nghiệm: Chúng em tiến hành thực nghiệm theo ý tưởng Thực nghiệm cho thấy nước bể gần hết đóng van xả lại Sau cho van nước mát đưa nước bên ngồi vào, khơng nên để nước bể làm mát hết cho nước làm mát vào Trong thử nghiệm chúng em nhà có sẵn nguồn nước (như nước máy, nước bình cao…) để van đưa nước làm mát vào thùng làm mát PL76 V THIẾT KẾ MƠ HÌNH SẢN PHẨM Van điện tử Đưa nước vào 12V Dây dẫn Cảm biến nhiệt Bộ phận điều khiển Ống dẫn Thùng tràm nước Van điện tử Xả nước Tinh dầu tràm Lửa Thùng chứa nước làm mát bị nóng dần lên Hình 3: Hệ thống làm mát tự động quy trình chưng cất dầu tràm 12V Van điện tử Đưa nước vào Dây dẫn Bộ phận điều khiển Cảm biến nhiệt Nước làm mát bị nóng dần Van điện tử xả nước Hơi Rượu Cơm rượu lên men Lửa Hình 4: Hệ thống làm mát tự động quy trình nấu rượu truyền thống PL77 VI VẬT LIỆU CHẾ TẠO SẢN PHẨM Các vật liệu chế tạo Tên Van điện từ Số lượng Đặc điểm Giá tiền Được điều khiển đóng mở 310 000 đ khống chế nhiệt độ Bộ phận khống chế nhiệt độ Phao thơng Có thể đặt nhiệt độ; bao gồm cảm 150 000 đ biến nhiệt độ; kích hoạt van điện từ minh Khi nước đến đỉnh phao không cho nước qua, nước đến đáy phao 90 000 đ cho nước qua Nồi nấu Nấu hỗn hợp chất hữu thành thể 150 000 đ dẫn qua ống Nồi làm mát Trong nồi chứa nước mát, ống dẫn 50 000 đ qua nước làm mát ngưng tụ lại Ông đồng, vật 2m liệu cần thiết Ống đồng dẫn tinh dầu từ nồi 250 000 đến nước làm mát; bình nước Tổng chi phí vật liệu 000 000 đ Giới thiệu van điện từ a) Van điện từ gì? Van điện từ cịn gọi solenoid valve, thiết bị điện dùng để kiểm sốt dịng chảy chất lỏng khí dựa vào ngun lí đóng mở lực tác động cuộn dây điện từ Hình 5: Van điện từ PL78 b) Cấu tạo van điện từ TT Bộ phận Chức Thân van Làm đồng, Inox, nhựa… Môi chất Khí (khí nén, ga…), chất lỏng (nước, dầu…) Ống rỗng Chứa lưu chất chưa qua Vỏ Để bảo vệ cuộn dây điện Cuộn từ Cuộn dây từ dạng ống dây Dây điện để kết nối Cung cấp điện cho cuộn từ với nguồn bên ngồi Trục van Làm sắt, thép; ó thể linh động cuộn dây Lò xo Một đầu cố dịnh, đầu gắn với đẩy trục van Khe hở Để môi chất qua trục van bị hút lên c) Nguyên lí hoạt động van điện từ - Có cuộn dây điện dạng ống dây, bên lõi trụ sắt Bình thường khơng có điện, lị xo đẩy lõi làm van trựng thái đóng - Lúc cấp dịng điện qua cuộn dây, sinh từ trường hút lõi sắt lên, lực hút từ trường đủ mạnh cho thắng lực đẩy lò xo, làm van trạng thái mở d) Vai trò van điện từ hệ thống Van điện từ giúp mở nước Giới thiệu rơ-le điện từ a) Rơ-le điện từ Rơ-le thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu nhảy cấp tín hiệu đầu vào đạt giá trị xác định Rơ-le thiết bị điện dùng để đóng, cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ điều khiển làm việc mạch lực Rơ-le điện từ thiết bị quan trọng số thiết bị tự động hóa ngành điện Rơ-le có nhiệm vụ bảo vệ phần tử hệ thống điện điều kiện làm việc khơng bình thường cách lập cố thơng qua thiết bị đóng cắt b) Cấu tạo rơ-le điện từ - Rơ-le điện từ có phận mạch từ, cuộn dây, tiếp điểm vỏ - Mạch từ chế tạo từ vật liệu sắt từ gồm hai phần: Phần tĩnh phần động Phần tĩnh hình chữ Phần động thép hình chữ U, phần nối liên kết PL79 khí với tiếp điểm động - Sơ đồ khối rơ-le điện từ Hình 6: Sơ đồ khối rơ-le điện từ c) Nguyên lý hoạt động rơ-le điện từ - Rơ-le điện từ hoạt động nguyên tắc nam châm điện thường sử dụng để đóng ngắt mạch điện có cơng suất nhỏ, tần số đóng ngắt lớn - Khi dòng điện chạy qua cuộn dây sinh lực hút điện từ hút động phía lõi Lực hút điện từ có giá trị tỷ lệ thuận với bình phương dịng điện tỷ lệ nghịch với khoảng cách khe hở mạch từ Khi dòng điện cuộn dây nhỏ dịng tác động lực hút điện từ lớn lực kéo lò xo Tấm động bị hút phía làm cho khe hở mạch từ nhỏ Tức hút phía phần tĩnh Khi khe hở mạch từ nhỏ, lực hút tăng, động hút dứt khốt phía phần tĩnh tiếp điểm động đóng vào tiếp điểm tĩnh Hình 7: Nguyên lý hoạt động rơ-le điện từ PL80 d) Một số đặc điểm phân loại rơ-le điện từ • Theo cuộn hút: Cuộn hút chiều cuộn hút xoay chiều • Theo dịng điện qua tiếp điểm: Rơ-le chiều, rơ-le xoay chiều • Theo số lượng cặp tiếp điểm: cặp tiếp điểm, cặp tiếp điểm,… • Theo cấu trúc chân: Chân trịn, chân dẹt • Theo đế cắm rơ-le: Đế trịn, đế vuông Phao cơ thông minh - Phao cần để thẳng đứng trình hoạt động Ban đầu phao chưa ngập nước, phao mở nước qua phao vào bình chứa bình thường - Khi nước bình chứa dâng lên đồng thời nâng bóng phao dần lên, đến nước dưng cao chốt bóng phao chặn dịng nước lại, phao đóng - Ngun lý hoạt động phao lấy thay đổi mực nước để làm cơng tắc đóng mở van Chiếc phao có tác dụng cấp nước mực nước xuống thấp ngắt nước tràn bể - Giữa bóng phao đầu thân phao có chứa nam châm hút vừa phải nên phao đóng mở có trợ lực nam châm Khi nước bên ngồi hạ xuống, trọng lực bóng phao thắng lực hút nam châm rời Nước lại qua phao chảy vào bình chứa Hình 8: Phao cơ thơng minh Mô-đun cảm biến nhiệt độ Mô tả sản phẩm Mạch cảm biến nhiệt độ XH-W1209 có ngõ Relay dạng thường mở, có hiển thị nhiệt độ LED đoạn Đặc biệt với mơ-đun ta cài đặt mức nhiệt độ (1 mức) khoảng nhiệt độ để kích đóng ngắt relay Nhờ tính hữu PL81 dụng mà người dùng dễ dàng sáng tạo nhiều ứng dụng thú vị như: máy ấp trứng, cảnh báo nhiệt độ, làm mát tự động, Hình 9: Mơ-đun cảm biến nhiệt độ Thơng số kĩ thuật - Điện áp nguồn: DC12V - Dòng tiêu thụ mạch ≤ 10mA không bật relay, bật relay ≤ 60 mA - Độ xác 0,1℃ - Phạm vi kiểm soát nhiệt độ -50 đến 110 độ C Độ nhạy 0,5s - Relay chịu tải dòng tối đa 20A 125VAC, 20A 14VDC Kích thước 40×48.5 mm; Lỗ gắn M3x2 - Đầu dị nhiệt độ dài 0, 5m có khả chống thấm nước - Sử dụng led số 0,28 int màu đỏ hiển thị - Ba phím chức năng: Setup, Tăng (+), Giảm (-) Ứng dụng Sử đụng để đo nhiệt độ Kiểm soát nhiệt độ theo giá trị mong muốn người dùng ứng dụng việc ấp trứng, đun nước, làm lạnh,… Hướng dẫn sử dụng Cấp nguồn 12V để mạch khởi động Trạng thái ban đầu LED hiển thị nhiệt độ môi trường Để cài đặt nhiệt độ T0, nhấn phím SET lần, lúc LED hiển thị chuyển sang nhiệt độ cài đặt nhấp nháy Nhấn giữ phím (+)/(-) để tăng/giảm để cài đặt Nhấn phím SET thêm lần để hoàn thành Để cài đặt chức khác, nhấn giữ nút SET giây Sau giây PL82 LED hiển thị chữ P0 Nhấn phím (+)/(-) để chuyển sang P1, P2, P3, P4, P5, P6 Mỗi P tương ứng với cài đặt giá trị: P0 để thiết lập chế độ sưởi hay chế độ làm lạnh P1 để thiết lập trễ nhiệt độ t P2 để thiết lập giá trị lớn T0 điều chỉnh P3 để thiết lập giá trị nhỏ T0 điều chỉnh P4 để chỉnh sai số cho nhiệt độ đo P5 để thiết lập giá trị thời gian trễ P6 để thiết lập giá trị nhiệt độ trễ t Sau chọn P tương ứng với giá trị người dùng muốn thiết lập Nhấn phím SET lần để thiết lập giá trị Nhấn phím +/- để tăng/giảm giá trị Nhấn SET thêm lần để hồn thành Vai trị mơ-đun cảm biến nhiệt độ hệ thống - Mơ-đun có gắn cảm biến nhiệt độ, cảm biến đặt nồi nước làm mát để đo nhiệt độ nồi Khi đến nhiệt độ cài đặt, mơ-đun đóng mạch qua rơ-le điện từ kích hoạt van điện từ - Đặt nhiệt độ cực mở van điện từ xả nước nóng ngồi Sau thời gian tinh dầu ngưng tự làm nước làm mát nóng lên VII ĐẶC ĐIỂM HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐÃ CHẾ TẠO Hình 10: Hình ảnh sản phẩm - Nồi nước làm mát nước đầy, cung cấp phao thông minh - Nồi kín đun nước nguyên liệu tràm, sả Tinh dầu nước bay theo ống dẫn đến nồi nước làm mát ngưng tụ lại chảy thành PL83 thành phẩm tinh dầu - Nồi nước làm mát nóng dần lên, cảm biến nhiệt độ ghi nhận nhiệt độ Đến nhiệt độ cài đặt khoảng 50oC, tự động kích hoạt van điện từ Van điện từ mở xả nước nóng ngồi - Khi phao thơng minh cung cấp nước mát bên vào nồi làm mát Đến độ cao phù hợp ngừng cung cấp nước làm mát - Nước làm mát hạ nhiệt độ, cảm biến báo mơ-đun đóng mạch ngừng xả nước VIII KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI - Ý tưởng giải vấn đề đặt xả nước ngồi từ bể nước nóng cấp nước mát tự động vào bể quy trình chưng cất chất hữu nấu rượu làm dầu tràm - Vấn đề góp phần tích cực vào phát triển kinh tế cho gia đình hộ sản xuất liên quan khu kinh tế Vũng Áng Ý tưởng áp dụng đại trà cho vùng khác có nhu cầu - Đề tài áp dụng vào quy trình chưng cất chất hữu tương tự khác Đề tài phát triển trường hợp khơng có sẵn nguồn nước, kết hợp dùng máy bơm nước từ bể nước dự trữ để đưa nước vào Trong phận điều khiển điều chỉnh tự động cho bơm hoạt động đưa nước vào TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ giáo dục đào tạo, sách giáo khoa Vật lí 10, Nhà xuất Giáo dục, 2010 [2] Bộ giáo dục đào tạo, sách giáo khoa Vật lí 11, Nhà xuất Giáo dục, 2011 [3] Bộ giáo dục đào tạo, sách giáo khoa Vật lí 12, Nhà xuất Giáo dục, 2012 [4] Bộ giáo dục đào tạo, sách giáo khoa Hóa học 10, Nhà xuất Giáo dục, 2012 [5] Bộ giáo dục đào tạo, sách giáo khoa Hóa học 11, Nhà xuất Giáo dục, 2013 [6] Bộ giáo dục đào tạo, sách giáo khoa Hóa học 12, Nhà xuất Giáo dục, 2015 [7] Công văn 3486/BGDĐT-GDTrH, Về việc hướng dẫn triển khai hoạt động nghiên cứu khoa học tổ chức Cuộc thi Khoa học Kĩ thuật cấp quốc gia học sinh trung học năm học 2017-2018 [8] https://www.youtube.com/watch?v=coCfdsBSW98 [9] https://www.youtube.com/watch?v=QZBikjK794I PL84 PHỤ LỤC 8: HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM PL85 ... để dạy học vật lí phát triển lực thực nghiệm HS trung học phổ thông? Phát triển lực thực nghiệm HS dạy học vật lí THPT phần ? ?Điện học - Điện từ học? ?? cụ thể nào? 16 CHƯƠNG CƠ SỞ LÍ LUẬN VÀ THỰC... triển lực thực nghiệm Dạy học vật lí phát triển lực thực nghiệm HS trung học phổ thông vấn đề Cho đến nay, chưa thấy nghiên cứu nước dạy học phần ? ?Điện học - Điện từ học? ?? phát triển lực thực nghiệm. .. THPT chủ yếu kiến thức vật lí học cổ điển số kiến thức vật lí học đại, kiến thức giúp cho HS học tốt mơn Hố học, Sinh học, Tốn học, Địa lí Kiến thức vật lí trung học phổ thông sở khoa học ngành