MÔ HÌNH STEM ĐƠN GIẢN VỀ CHỦ ĐỀ ÁNH SÁNG – MÀU SẮC

Bên cạnh đó với mục tiêu nâng cao năng lực, tính sáng tạo của học sinh, giáo dục Khoa học tự nhiên cần đi đôi với các hoạt động trải nghiệm sáng tạo, thực nghiệm khoa học.. Trong các mô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ - -

NGUYỄN THỊ DIỄM HƯƠNG

MÔ HÌNH STEM ĐƠN GIẢN

VỀ CHỦ ĐỀ ÁNH SÁNG – MÀU SẮC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Ngô Thị Phương

TP HỒ CHÍ MINH - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ - -

NGUYỄN THỊ DIỄM HƯƠNG

MÔ HÌNH STEM ĐƠN GIẢN

VỀ CHỦ ĐỀ ÁNH SÁNG – MÀU SẮC

Chuyên ngành: Vật lý đại cương

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Ngô Thị Phương

TP HỒ CHÍ MINH - 2017

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS Ngô Thị Phương, người đã tận tình hướng dẫn và luôn động viên, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Vật lý đã nhiệt tình giảng dạy và cung cấp cho tôi nhiều kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua

Xin chân thành cảm ơn bạn Lê Minh Trung hỗ trợ tôi về kỹ thuật, cảm ơn anh Trần Ngọc Huy giúp tôi thực hiện video bài giảng hướng dẫn thực hiện mô hình

Xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè luôn tạo động lực, giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn trong quá trình thực hiện luận văn này

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04/2017

Sinh viên

Nguyễn Thị Diễm Hương

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

MỞ ĐẦU 5

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH GIÁO DỤC STEM 8

1.1 Giáo dục STEM là gì? 8

1.1.1 Khái niệm STEM 8

1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển 8

1.2 Nội dung của giáo dục STEM 9

1.2.1 Các kỹ năng cơ sở của STEM 9

1.2.2 Các kỹ năng bổ trợ của STEM 10

1.3 Vai trò của giáo dục STEM 10

1.3.1 Phương thức dạy và học 10

1.3.2 Mục tiêu và phương hướng 11

1.4 Đánh giá STEM với giáo dục hiện tại 12

1.4.1 Ích lợi 12

1.4.2 Khó khăn 12

1.4.3 Hướng phát triển 12

2 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13

2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 13

2.1.1 Mục đích 13

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 13

2.1.3 Qui trình nghiên cứu 13

2.2 Phương pháp thực nghiệm 13

2.2.1 Mục đích 13

2.2.2 Nội dung thực hiện 13

2.3 Qui trình xây dựng bộ thí nghiệm 14

2.3.1 Mục đích 14

2.3.2 Nội dung nghiên cứu 14

2 CHƯƠNG 3: CÁC GÓI MÔ HÌNH STEM ĐƠN GIẢN VỀ ÁNH SÁNG –

MÀU SẮC 16

Mô hình 1: ĐÈN TRÂN CHÂU 1.1 Giới thiệu mô hình 17

1.2 Nội dung thực hiện 17

1.2.1 Chuẩn bị 17

1.2.2 Thực hiện 19

1.3 Phương thức thực hiện 24

1.4 Đánh giá tổng quát 25

Mô hình 2: XE MINI CHẠY BẰNG PIN MẶT TRỜI 2.1 Giới thiệu mô hình 27

2.2 Nội dung thực hiện 28

2.2.1 Chuẩn bị 28

2.2.2 Thực hiện 29

2.3 Phương thức thực hiện 35

2.4 Đánh giá tổng quát 36

Mô hình 3: ĐÈN LAVA 3.1 Giới thiệu mô hình 38

3.2 Nội dung thực hiện 39

3.2.1 Chuẩn bị 39

3.2.2 Thực hiện 40

3.3 Phương thức thực hiện 43

3.4 Đánh giá tổng quát 44

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÊN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Một số dụng cụ cần thiết 18

Hình 2: Một số nguyên vật liệu mô hình 1 18

Hình 3: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của mô hình 1 19

Hình 4: Adapter 19

Hình 5: Cảm biến ánh sáng 20

Hình 6: Relay 20

Hình 7: Sơ đồ lắp đặt của mô hình 1 21

Hình 8: Hình dạng ly - hình nón cụt 22

Hình 9: Mẫu giấy A 23

Hình 10: Mẫu giấy B 23

Hình 11: Đèn trân châu 26

Hình 12: Xe mini chạy bằng pin mặt trời 27

Hình 13: Một số nguyên vật liệu của mô hình 2 28

Hình 14: Sơ đồ nguyên lý của mô hình 2 29

Hình 15: Pin mặt trời 29

Hình 16: Sơ đồ lắp đặt của mô hình 2 31

Hình 17: Khung xe 32

Hình 18: Đèn lava 38

Hình 19: Các nguyên vật liệu của mô hình 3 39

Hình 20: Sơ đồ nguyên lý của mô hình 3 40

Hình 21: Sơ đồ lắp đặt của mô hình 3 41

Hình 22: Mô tơ tạo khí 42

MỞ ĐẦU

Trong thời đại toàn cầu hóa đang diễn ra mạnh mẽ, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học - công nghệ là sự bùng nổ của tri thức Điều đó đem lại nhiều cơ hội cũng như thách thức cho các lĩnh vực xã hội, đặc biệt là giáo dục Quá trình toàn cầu hóa yêu cầu nền giáo dục tri thức cao với những đòi hỏi về sự sáng tạo, khả năng vận dụng kiến thức khoa học công nghệ vào sản xuất Để bắt kịp sự thay đổi nhanh chóng của thời đại giáo dục cần phải đổi mới về tư duy cũng như phương pháp Trong chương trình giáo dục phổ thông tổng thể, giáo dục Khoa học

tự nhiên có ý nghĩa vô cùng quan trọng, do đó việc dạy Khoa học tự nhiên như thế nào trong giai đoạn phát triển thực tại luôn là vấn đề đáng quan tâm

Để phù hợp với xu hướng chung của thế giới trong chương trình giáo dục mới của Việt Nam sắp tới, giáo dục Khoa học tự nhiên được chủ trương tích hợp thành một môn ở THCS và phân hóa sâu thành các môn ở THPT1 Bên cạnh đó với mục tiêu nâng cao năng lực, tính sáng tạo của học sinh, giáo dục Khoa học tự nhiên cần đi đôi với các hoạt động trải nghiệm sáng tạo, thực nghiệm khoa học Đồng nghĩa với điều này là sự đòi hỏi về một mô hình giáo dục mới có thể thỏa mãn xu hướng phát triển nêu trên

Trong các mô hình giáo dục mới hiện nay, giáo dục STEM (Science - Khoa học, Technology - Công nghệ, Engineering - Kỹ thuật và Math -Toán học) đang là một mô hình nhận được nhiều chú ý trên thế giới Đây là mô hình giáo dục được Hoa Kì áp dụng chính cho hầu hết các bang nhằm thúc đẩy sự phát triển một cách toàn diện cả về kỹ năng lẫn kiến thức cho người học STEM trang bị cho người học những kiến thức và kĩ năng về các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học Các kiến thức này không dạy riêng biệt mà tích hợp dưới mô hình chung mang tính thực tế Mô hình STEM sử dụng phương pháp “học qua hành”, người học có được kiến thức từ kinh nghiệm thực hành chứ không phải chỉ từ lý thuyết Giáo viên không phải là người truyền dạy kiến thức mà chỉ là người hướng dẫn để người học

tự xây dựng kiến thức STEM mang đến các hoạt động trải nghiệm thực tế, thông qua đó người học không chỉ được trang bị các kỹ năng STEM mà còn được trang bị

1 Quốc Hội, Nghị quyết về đổi mới chương trình, sách giáo khoa giáo dục phổ thông, Số 88/2014/QH13,

các kỹ năng phù hợp trong thế kỉ 21 Người học STEM có khả năng tự giải quyết vấn đề thông qua phối hợp kiến thức và kỹ năng các môn vận dụng trong công việc, đặc biệt là ngành nghề liên quan Kỹ thuật – công nghệ Song song với xu hướng giáo dục và xu hướng nghề nghiệp STEM, theo một báo cáo của STEMconnector.org, vào năm 2018, ước tính cần 8,65 triệu lao động trong công việc liên quan đến STEM2 Các ngành sản xuất phải đối mặt với sự thiếu hụt nguồn nhân lực được đào tạo các chuyên ngành liên quan đến STEM Qua đó nhận thấy sự phù hợp, cần thiết và cấp thiết của giáo dục STEM đối với sự phát triển của xã hội hiện nay

Ở Việt Nam trong những năm gần đây, dạy học STEM ngày càng diễn ra sôi nổi và nhận được nhiều sự quan tâm của cộng đồng Các câu lạc bộ STEM, các trung tâm giáo dục STEM tiếp nối nhau ra đời hoạt động tích cực và thu hút học sinh Tuy nhiên các mô hình giáo dục STEM ở Việt Nam còn khá sơ khai, đa phần

là áp dụng trực tiếp các mô hình của nước ngoài cho học sinh mà bỏ qua sự khác biệt giữa các nền giáo dục về tổ chức hệ thống giáo dục, về cơ sở vật chất, về thời gian học, về phương pháp giảng dạy cũng như cách thức tiếp nhận kiến thức của học sinh Chính vì lý do đó luận văn được thực hiện nhằm xây dựng mô hình STEM phù hợp với giáo dục Việt Nam về nội dung, chương trình, phương pháp giáo dục, điều kiện cơ sở vật chất cũng như trình độ và năng lực của học sinh

Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng các mô hình thí nghiệm lấy chủ đề ánh sáng – màu sắc theo định hướng STEM làm tài liệu tham khảo cho giáo viên vật lý, nhằm mục đích nâng cao chất lượng giáo dục và đem kiến thức vật lý gần gũi hơn với cuộc sống, khởi tạo sự hứng thú và yêu thích khoa học cho học sinh Với mục tiêu trên luận văn hướng tới tìm hiểu và xây dựng các mô hình với phần lý thuyết thuộc kiến thức Quang học phổ thông và phần kỹ năng thực hiện phù hợp với đối tượng hướng tới là học sinh THCS

Mô hình bao gồm tài liệu tham khảo, sản phẩm thực tế và video hướng dẫn

Luận văn được trình bày với nội dung chính gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về mô hình giáo dục STEM

Chương này giúp người đọc có cái nhìn bao quát về giáo dục STEM, hiểu được khái niệm STEM là gì, lịch sử hình thành và phát triển của giáo dục STEM, vai trò của giáo dục STEM, những đánh giá về lợi ích, khó khăn cũng như hướng phát triển của STEM với giáo dục hiện tại

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Trình bày về phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn

Chương 3: Các gói mô hình STEM đơn giản về ánh sáng – màu sắc

Giới thiệu và trình bày một số mô hình STEM đơn giản về chủ đề ánh sáng – màu sắc xoay quanh các kiến thức Quang học của học sinh THCS: Ánh sáng trắng

và ánh sáng màu, hiện tượng khúc xạ ánh sáng, tác dụng của ánh sáng

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH

GIÁO DỤC STEM

1.1 Giáo dục STEM là gì?

STEM là viết tắt của Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kỹ thuật) và Mathematics (Toán học)

STEM là một chương trình giáo dục, về bản chất được hiểu là trang bị cho người học những kiến thức và kỹ năng cần thiết liên quan đến các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học Các kiến thức và kỹ năng này phải được tích hợp, lồng ghép và bổ trợ cho nhau, giúp người học không chỉ hiểu biết về nguyên lý

mà còn có thể thực hành và tạo ra được những sản phẩm có ích phục vụ cuộc sống hằng ngày

Vào những thập niên 50 và 60, Mỹ là nước đầu tiên phổ cập giáo dục phổ thông cho cả nước và cũng là nước đầu tiên tạo ra hệ thống các trường cao đẳng, đại học rộng rãi Hệ thống giáo dục của họ vào thời điểm này được đánh giá là tốt nhất thế giới, cùng với đó là những kết quả tuyệt vời mà nền khoa học và kinh tế Mỹ đạt được Tuy nhiên, không ít các quốc gia đã gặt hái được rất nhiều thành công trong giáo dục, chẳng hạn như Phần Lan, Hàn Quốc, Hồng Kông hay Singapore thậm chí còn được cho là đã vượt mặt Mỹ

Trong những năm 90 của thế kỷ 20, Quỹ khoa học quốc gia Mỹ (NSF) đã bắt đầu sử dụng từ viết tắt SMET thay cho khoa học, toán học, kĩ thuật và công nghệ (Science, Mathematics, Engineering and Technology) vốn là một dự án giáo dục được dự kiến phổ cập với vai trò cải cách là tìm lại vị thế về phát triển giáo dục của quốc gia này Các nhân viên của NSF nhận thấy phát âm của SMET rất giống với từ

“smut” (từ nói tục) từ đó thuật ngữ STEM ra đời thay thế cho SMET

STEM từng bị nhầm lẫn là một chương trình đào tạo liên quan tới tế bào gốc (Stem cell) Điều này kéo dài cho đến tận mùa thu năm 2005, nhiều người đọc cuốn

“Thế giới phẳng” của Friedman (2005) , họ cho rằng Trung Quốc và Ấn Độ đang

vượt qua Mĩ trong lĩnh vực STEM Từ đó, dự án STEM bắt đầu được đầu tư một cách nghiêm túc và thuật ngữ STEM đã được ghi nhận Giáo dục STEM bây giờ đã trở nên rất phổ biến

Một thống kê ở Mỹ cho thấy từ năm 2004 đến năm 2014, việc làm liên quan đến khoa học và kỹ thuật tăng 26%, gấp hai lần so với tốc độ tăng trưởng trung bình của các ngành nghề khác Trong khi đó, việc làm STEM có tốc độ tăng trưởng gấp

4 lần so với tốc độ tăng trưởng trung bình của các ngành khác nếu tính từ năm 1950 đến 20073

Giáo dục STEM cung cấp cho học sinh các kỹ năng hiểu là sự tích hợp, lồng ghép hài hòa từ bốn nhóm kỹ năng là: Kỹ năng khoa học, kỹ năng công nghệ, kỹ năng kỹ thuật và kỹ năng toán học

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.[4]

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 [4]

Kỹ năng kỹ thuật: Là khả năng giải quyết vấn đề thực tiễn 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, học sinh 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 Học sinh 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, học sinh

còn có khả năng nhìn nhận ra nhu cầu và phản ứng của xã hội trong những vấn đề liên quan đến kỹ thuật.[4]

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 Học sinh 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.[4]

Ngoài những kỹ năng về khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học, giáo dục STEM còn cung cấp cho học sinh những kỹ năng cần thiết giúp học sinh phát triển tốt 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 học sinh trong môi cuộc

sống thực tế, đặc biệt là đối với cuộc sống 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, học sinh tiếp nhận thông tin, kiến thức từ giáo viên một cách thụ động Tư duy phản biện sẽ giúp học sinh 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

STEM khá đa dạng về phương pháp giảng dạy, tuy vậy một trong những phương pháp dạy và học mang lại hiệu quả cao nhất cho giáo dục STEM là phương pháp “Học qua hành - Learning by doing”[5] Phương pháp ”Học qua hành” giúp

học sinh có được kiến thức từ kinh nghiệm thực hành chứ không phải chỉ từ lý thuyết

Bằng cách xây dựng các bài giảng theo chủ đề và dựa trên thực hành, học sinh sẽ được hiểu sâu về lý thuyết, nguyên lý thông qua các hoạt động thực tế Chính các hoạt động thực tế này sẽ giúp học sinh nhớ kiến thức lâu hơn, sâu hơn Học sinh sẽ được làm việc theo nhóm, tự thảo luận tìm tòi kiến thức, tự vận dụng kiến thức vào các hoạt động thực hành rồi sau đó có thể truyền đạt lại kiến thức cho người khác Với cách học này, giáo viên không còn là người truyền đạt kiến thức nữa mà sẽ là người hướng dẫn để học sinh tự xây dựng kiến thức cho chính mình

Với cách dạy học này đòi hỏi cao ở người giảng dạy không chỉ đơn thuần là hiểu rõ lý thuyết mà còn phải nắm vững kỹ thuật thực hiện, bài giảng được lựa chọn đơn giản hay phức tạp tùy vào mức độ đánh giá tiếp thu của người học mà điều này cũng đòi hỏi người giảng dạy khả năng đánh giá tổng quát khả năng tiếp thu của người học Dự đoán, quản lý và giải quyết tình huống cũng là kỹ năng không thể thiếu đối với một người giáo dục STEM chuyên nghiệp

Với người học thì mô hình này có tính hứng thú và hấp dẫn cao, vì dạy học không đơn thuần là lý thuyết suông mà người học cần dựa trên nền tảng lý thuyết đã

có, triển khai và thực hành tạo sản phẩm hoàn thiện Sản phẩm tạo thành càng hoàn thiện bao nhiêu người học càng hứng thú và có động lực học tập cao về sau bấy nhiêu

Giáo dục STEM không phải là để học sinh trở thành những nhà toán học, nhà khoa học, kỹ sư hay những kỹ thuật viên mà là cung cấp các kỹ năng có thể được sử

dụng để làm việc và phát triển trong thế giới công nghệ hiện đại ngày nay

Đó cũng là lý do vì sao STEM đòi hỏi sự tích hợp, lồng ghép hài hòa không chỉ với bốn kỹ năng chính mà còn là sự phát triển ngầm định của các kỹ năng bổ trợ Một vấn đề không cần bàn cãi đó là tác dụng thực tế của chúng đối với cuộc sống hiện đại ngày nay

1.4 Đánh giá STEM với giáo dục hiện tại

- Tích hợp nhiều kiến thức lý thuyết và thực tiễn trong một mô hình giáo dục

- Tạo hứng thú và hấp dẫn cho người học so với những tiết học đơn thuần

- Bên cạnh các kiến thức kỹ năng chính cần truyền tải còn thúc đẩy các kỹ năng cần thiết như: giao tiếp, làm việc nhóm…

- Cho phép người học phát triển toàn diện các kỹ năng cần thiết cho cuộc sống hiện đại nhưng vẫn đảm bảo tính linh động để người học phát huy sở trường

- Người học được tiếp xúc thực tiễn ngay khi học, cho phép sự trải nghiệm tích lũy kinh nghiệm và khả năng qua từng tiết học

- Đòi hỏi cao về chuyên môn người giảng dạy, cả lý thuyết lẫn thực tiễn đều cần nắm vững

- Mỗi mô hình giảng dạy cần được tính toán và xây dựng tỉ mỹ, đảm bảo mức

độ tư duy người học, không quá đơn giản cũng không quá phức tạp

- Để đạt hiệu quả tối ưu cho cả chương trình giảng dạy, cần áp dụng STEM tuần tự với mọi lứa tuổi học

- Chi phí cho giáo dục là cần thiết đối với từng mô hình nhằm đạt hiệu quả cao trong mô phỏng cũng như sản phẩm thực tế

2 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nhằm mục đích nghiên cứu, thu thập những loại tài liệu có liên quan đến đề tài, từ đó định hướng được nội dung, phạm vi và mức độ nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu lí luận về phương pháp giáo dục STEM

- Nghiên cứu lí luận về phương pháp giảng dạy Vật lý ở THCS

- Nghiên cứu nội dung bài học Chương III Vật lý lớp 9

Bước 1: Tìm kiếm tài liệu liên quan đến đề tài

Bước 2: Đọc, tóm tắt những vấn đề liên quan đến đề tài

Bước 3: Xây dựng cơ sở lí luận cho đề tài

Việc tạo ra mẫu sản phẩm giúp đánh giá xem thí nghiệm đã đáp ứng đủ các yêu cầu về STEM (yêu cầu về kỹ năng và kiến thức thuộc các lĩnh khoa học, kỹ thuật, công nghệ, toán học) hay chưa và các yêu cầu đó có thích hợp cho đối tượng học sinh đang hướng tới hay không Ngoài ra, thông qua đó còn giúp xác định nguồn nguyên vật liệu và linh kiện có dễ chuẩn bị hay không, dự đoán những sai lầm học sinh có thể mắc phải và dự trù kinh phí cho thí nghiệm

Bước 1: Xác định thí nghiệm cần thực hiện

Dựa vào mục tiêu kiến thức và kỹ năng lựa chọn thí nghiệm phù hợp

Bước 2: Lập kế hoạch tạo mẫu sản phẩm

Xem xét các mục tiêu chuẩn kiến thức, kỹ năng STEM và những kỹ năng của thế kỉ 21 đã đặt ra cho thí nghiệm lên kế hoạch tạo mẫu sản phẩm gồm các phần:

- Nguyên vật liệu, dụng cụ cần sử dụng

- Các bước tiến hành

- Yêu cầu kết quả của mẫu sản phẩm

Bước 3: Tìm nguồn cung cấp nguyên vật liệu, linh kiện cần thiết

Bước 4: Tạo mẫu sản phẩm

Tạo mẫu sản phẩm với vai trò là học sinh, xem xét lứa tuổi, trình độ, khả năng của học sinh và yêu cầu của thí nghiệm muốn học sinh thực hiện

Bước 5: Khảo sát, đánh giá mẫu sản phẩm

Qua bước tạo mẫu sản phẩm phần nào hình dung được nội dung và các kỹ năng cần thiết trong quá trình tiến hành thí nghiệm Từ đó nhìn nhận và đánh giá lại thí nghiệm về tính học thuật và tính khả thi của thí nghiệm

Bước 6: Điều chỉnh hoàn thiện sản phẩm

Nhằm xây dựng các bộ thí nghiệm về màu sắc, ánh sáng theo định hướng STEM dựa trên các cơ sở lý thuyết đã có

Nghiên cứu quy trình xây dựng bộ thí nghiệm định hướng STEM

Mỗi bộ thí nghiệm ngoài yêu cầu giải quyết một vấn đề kiến thức Vật lý còn cần phải đảm bảo yêu cầu về khoa học, kỹ thuật, công nghệ và toán học Vì vậy, việc xây dựng một bộ thí nghiệm được thực hiện theo qui trình như sau:

Bước 1: Xác định mục tiêu kiến thức Vật lý cần giải quyết cho bộ thí nghiệm sẽ

Bước 4: Nâng cấp thí nghiệm tùy theo mục tiêu kỹ năng và yêu cầu kỹ thuật

Bước 5: Thiết kế tiến trình thực hiện thí nghiệm cho học sinh (các hoạt động được

tổ chức cho học sinh có thể làm tại lớp)

2 CHƯƠNG 3: CÁC GÓI MÔ HÌNH STEM ĐƠN GIẢN VỀ ÁNH SÁNG – MÀU SẮC

Trong chương này luận văn sẽ giới thiệu các gói mô hình STEM về chủ đề ánh sáng – màu sắc xoay quanh mảng kiến thức Vật lý về ánh sáng trắng, ánh sáng màu, tác dụng quang điện và hiện tượng khúc xạ của ánh sáng Mô hình STEM xây dựng bắt nguồn ý tưởng từ các sản phẩm sáng tạo Vật lý đã có sẵn phù hợp với chủ

đề ánh sáng – màu sắc, sau đó được chọn lọc, thay đổi và bổ sung thêm các yếu tố

kỹ thuật, công nghệ, toán học Cuối cùng thông qua thực nghiệm làm sản phẩm mẫu, mô hình được cải tiến phù hợp với trình độ và năng lực của học sinh Sau quá trình tìm hiểu và nghiên cứu luận văn xây dựng được ba mô hình: Đèn trân châu,

Xe mini chạy bằng pin mặt trời và Đèn lava, các mô hình được trình bày chi tiết về nguyên vật liệu cần thiết, từng bước thực hiện, nguyên lý hoạt động của sản phẩm, lưu ý khi tiến hành cũng như một số gợi ý cho giáo viên trong quá trình áp dụng mô hình

Các gói mô hình dưới đây hi vọng không chỉ giúp học sinh phát triển toàn diện về kiến thức và kỹ năng trên các lĩnh vực STEM mà còn phát triển các kỹ năng mềm cần thiết thông qua hoạt động trải nghiệm chế tạo sản phẩm Đồng thời mô hình đưa kiến thức Vật lý gần gũi hơn với cuộc sống, khởi tạo sự hứng thú và yêu thích khoa học cho học sinh

Mô hình 1: ĐÈN TRÂN CHÂU

Tên: Đèn trân châu

Đối tượng, phạm vi bài học: Mô hình hướng tới đối tượng học sinh lớp 9, áp dụng

cho bài học Ánh sáng trắng và ánh sáng màu

Nội dung và mục đích:

Nội dung: Học sinh dựa trên các vật liệu, linh kiện có sẵn thiết kế một chùm đèn

màu bằng nguồn phát ra ánh sáng trắng, chùm đèn hoạt động tự động bằng hệ thống cảm quang (nghĩa là đèn sẽ hoạt động khi môi trường thiếu ánh sáng và ngược lại)

 Đèn hoạt động khi thiếu ánh sáng, tự ngắt khi đủ ánh sáng

- Về kiến thức: Có kiến thức về vật lý cơ bản, kiến thức về kỹ thuật điện, kiến

thức về an toàn khi sử dụng, lắp đặt mạch điện Nắm bắt và hiểu rõ nguyên lý hoạt động cũng như cách lắp đặt của các linh kiện trong mạch điện

- Về kỹ năng: Có kỹ năng cơ bản về sử dụng dụng cụ kỹ thuật điện (Kềm, Tua

vít…), kỹ năng đo đạc tính toán, kỹ năng thủ công về cắt dán, thường thức và thẩm

mỹ

- Về dụng cụ: Kéo, Tua-vít, Kềm, Ghim bấm giấy, kẹp gỗ, súng bắn keo,

thước thẳng Dưới đây là một số ảnh minh họa các dụng cụ quan trọng:

- Về nguyên vật liệu: Ly nhựa (tâm đáy được khoan lỗ đường kính 1cm), đinh

ghim, keo nến, keo 2 mặt hoặc keo sữa, giấy lọc màu; linh kiện gồm: 1 quang trở

(cảm biến ánh sáng), 1 relay, dây led chùm, adapter hạ áp 220-5V, dây diện Dưới

đây là một số ảnh minh hoạ các linh kiện và nguyên vật liệu quan trọng:

Hình 1: Một số dụng cụ cần thiết

Hình 2: Một số nguyên vật liệu mô hình 1

1.2.2 Thực hiện

Bước 1: Nguyên cứu hoạt động

Hoạt động của mạch điện được tóm tắt qua sơ đồ nguyên lý nêu trên, cụ thể như sau:

- Về nguồn cấp điện: Để mạch điện hoạt động ta sử dụng hai nguồn cung cấp điện gồm nguồn 220V-AC (xoay chiều) lấy trực tiếp từ nguồn điện gia dụng cấp điện hoạt động cho Led chùm và nguồn 5V-DC (một chiều) thông qua sử dụng Adapter cấp điện hoạt động cho Cảm biến ánh sáng và Relay

- Về mặt tín hiệu: Khi cảm biến ánh sáng hoạt động sẽ phát tín hiệu báo về Relay tương ứng với mức 5V khi có ánh sáng và 0V khi không có Relay nhận tín hiệu 5V sẽ ngắt điện cấp từ nguồn cho Led chùm và ngược lại 0V sẽ đóng điện cấp cho Led chùm

 Adapter là thiết bị dùng để chuyển đổi nguồn điện

cao áp chuẩn (AC – xoay chiều: 100-250V) thành

điện áp thấp hơn (DC – một chiều: 3-15V)

 Chức năng chính của Adapter là cung cấp nguồn

điện thích hợp cho các thiết bị điện tử hoạt động ổn

định, ngoài ra Adapter còn dùng sạc pin cho các

thiết bị điển hình là pin cho laptop, smartphone

Hình 3: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của mô hình 1

Hình 4: Adapter

 Cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở có khả năng

thay đổi điện trở theo cường độ ánh sáng chiếu vào

Tín hiệu xuất ra của cảm biến là digital HIGH (5V)

khi trời tối (cường độ ánh sáng chiếu vào thấp) và

LOW nếu ngược lại tượng trưng cho các trạng thái

bật, tắt thiết bị điện tự động

 Cảm biến ánh sáng có thể điều chỉnh được độ nhạy

bằng nút vặn trên thân

 Nguyên lý hoạt động của quang trở:

Quang trở là một điện trở làm bằng chất bán dẫn hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong Nó có cấu tạo gồm một sợi dây bằng chất bán dẫn gắn trên một

đế cách điện Để biết quang trở hoạt động như thế nào ta cần biết về khái niệm hiệu ứng quang điện trong và chất bán dẫn Hiệu ứng quang điện trong là hiện tượng điện tử (electron) chuyển sang trạng thái kích thích và thoát ra khỏi liên kết nguyên

tử sau khi hấp thụ năng lượng từ các photo ánh sáng[2] Chất bán dẫn là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện Chất này có thểdẫn điện ở một điều kiện nào đó, ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện Trong trường hợp của quang trở điều kiện để dẫn điện là ánh sáng Khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn nhờ hiệu ứng quang điện trong làm phát sinh các electron tự do tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất bán dẫn

 Nguyên lý hoạt động của relay:

Kết cấu của relay gồm 1 lõi sắt, 1 cuộn dây và một tiếp điểm Khi có dòng điện chạy qua relay, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và tạo ra một từ trường hút Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy bên trong làm đóng hoặc

mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng thái của relay Relay có 2 mạch hoạt động độc lập: một mạch là điều khiển relay ở trạng thái ON hay OFF, một mạch điều khiển dòng điện ta cần kiểm soát có qua được relay hay không dựa vào trạng thái ON hay OFF của relay

 Relay là một công tắc chuyển đổi hoạt động bằng

điện Nói là một công tắc vì relay có 2 trạng thái ON

và OFF Relay ở trạng thái ON hay OFF phụ thuộc

vào có dòng điện chạy qua relay hay không

Hình 5: Cảm biến ánh sáng

Hình 6: Relay

- Về ánh sáng: Từ nguồn led trắng để tạo ra các ánh sáng màu khác nhau ta sử dụng giấy lọc màu Cho ánh sáng trắng đi qua giấy lọc màu nào ta sẽ thu được ánh

sáng màu tương ứng

Bước 2: Lắp mạch điện

- Đấu dây:

Dựa vào sơ đồ lắp đặt tiến hành đấu dây

Đầu tiên, từ nguồn 220V-AC sử dụng Adapter hạ áp để có nguồn 5V-DC

Tiếp đến, relay và Cảm biến ánh sáng hoạt động với điện áp 5V nên ta nối chân DC+ của Relay và VCC của cảm biến ánh sáng vào dây màu đỏ của Adapter (5V)

Sau đó, ta nối chân DC- của Relay, GND của cảm biến ánh sáng vào dây màu đen của Adapter (Đất)

Tiếp theo, sau khi Relay sẽ nhận tín hiệu đóng ngắt dựa theo tín hiệu trả về của Cảm biến ánh sáng thông qua việc xác định cường độ ánh sáng do đó ta nối chân DO (Tín hiệu ra) của cảm biến ánh sáng vào chân In (điều khiển đóng ngắt) của Relay

Cuối cùng, từ nguồn 220V-AC cấp điện cho Led chùm ta lấy một dây bất kỳ trong hai dây cấp điện cho Led chùm cho đi ngang qua Relay vào cổng NO và ra cổng COM hoặc ngược lại đều được

Hình 7: Sơ đồ lắp đặt của mô hình 1

Bước 3: Kiểm tra lại mạch

Để đảm bảo mạch điện hoạt động tốt và bình thường, sau khi nối mạch xong

ta sẽ thực hiện kiểm tra lại mạch điện Đầu tiên, ta kiểm tra các mối nối và chốt điện, đảm bảo các mối nối chắc chắn, kín và không bị rò điện, nếu các mối nối hở cần dùng súng bắn keo hoặc băng keo đen để làm kín lại, nếu mối nối thiếu chắc chắn bắt buộc phải tháo ra và thực hiện nối lại Sau khi đảm các mối nối đạt yêu cầu

kỹ thuật và thẩm mỹ, ta kiểm tra lại toàn bộ đường dây điện một lần để chắc chắn không có hiện tượng rò điện xảy ra trong toàn mạch Cuối cùng, ta đóng mạch điện

và kiểm tra lại lần cuối, nếu đóng mạch mà có một thiết bị nào không hoạt động cần kiểm tra ngay từ bước đầu tiên và bắt đầu từ các mối nối điện gần thiết bị đó nhất Nếu đã kiểm tra kỹ lại toàn bộ các mối nối và dây điện vẫn không tìm ra vấn đề thì

ta tiền hành kiểm tra lại chất lượng thiết bị không hoạt động, kiểm tra xem đèn báo

có sáng hay không, điện có đi qua thiết bị hay không, nếu chất lượng thiết bị không đảm bảo thì tiến hành thay mới để mạch điện hoạt động bình thường

Bước 4: Thiết kế chùm đèn

Để thiết kế chùm đèn ta sử dụng các ly nhựa thông dụng như: ly nước ngọt, trà sữa Đa phần các ly nhựa này là ly trắng (trong suốt hoặc trắng đục) ta sẽ thay đổi chúng thành các ly có màu sắc khác nhau bằng các sử dụng các giấy kính màu bọc xung quanh ly và miệng ly Số lượng ly sử dụng tùy thuộc và độ lớn của đèn chùm mà ta muốn tạo ra Chú ý các ly cần được đục trước một lỗ ở đáy ly để tiện cho việc luồn các đèn led vào ly ở bước sau, và việc đục lỗ nên thực hiện trước khi

ta thực hiện dán giấy kính màu để đảm bảo thẩm mỹ cũng như đơn giản về sau khi

đã dán giấy kính sẽ khó thực hiện thực hiện hơn

Hình 8: Hình dạng ly - hình nón cụt

Nhận thấy các ly nhựa có hình dạng tương đồng với hình nón cụt, để tạo ra một ly màu từ một ly nhựa trong có sẵn ta sẽ tiến hành các công việc sau Đầu tiên

ta đo các kích thước của ly bao gồm đường kính đáy, đường kính miệng, chiều cao

và đường sinh của ly Tiếp đến ta dựa vào kích thước đo được ta tính toán và cắt giấy kính màu theo các mẫu dưới đây: Mẫu hình tròn (Mẫu A) dán vào miệng ly và mẫu còn lại (Mẫu B) để bao lấy phần thân của ly

Mẫu A: cắt hình tròn có đường kính dài

hơn đường kính miệng ly khoảng

2-3mm

Mẫu B: Để xác định mẫu này ta dựa vào

các số liệu đã đo trước để tính toán góc

lệch α với cách tính sau:

Sau khi tính toán ra các số đo cần thiết ta

cắt mẫu B có hình dáng tương tự phần

hình bị tô đen bên Hình 10

Sau khi đã cắt được các mẫu nêu trên ta sẽ tiến hành dán vào ly để có được ly màu như mong muốn Chú ý ở phần này, ta chỉ nên cắt trước một mẫu rồi dán thử vào ly, nếu mẫu quá lớn hoặc có bé so với kích thước ly thực tế do trong quá trình

đo đạc, tính toán hoặc cắt dán có sai phạm, thì ta có thể chỉnh sửa cho hợp lý với kích thước ly, tránh trường hợp cắt hàng loạt rồi mới dán sẽ nếu có sai sót xảy ra sẽ dẫn đến sai hàng loạt và tiêu tốn nguyên vật liệu tái thực hiện Tiến hành dán như sau: Đầu tiên ta dán mẫu B bao quanh thành ly, sau đó để cố định phần giấy kính màu ta sử dụng súng bắn keo hoặc keo sữa quét vào mép dính khi đã bao quanh thanh Sau đó, ta tiếp tục với các mảnh giấy kính màu hình tròn và dán vào miệng

ly, lý do cắt các hình tròn này có đường kính lớn hơn 2-3mm so với số đo thực tế để

Hình 9: Mẫu giấy A

Hình 10: Mẫu giấy B