THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẶT TRỜI – TRÁI ĐẤT – MẶT TRĂNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THIÊN VĂN HỌC CHO HỌC SINH TIỂU HỌC VÀ TRUNG HỌC CƠ SỞ

Với ưu điểm nhỏ gọn, trực quan, có thể thay đổi được tỉ lệ tốc độ quay của các thiên thể, bộ mô hình này là một công cụ đắc lực cho các giáo viên trong việc giảng dạy các kiến thức thiên

VÕ TRẦN KHOA NGUYÊN

THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẶT TRỜI – TRÁI ĐẤT – MẶT TRĂNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THIÊN VĂN HỌC

CHO HỌC SINH TIỂU HỌC

VÀ TRUNG HỌC CƠ SỞ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TP HỒ CHÍ MINH – 2018

VÕ TRẦN KHOA NGUYÊN

THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẶT TRỜI – TRÁI ĐẤT – MẶT TRĂNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THIÊN VĂN HỌC

CHO HỌC SINH TIỂU HỌC

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy Nguyễn Tấn Phát, người đã hướng dẫn em xuyên suốt trong quá trình thực hiện khóa luận này Thầy đã tận tâm, tận tình chia sẻ và chỉ dạy mọi thứ cho em để hoàn thành thật tốt khóa luận

Em xin gửi lời cảm ơn từ tận đáy lòng đến Thầy Nguyễn Hoàng Long đã luôn giúp đỡ, hỗ trợ ý tưởng và kỹ thuật cho mô hình của em hoạt động một cách suôn sẻ

và tốt nhất

Bên cạnh đó, em xin gửi lời tri ân đến Thầy Nguyễn Lâm Duy và Thầy Ngô Minh Nhựt đã luôn động viên, quan tâm, hỗ trợ và tạo động lực giúp em những lúc gặp khó khăn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cô giảng viên khoa Vật lý và các khoa của trường Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh đã truyền dạy kiến thức, kinh nghiệm và bản lĩnh nghề nghiệp cho em trong suốt chặng đường bốn năm đại học, các phòng ban, tổ bảo vệ đã tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện khóa luận này Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân thương và các bạn trong phòng thí nghiệm Vật lý đại cương nâng cao đã luôn động viên, giúp đỡ, san

sẻ về mặt vật chất và tinh thần trong suốt quãng thời gian qua

Em xin chân thành cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 4 năm 2018

Sinh viên

Võ Trần Khoa Nguyên

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH v

MỞ ĐẦU 1

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

II MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 2

IV NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3

V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN – CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

1.1 BOARD MẠCH VI XỬ LÝ ARDUINO 6

1.1.1 Tổng quan 6

1.1.2 Giới thiệu board mạch Arduino Uno 8

1.2 CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ CÁC CẢM BIẾN LIÊN QUAN 10 1.2.1 LCD 10

1.2.2 Module giao tiếp I2C cho LCD 10

1.2.3 Cảm biến từ Hall sensor KY 024 11

1.3 ĐỘNG CƠ DC VÀ MODULE ĐIỀU KHIỂN 12

1.3.1 Động cơ DC một chiều 12

1.3.2 Module điều khiển động cơ L298 13

1.4 Lý luận dạy học bằng mô hình mô phỏng 14

1.4.1 Khái niệm phương tiện trực quan 14

1.4.2 Phương pháp dạy học trực quan 14

1.4.3 Phương tiện dạy học 15

1.4.4 Mô hình mô phỏng trong dạy học các môn tự nhiên xã hội và dạy học bộ môn Vật lý 17

CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 20

2.1 THIẾT KẾ MÔ HÌNH 20

2.1.1 Sơ đồ khối quá trình thiết kế và chế tạo 20

2.1.2 Hệ bánh răng truyền động 20

2.2 CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 25

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ mô hình mô phỏng hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng: 25

2.2.2 Đánh giá bộ mô hình khóa luận đã thực hiện 27

2.3 GỢI Ý CÁCH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TRONG DẠY HỌC 28

2.3.1 Cách thức hoạt động và cách áp dụng mô hình trong dạy học 28

2.3.2 Soạn thảo tiến trình dạy học ở cấp tiểu học một số bài có sử dụng bộ mô hình mô phỏng đã xây dựng 31

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

PHỤ LỤC 48

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Các thông số của Arduino Uno R3 [1] 48 Bảng 3.2: Bảng chức năng các chân của LCD [15] 48

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Mô hình thiên văn của nhà sách thiết bị trường học 5

Hình 1.2: Hình ảnh mô hình sáng tạo dạy học tại một cuộc thi tại Hà Nội 6

Hình 1.3: Một số board mạch Arduino hiện nay 7

Hình 1.4: Sơ đồ các chân của Arduino Uno [6] 8

Hình 1.5: Sơ đồ khối sử dụng Arduino trong bộ thí nghiệm 9

Hình 1.6: Sơ đồ chân LCD 16x2 [15] 10

Hình 1.7: Module chuyển I2C (a) và màn hình LCD tích hợp I2C (b) 11

Hình 1.8: Module cảm biến từ Hall KY 024 12

Hình 1.9: Sơ đồ chân IC L298 13

Hình 1.10: Tháp hiệu quả sử dụng phương tiện dạy học [8] 16

Hình 2.1: Tóm tắt quá trình thực hiện 20

Hình 2.2: Giao diện phần mềm Gearotic 3x 22

Hình 2.3: Sơ đồ hệ truyền động bằng bánh răng sử dụng trong mô hình 22

Hình 2.4: Sơ đồ hệ truyền động đầy đủ khi gắn vào motor DC 23

Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ thí nghiệm 25

Hình 2.6: Một phần hệ truyền động bằng bánh răng 26

Hình 2.7: Quỹ đạo Mặt Trăng và sơ đồ các pha Mặt Trăng 26

Hình 2.8: Mô hình hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng hoàn chình 27

Hình 2.9: Hình ảnh hộp điều khiển 28

Hình 2.10: Mô hình Trái Đất – Mặt Trăng (a) và mô hình Mặt Trời (b) 30

Hình 2.11: 2 cảm biến từ Hall xác định thời điểm nguyệt thực 30

MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Đất nước Việt Nam chúng ta đang có những sự chuyển mình toàn diện về kinh

tế, văn hóa và giáo dục nhằm thực hiện được mục tiêu công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước Trong thời đại bùng nổ khoa học và thông tin, tri thức thực tiễn và sáng tạo là một trong những yếu tố then chốt và động lực để phát triển Do đó, trách nhiệm rèn luyện và phát triển tương lai đất nước của ngành giáo dục và đào tạo là vô cùng

to lớn Giáo dục và đào tạo đã và đang có những thay đổi tích cực thông qua hàng loạt cải cách và đổi mới Trong Nghị quyết Hội nghị lần thứ 8 của Ban Chấp hành Trung ương nêu rõ: “Tiếp tục đổi mới mạnh mẽ phương pháp dạy và học theo hướng hiện đại, phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và vận dụng kiến thức, kỹ năng của người học; khắc phục lối truyền thụ áp đặt một chiều, ghi nhớ máy móc Tập trung dạy cách học, cách nghĩ, khuyến khích tự học, tạo cơ sở để người học tự cập nhật và đổi mới tri thức, kỹ năng, phát triển năng lực.” [9] Trong những năm qua,

Bộ Giáo dục và Đào tạo đã ban hành nhiều đổi mới về nội dung, chương trình, sách giáo khoa, sách tham khảo, dụng cụ và thiết bị dạy học, tăng cường và phát triển các phần mềm dạy học tích cực, tăng cường và đổi mới phương pháp dạy học ở các bậc học khác nhau Tuy nhiên, việc áp dụng các phương pháp dạy học mới, tích cực vẫn còn gặp nhiều hạn chế khi đội ngũ giáo viên vẫn chưa làm quen và được đào tạo bài bản các phương pháp mới, trang thiết bị dạy học chưa đồng bộ, còn nhiều khó khăn

Trong chương trình Tự nhiên và Xã hội ở cấp bậc tiểu học cũng như chương trình Vật Lý ở cấp bậc trung học cơ sở, thiên văn học là một phần kiến thức rất quan trọng Tuy nhiên, học sinh chỉ được lĩnh hội các kiến thức ở phần này thông qua đọc chép, học thuộc lý thuyết hoặc quan sát qua tranh ảnh Các bộ dụng cụ, mô hình phục

vụ giảng dạy thiên văn học hiện còn rất hạn chế, chủ yếu là các sản phẩm nước ngoài nên không phù hợp với điều kiện giảng dạy ở nước ta

Từ những lý do nêu trên, đề tài khóa luận “THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẶT TRỜI – TRÁI ĐẤT – MẶT TRĂNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THIÊN VĂN HỌC CHO HỌC SINH TIỂU HỌC VÀ TRUNG HỌC CƠ SỞ” hướng đến việc xây dựng mô hình Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng là một mô hình mô phỏng đơn giản, nhỏ gọn nhưng được thiết kế với các tỉ lệ phù hợp với mục đích giảng dạy của người giáo viên Mô hình này thể hiện tương đối chính xác tỉ lệ về tốc độ quay, số vòng quay của Trái Đất quanh Mặt Trời và Mặt Trăng quanh Trái Đất nhờ hệ thống bánh răng được truyền động từ một động cơ DC điều khiển bởi board mạch vi xử lý Arduino Ngoài ra, bộ mô hình này còn thể hiện rõ trục nghiêng của Trái đất là 23,50, từ đó giải thích được hiện tượng các mùa trong năm, các pha của Mặt Trăng và hiện tượng nguyệt thực Với ưu điểm nhỏ gọn, trực quan, có thể thay đổi được tỉ lệ tốc độ quay của các thiên thể, bộ mô hình này là một công cụ đắc lực cho các giáo viên trong việc giảng dạy các kiến thức thiên văn học cho học sinh cấp bậc tiểu học và trung học cơ

sở

II MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

Xây dựng được mô hình mô phỏng chuyển động tương đối của Mặt Trời, Trái Đất, Mặt Trăng với kích thước, vị trí, khoảng cách và tốc độ quay phù hợp; mô hình nhỏ gọn dễ quan sát cho các nhóm học; có hiển thị tốc độ quay lên LCD trong hộp điều khiển và các nút nhấn giúp người sử dụng dễ thực hiện các thao tác đơn giản

III ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: Vi điều khiển Arduino và linh kiện điện tử; động cơ DC; hệ thống truyền chuyển động bằng bánh răng; kiến thức về chuyển động của hệ Mặt Trời, Trái Đất, Mặt Trăng; các tài liệu liên quan về ứng dụng dạy học qua các mô hình mô phỏng

- Phạm vi nghiên cứu: Kiến thức thiên văn học trong chương trình dạy học tự nhiên xã hội cấp tiểu học; chương trình Vật Lý các cấp trung học

IV NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu kiến thức về board mạch vi xử lý Arduino

- Nghiên cứu các kiến thức về linh kiện điện – điện tử căn bản

- Nghiên cứu về các loại động cơ nói chung và động cơ DC nói riêng nhằm xây dựng cấu trúc mô hình Nghiên cứu mạch điều khiển động cơ L298 để điều khiển động cơ DC

- Mô phỏng và chạy thử bảng mạch điều khiển động cơ trên phần mềm mô phỏng Proteus 8

- Nghiên cứu kỹ về hệ thống truyền động bằng bánh răng trên phần mềm Gearotic 3x nhằm tạo được hệ thống quay ổn định, chắc chắn và chính xác

- Vẽ bảng vẽ và thiết kế hệ thống truyền động bằng bánh răng Từ đó kết hợp động cơ DC để thiết kế và lắp đặt mô hình mô phỏng

- Nghiên cứu các phương pháp dạy học tích cực hiện nay

- Đánh giá việc ứng dụng mô hình trong một tiết dạy tự nhiên xã hội thông qua giáo án bài dạy Nêu rõ tính đổi mới thông qua việc sử dụng mô hình trong việc dạy và học

- Đánh giá tổng quan bộ mô hình mô phỏng, nêu ưu và nhược điểm Từ đó đề xuất cải tiến phù hợp

V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu và nghiên cứu tài liệu về Điện– Điện tử, mạch Arduino, động cơ DC, hệ số truyền chuyển động bằng bánh răng

- Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia: Tiếp thu ý kiến từ giảng viên hướng dẫn, bạn bè, thầy cô trong khoa cũng như thầy cô đang dạy tại các trường để thiết kế mô hình

- Phương pháp thực nghiệm: Kiểm tra hoạt động của hệ mô hình

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN – CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hiện nay các mô hình thiên văn được sử dụng trên thị trường dạy học chủ yếu

là bộ mô hình hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng của nhà sách thiết bị trường học Nguyễn Tri Phương

Hình 1.1: Mô hình thiên văn của nhà sách thiết bị trường học

Hệ mô hình trên nhỏ gọn, tuy nhiên trên thực tế chưa quay chính xác về số vòng quay của Trái Đất, Mặt Trăng Bên cạnh đó mô hình chưa trình bày được các pha và quỹ đạo quay của Mặt Trăng nghiêng khoảng 5° Hệ mô hình đơn giản được cắm vào nguồn điện 12V-24V, thiếu khả năng tương tác với người sử dụng

Ngoài ra, tại các trường học hiện nay, giáo viên và học sinh chủ yếu học tập kiến thức thiên văn qua các mô hình tự chế tạo và trang trí, thô sơ, đơn giản, tuy nhiên khó quan sát, chủ yếu cung cấp cho học sinh kiến thức về màu sắc, kích thước, vị trí của các thiên thể trong hệ Mặt Trời

Bộ mô hình trong khóa luận của tôi dựa trên ý tưởng xây dựng một hệ cơ truyền động bằng bánh răng, cùng với trung tâm là board mạch vi xử lý điện tử nhằm nhận

và phát các tín hiệu khi người sử dụng tương tác với mô hình Bên cạnh đó mô hình

sử dụng thêm các cảm biến nhằm phát hiện tượng đặc biệt xảy ra như nhật thực, nguyệt thực

Sau đây, tôi xin được phép đề cập tới các thiết bị, linh kiện sử dụng trong mô hình là board mạch Arduino, module điều khiển động cơ L298, động cơ DC, màn hình LCD, cảm biến từ Hall, nút nhấn và hệ thống bánh răng truyền chuyển động

1.1 BOARD MẠCH VI XỬ LÝ ARDUINO

1.1.1 Tổng quan

Arduino là một board mạch vi xử lý được làm sẵn và thiết kế chuyên biệt cho những người chuyên và không chuyên vẫn có thể thực hiện lập trình và thao tác điều khiển một cách dễ dàng với các thiết bị điện tử như đèn, động cơ, các cảm biến,… Arduino ra đời tại Ivrea Interaction Design Institute tại thị trấn Ivrea, nước Ý và được đặt theo tên một vị vua của nước Ý thế kỷ thứ IX [11] Được chính thức giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ thử nghiệm và học tập cho sinh viên không chuyên, ngày nay nó đã đạt tới quy mô toàn cầu Hàng ngàn các đồ án, dự án trên khắp thế

Hình 1.2: Hình ảnh mô hình sáng tạo dạy học tại một cuộc thi tại Hà Nội

giới, trong đó có Việt Nam đều sử dụng Arduino như là trái tim hoạt động chính Với phần cứng được thiết kế và gia công sẵn bởi nhà sản xuất cùng với ngôn ngữ lập trình bắt nguồn từ C/C++ phổ biến và đơn giản, người dùng dễ dàng lên ý tưởng và chọn những thứ mình cần, ráp các thiết bị, nối dây vào Arduino và lập trình là có thể hoạt động được Cùng với sự đơn giản và thuận tiện đó, điểm nổi bật Arduino là môi trường phát triển mở với vô vàn thiết bị hỗ trợ của cộng đồng, các thư viện và các phần mềm đi kèm lớn đến mức có thể xem như hệ sinh thái Arduino

Trải qua nhiều lần thay đổi và phát triển từ những mạch điện tử đơn giản sử dụng cổng RS-232 đến ngày nay là sử dụng Usb, mạch Arduino thực sự là một phần không thể thiếu dành cho học sinh, sinh viên, những người đam mê thiết kế mô hình

và thiết bị điện tử

Một board mạch Arduino cung cấp cho người dùng sự tương tác đa dạng với:

- Các thiết bị hiển thị (đèn, LCD, Oled,…)

Trong đề tài khóa luận của tôi, tôi sử dụng dòng Arduino cổng Usb hiện nay, đó

là board mạch Arduino Uno

1.1.2 Giới thiệu board mạch Arduino Uno

2.1.2.1 Thông số kỹ thuật

Nhắc tới học lập trình và sử dụng Arduino thì cái tên Uno là một cái tên luôn được nhắc đến hàng đầu bởi sự đa dụng và phổ biến của nó trong việc đáp ứng tương đối đầy đủ nhu cầu của người mới học Arduino Uno mang trong mình vi điều khiểnAVR ATmega 328P sử dụng thạch anh có chu kỳ dao động là 16 MHz [4] Với vi điều khiển này, các chân của Arduino Uno có các đặc điểm sau:

- 14 ngõ đầu vào/ra đọc hoặc xuất tín hiệu với mức điện áp từ 0 -5V và dòng vào ra tối đa mỗi chân là 40 mA (từ 0 -13, trong đó có 6 chân cho phép xuất xung PWM (3) với độ phân giải 8 bit)

- 6 chân nhận tín hiệu analog (từ A0 – A5)

Trên board mạch còn có 1 nút reset, 1 cổng Usb, 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ nguồn bên ngoài

68mm

50,5mm

Hình 1.4: Sơ đồ các chân của Arduino Uno [6]

2.1.2.2 Chức năng của Arduino trong mô hình

Với khả năng linh hoạt làm việc với đa dạng các cảm biến và module hỗ trợ, thiết kế board mạch nhỏ gọn, giá cả phù hợp so với các vi điều khiển khác cũng như

vi máy tính - Raspberry Pi Bên cạnh đó, môi trường lập trình mở của Arduino là Arduino IDE dựa trên nền tảng C/C++ quen thuộc cho những người làm kỹ thuật cũng như học sinh, sinh viên

Đề tài xoay quanh việc điều khiển tốc độ, ngắt/mở động cơ DC qua nút nhấn,

từ đó kéo theo việc quay của hệ cơ, hiển thị tốc độ quay lên màn hình LCD Arduino đóng vai trò trung tâm trong việc thực hiện những nhiệm vụ trên:

- Sử dụng các chân digital 2, 3, 4, 5 làm nút nhấn

- Sử dụng các chân 6, 7, 9 có xung PWM nối vào module mạch công suất L298 thực hiện việc điều khiển tốc độ quay động cơ DC

- Sử dụng chân analog A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C LCD

- 2 cảm biến từ Hall sử dụng 2 chân analog là A0 và A1

BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM ARDUINO UNO R3 NÚT NHẤN

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

DC

MẠCH CẦU H L298

HIỂN THỊ MÀN HÌNH LCD

CẢM BIẾN

TỪ HALL

Hình 1.5: Sơ đồ khối sử dụng Arduino trong bộ thí nghiệm

1.2 CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ CÁC CẢM BIẾN LIÊN QUAN

1.2.1 LCD

Trong lập trình, màn hình đóng vai trò là cầu nối giao tiếp giữa người và thế giới điện tử Các loại màn hình phổ biến hiện nay là LCD, Oled, led,…trong đó LCD được sử dụng rộng rãi do giá thành rẻ, dễ lập trình, bên cạnh đó việc hiển thị các ký

tự rất đa dạng, có thể làm hình động và hơn thế nữa Màn hình LCD 16x2 là màn hình

có 16 ô mỗi 2 hàng, mỗi một ô có 40 pixel

1.2.2 Module giao tiếp I2C cho LCD

Khi nối trực tiếp các chân LCD vào board Arduino cần tối thiểu 6 chân cắm RS,

RW, D4, D5, D6, D7, bên cạnh đó còn thêm các dây điều chỉnh độ tương phản, dây cắm nguồn vào LCD Do đó, để đơn giản hóa cách kết nối LCD, module điều khiển LCD với giao tiếp I2C ra đời với một số đặc tính tối ưu sau:

122mm

44mm

Hình 1.6: Sơ đồ chân LCD 16x2 [15]

- Giảm số dây cắm vào LCD còn 4 dây

- Điều khiển LCD dễ dàng qua giao tiếp I2C

- Tích hợp biến trở nhằm điều chỉnh độ tương phản của màn hình (từ 250)

0-1.2.3 Cảm biến từ Hall sensor KY 024

Module cảm ứng từ Hall sensor KY 024 là một cảm biến nhận biết từ trường ngoài như nam châm, dây dẫn có dòng điện chạy qua… theo nguyên tắc hiệu ứng Hall [3] Thiết bị có 4 đầu ra, một chân nối đất, một chân nối vào nguồn, 2 chân tín hiệu analog và digital Thông qua chip A3141, khi gặp vật cản có gắn nam châm hay

có từ trường mạnh, module KY 024 sẽ nhận biết từ trường và in tín hiệu analog hoặc tín hiệu digital của giá trị hiệu điện thế Hall truyền tới vi điều khiển nhằm xử lý thông tin

Trong mô hình của tôi sử dụng 2 cảm biến từ Hall nhằm nhận biết hiện tượng nguyệt thực

Hình 1.7: Module chuyển I2C (a) và màn hình LCD tích hợp I2C (b)

1.3 ĐỘNG CƠ DC VÀ MODULE ĐIỀU KHIỂN

1.3.1 Động cơ DC một chiều

Động cơ DC (direct-current motor) là một thiết bị dùng để biến đổi năng lượng dòng điện một chiều thành năng lượng cơ học Để làm rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện và chổi than sẽ chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ [2] Thông thường để điều khiển tốc độ động cơ DC, người ta sẽ điều chỉnh điện áp đưa vào bằng nhiều cách khác nhau [5] Và kỹ thuật để thay đổi điện

áp đưa vào được thường hay sử dụng đó là phương pháp điều xung-PWM

Trong mô hình đề tài khóa luận này, động cơ được sử dụng là động cơ DC một chiều có gắn hộp giảm tốc Hộp giảm tốc là một hệ thống bánh răng truyền động Việc gắn thêm một hộp giảm tốc sẽ giúp cho động cơ có tốc độ quay chậm hơn so với những động cơ DC bình thường khác, thêm vào đó là tăng lực kéo cơ học nhằm giúp học sinh quan sát dễ dàng ở tốc độ vừa phải, mô hình quay được mịn và chính xác hơn

Hình 1.8: Module cảm biến từ Hall KY 024

1.3.2 Module điều khiển động cơ L298

Nhằm điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ, mô hình còn sử dụng module chuyên dụng cho động cơ DC là module L298 Được sử dụng rộng rãi do dễ lập trình

và điều khiển, chi phí thấp, IC L298 là mạch cầu đôi có khả năng hoạt động ở điện thế cao, dòng cao [12] L298 có hai chân enable nhằm cho phép hoặc không có phép mạch cầu hoạt động độc lập với tín hiệu vào Module L298 có thể điều khiển được 2 động cơ DC, dòng tối đa mỗi động cơ là 2A hoặc 1 động cơ stepper [12]

L298 gồm các chân:

- 12V power và 5V power là các chân cấp nguồn trực tiếp đến động cơ

- GND là chân nối đất của nguồn cấp đến động cơ

- A enable (EnA) và B enable (EnB) là các chân lấy tín hiệu PWM từ Arduino để điều khiển tốc độ động cơ

- Input In1-4 là các chân tín hiệu digital từ Arduino đến L298

43mm

43mm

Hình 1.9: Sơ đồ chân IC L298

- Output A và Output B dùng để nối vào 2 động cơ DC hoặc một động cơ stepper

1.4 Lý luận dạy học bằng mô hình mô phỏng

1.4.1 Khái niệm phương tiện trực quan

Phương tiện trực quan là những công cụ mà giáo viên và học sinh sử dụng trong quá trình dạy học nhằm tạo ra những biểu tượng, hình thành những khái niệm cho học sinh thông qua sự tri giác trực tiếp bằng các giác quan của các em [13]

1.4.2 Phương pháp dạy học trực quan

Dạy học trực quan (hay còn gọi là trình bày trực quan) là phương pháp dạy học

sử dụng những phương tiện trực quan, phương tiện kỹ thuật dạy học trước, trong và sau khi nắm tài liệu mới, khi ôn tập, khi củng cố, hệ thống hóa và kiểm tra tri thức,

- Trình bày thường gắn liền với việc trình bày thí nghiệm, những thiết bị

kĩ thuật, chiếu phim đèn chiếu, phim điện ảnh, băng video Trình bày thí nghiệm là trình bày mô hình đại diện cho hiện thực khách quan được lựa chọn cẩn thận về mặt sư phạm Nó là cơ sở, là điểm xuất phát cho quá trình nhận thức - học tập của học sinh, là cầu nối giữa lí thuyết và thực tiễn Thông qua sự trình bày của giáo viên mà học sinh không chỉ lĩnh hội dễ dàng tri thức mà còn giúp họ học tập được những thao tác mẫu của giáo viên, từ đó hình thành kĩ năng, kĩ xảo,

Ưu điểm của phương pháp dạy học trực quan là:

- Giúp học sinh hình thành các khái niệm trên cơ sở quan sát trực tiếp các hiện vật đang học hay đồ dùng trực quan minh họa sự vật

- Giúp học sinh hiểu sâu, nhớ kỹ, đặc biệt là tri thức về hình ảnh trực quan

và kinh nghiệm thường được lưu rất sâu trong não bộ Bên cạnh đó đồ dùng dạy học trực quan giúp học sinh tăng khả năng nhận xét và quan sát sự vật, tăng trí tưởng tượng, tư duy và ngôn ngữ [13]

1.4.3 Phương tiện dạy học

Phương tiện dạy học (còn gọi là đồ dùng dạy học, thiết bị dạy học) là những công cụ giáo viên và học sinh sử dụng trong quá trình dạy học nhằm đạt được mục đích dạy học Những công cụ này giúp giáo viên tổ chức, điều khiển quá trình dạy học thông qua các hoạt động nhằm nâng cao hiệu quả của việc dạy – học, giúp học sinh lĩnh hội khái niệm, định luật,… hình thành các tri thức, kỹ năng, kỹ xảo, thái độ cần thiết [13] Từ đây ta thấy được phương tiện dạy học là cầu nối giữa người dạy và người học Thông qua đó, nội dung, mục đích và tri thức từ người dạy được người học tiếp thu một cách trực quan và sống động, làm cho chất lượng học tập được nâng cao rõ rệt

Các loại phương tiện dạy học chủ yếu trong nhà trường hiện nay:

- Mẫu vật thật (đồ vật đời sống hằng ngày, thực vật, động vật, khoáng sản, ); các vật mô phỏng (tranh ảnh, mô hình, hình vẽ, phim,…)

- Mô hình thí nghiệm và thiết bị thí nghiệm

- Thiết bị đa phương tiện (máy vi tính, máy chiếu, phòng nghe nhìn,…)

Hình trên được gọi là tháp hiệu quả sử dụng phương tiện dạy học Trục đứng của tháp miêu tả việc hình thành kinh nghiệm từ hành động trực tiếp tới gián tiếp, sau

đó tới biểu tượng và cuối cùng là trừu tượng, tức là đi từ cụ thể đến trừu tượng Trục ngang miêu tả sự lĩnh hội của học sinh bằng các phương tiện dạy học tương ứng Khi trình bày một vấn đề, ban đầu nên đưa mẫu thật, đối tượng hay thí nghiệm, là phương pháp hiệu quả nhất giúp học sinh hình dung vấn đề đang tiếp thu Khi trình bày bằng lời nói, chữ viết sẽ giảm mức độ tiếp thu của học sinh Do đó chỉ nên sử dụng phương

Ký hiệu

Sơ đồ

Ảnh tĩnh Ảnh động Phim kết hợp âm thanh

Mô phỏng Đóng vai

Thí nghiệm Đối tượng, quá trình, hiện tượng thật

Hiệu quả sử dụng phương tiện dạy học

Khái quát trừu tượng

Hình ảnh biểu tượng trực quan

Hoạt động gián tiếp

Hoạt động trực tiếp

Quá trình hình thành kinh nghiệm

Hình 1.10: Tháp hiệu quả sử dụng phương tiện dạy học [8]

tiện ký hiệu sau khi đã có các khái niệm, biểu tượng tương quan sẽ giúp học sinh nắm chắc vấn đề đang được học Khi dạy học, nên áp dụng đa dạng các phương tiện dạy học sẽ là cách tốt nhất đảm bảo tính giáo dục cao [8]

Việc sử dụng hiệu quả các phương tiện dạy học trong phương pháp dạy học trực quan đóng vai trò hết sức cần thiết:

- Giúp học sinh hiểu bài và nhớ nội dung bài học tốt hơn Bên cạnh đó phát huy năng lực tư duy, quan sát và khả năng kết luận vấn đề

- Cụ thể hóa và đơn giản những kiến thức trừu tượng, mô hình hoặc thiết

bị phức tạp

- Giáo viên có thể sử dụng các phương tiện dạy học trực quan nhằm giúp tiết học trở nên sinh động, gần gũi với học sinh hơn Qua đó học sinh vừa học được kiến thức trong nhà trường vừa kết hợp và giải quyết các nội dung thực tiễn

1.4.4 Mô hình mô phỏng trong dạy học các môn tự nhiên xã hội và dạy học

bộ môn Vật lý

1.4.4.1 Mô hình

Một trong những cách nhằm thực hiện phương pháp dạy học trực quan, phát huy năng lực sáng tạo và tự học của học sinh là sử dụng mô hình khi dạy học Khái niệm về mô hình được sử dụng với các định nghĩa rất khác nhau, theo định nghĩa của

V.A.Stôphơ trong vật lý học, ta có :

“Mô hình là một hệ thống được hình dung trong óc hay được thực hiện một cách vật chất, hệ thống đó phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tượng nghiên cứu hoặc tái tạo nó, bởi vậy việc nghiên cứu mô hình sẽ cung cấp cho ta những thông tin mới về đối tượng”

Do đó mô hình chỉ phản ánh một số tính chất của đối tượng Đối với cùng một đối tượng, ta có thể có nhiều mô hình khác nhau, tùy thuộc vào tính chất phản ánh hay tư duy của người xây dựng mô hình đó Vì vậy, mô hình không đồng nhất với

đối tượng mà chỉ là một công cụ nghiên cứu đối tượng [10] Trong vật lý, mô hình có

ba chức năng chính sau:

- Mô tả sự vật, hiện tượng

- Giải thích các tính chất và hiện tượng có liên quan đến đối tượng

- Tiên đoán các tính chất và hiện tượng mới

1.4.4.2 Các loại mô hình sử dụng trong vật lý

▪ Mô hình vật chất:

Mô hình vật chất là mô hình bằng vật thể, trên đó phản ánh những đặc trưng cơ bản về mặt cơ học, hình học, vật lý học, chức năng học,… của đối tượng nghiên cứu Loại mô hình này có chức năng mô tả và quan sát là chủ yếu, được sử dụng trong giai đoạn đầu của quá trình nhận thức cũng như quá trình dạy học khi cần cho học sinh đi

từ những cái cụ thể và chân thực

▪ Mô hình lý tưởng

Mô hình lý tưởng là mô hình trừu tượng Trên mô hình này, người ta thường chỉ

áp dụng những thao tác tư duy lý thuyết Các mô hình lý thuyết thường có rất nhiều loại, tùy theo mức độ trừu tượng khác nhau, bao gồm: mô hình ký hiệu, mô hình biểu tượng Loại mô hình này được sử dụng trong quá trình hình thành nhận thức cao nhất của học sinh

1.4.4.1 Phương pháp mô hình trong dạy học vật lý

Việc giảng dạy bộ môn tự nhiên và xã hội cấp tiểu học, bộ môn vật lý cấp trung học không chỉ giới hạn trong việc chỉ truyền tải kiến thức hàn lâm cũng như các công thức tính toán cho học sinh, điều quan trọng không kém là hình thành cho học sinh năng lực tư duy sáng tạo, ham học hỏi, tìm tòi cái mới, nhận xét và đánh giá từ sơ lược tới chuyên sâu về bản chất sự vật hiện tượng trong tự nhiên Do đó việc tổ chức hoạt động dạy – học ngày nay càng cần phải hướng tới việc dẫn dắt cho học sinh học tập theo cách sáng tạo và tìm tòi của các nhà khoa học Thông qua đó, học sinh vừa

tiếp thu kiến thức mới, vừa dần hình thành và làm quen với cách xây dựng tri thức khoa học, vừa tự sáng tạo và tìm tòi tri thức riêng cho bản thân mình Với tinh thần trên thì việc dạy học kết hợp phương pháp dạy học trực quan, cụ thể ở đây là dạy học thông qua các mô hình là một phương pháp cần thiết trong giảng dạy tại các trường hiện nay

Ưu điểm của việc sử dụng mô hình là chức năng nhận thức cao Giáo viên có thể giúp học sinh hiểu rõ đối tượng nghiên cứu, phát hiện những khái niệm mới, đặc tính mới, quy luật mới vì sử dụng mô hình dạy học sẽ mang tính trực quan, sinh động, hình thành quy luật tư duy logic, dễ gây ấn tượng và thích thú cho học sinh, giúp các

em thấy môn học gần gũi với đời sống và yêu thích môn học hơn

Đối với mô hình thật, trong nghiên cứu thì khá hạn chế sử dụng vì thông tin mang lại khi thao tác trên mô hình không nhiều Trong dạy học thì mô hình thật đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là những mô hình vật thể động, mô hình cấu tạo, mô hình trên phim ảnh vì đây là bước đầu cho học sinh quan sát những cái “thật”, những cái

có thể và không có thể quan sát trực tiếp được Ví dụ như mô hình hệ mặt trời, mô hình cấu tạo bên trong động cơ Stirling, mô hình cơ thể sinh vật, mô hình đường sức

từ của nam châm,… Đối với mô hình lý tưởng, tuy là bước cao và có tác dụng lớn trong quá trình nhận thức nhưng đây là mô hình đòi hỏi ở học sinh một trình độ tư duy trừu tượng nhất định, kiến thức và kinh nghiệm phong phú do đó chỉ phù hợp khi dạy học ở trung học phổ thông, đại học và cao hơn

Trong dạy học phổ thông, tùy theo hoàn cảnh cụ thể của trường, lớp học, nội dung và vấn đề bài dạy, giáo viên cần kết hợp hài hòa đa dạng các phương pháp dạy học phù hợp, bên cạnh đó vẫn đảm bảo phương pháp trực quan cho học sinh

CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 THIẾT KẾ MÔ HÌNH

2.1.1 Sơ đồ khối quá trình thiết kế và chế tạo

Bộ mô hình được thiết kế và chế tạo dựa trên các kiến thức điện – điện tử; lập trình C/C++ trên board mạch Arduino; nguyên lý hoạt động của cảm biến từ Hall; cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ DC một chiều; nguyên lý truyền chuyển động bằng bánh răng Quá trình thiết kế và chế tạo bộ mô hình được tóm tắt theo sơ

đồ hình 2.1

2.1.2 Hệ bánh răng truyền động

Mô hình của khóa luận mô tả đầy đủ và tương đối chính xác các yếu tố sau:

1 Nghiên cứu lập trình Arduino

2 Viết chương trình điều khiển

động cơ thông qua nút nhấn và

các cảm biến

3 Nghiên cứu lý thuyết về hệ

Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng

4 Nghiên cứu hệ cơ chuyển

động bằng bánh răng

5 Lên ý tưởng, vẽ sơ đồ hệ cơ, tính toán tỷ lệ bánh răng phù hợp

7 Lắp ráp hộp điều khiển và các cảm biến vào hệ mô hình

8 Vận hành, đánh giá và gợi ý hướng dẫn sử dụng cho giáo viên

6 Xây dụng hệ mô hình hoàn chỉnh

Hình 2.1: Tóm tắt quá trình thực hiện

- Trục Trái Đất luôn nghiêng 23,5° theo cùng một hướng khi chuyển động xung quanh Mặt Trời

- Chuyển động Mặt Trăng xung quanh Trái Đất là gần bằng 12 vòng trong một năm

- Trái Đất tự quay quanh trục của mình vào khoảng 393 ngày trong một năm Mặt Trăng quay quanh hết 1 vòng Trái Đất trong khoảng 29 ngày

- Mặt Trăng chuyển động trên một quỹ đạo nghiêng góc 20° so với phương nằm ngang

- Mặt phẳng quỹ đạo của Mặt Trăng và Trái Đất cắt nhau ở 2 vị trí đặc biệt

là điểm nút lên (ascending node) và điểm nút xuống (descending node) Việc đảm bảo các yếu tố trên xảy ra nhằm đáp ứng tương đối chính xác cho mô hình chủ yếu từ một bộ phận rất quan trọng – hệ truyền chuyển động bằng bánh răng

Trong đề tài khóa luận tốt nghiệp, tôi sử dụng phần mềm Gearotic 3x nhằm vẽ

và tính toán module, số răng của bánh răng Bên cạnh đó, phần mềm cho phép bố trí

và sắp xếp hệ thống bánh răng theo ý muốn, giúp xây dựng hệ truyền động quay với chiều và tỉ lệ chính xác theo công thức truyền động bằng bánh răng:

𝑖 = 𝐷𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟𝐷𝑟𝑖𝑣𝑒𝑛 = (−1)