Xây dựng một số loại động cơ nhiệt để tổ chức hoạt động STEM và dạy học vật lí phổ thông

Bài viết trình bày về việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo một số động cơ nhiệt ứng dụng trong dạy học Vật lí và tổ chức các hoạt động giáo dục STEM cho học sinh phổ thông. Sản phẩm của đề tài bao gồm các động cơ nhiệt, tiến trình và thiết bị đi kèm cho hoạt động trải nghiệm, hoạt động STEM, kết quả thực nghiệm và đánh giá tại trường THPT Nguyễn Bỉnh Khiêm và Trường Liên cấp Olympia.

UED Journal of Social Sciences, Humanities & Education – ISSN 1859 - 4603 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC Nhận bài: 06 – 04 – 2018 Chấp nhận đăng: 20 – 07 – 2018 http://jshe.ued.udn.vn/ XÂY DỰNG MỘT SỐ LOẠI ĐỘNG CƠ NHIỆT ĐỂ TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG STEM VÀ DẠY HỌC VẬT LÍ PHỔ THƠNG Nguyễn Văn Hịaa*, Tưởng Duy Hảib Tóm tắt: Báo cáo trình bày việc nghiên cứu thiết kế chế tạo số động nhiệt ứng dụng dạy học Vật lí tổ chức hoạt động giáo dục STEM cho học sinh phổ thông Sản phẩm đề tài bao gồm động nhiệt, tiến trình thiết bị kèm cho hoạt động trải nghiệm, hoạt động STEM, kết thực nghiệm đánh giá trường THPT Nguyễn Bỉnh Khiêm Trường Liên cấp Olympia Từ khóa: thí nghiệm vật lí; dạy học Vật lí; giáo dục STEM; động nhiệt Mở đầu Các phương pháp dạy học đại, dạy học tìm tịi khám phá, dạy học dự án, dạy học theo trạm/góc, dạy học trải nghiệm sáng tạo, dạy học theo định hướng STEM có định hướng lấy người học làm trung tâm quan tâm áp dụng đổi giáo dục Tuy nhiên, điểm mấu chốt để đạt thành công phương pháp dạy học khởi tạo hứng thú người học, giúp người học phát huy tính tự giác, chủ động chiếm lĩnh kiến thức Công cụ để thực điều thí nghiệm, tượng hay vấn đề thực tiễn Vì vậy, việc phát triển thí nghiệm vừa phục vụ dạy học kiến thức vật lí vừa có tính ứng dụng vơ quan trọng, điều kiện tiên cho thành cơng phương pháp dạy học tích cực Chính chúng tơi nghiên cứu xây dựng hệ thống loại động nhiệt sử dụng giảng dạy Vật lí phổ thơng phương pháp dạy học đại theo định hướng STEM Giáo dục stem dạy học vật lí STEM viết tắt từ Science (khoa học), Technology (công nghệ), Engineering (kĩ thuật) a,bTrường Đại học Sư phạm Hà Nội * Liên hệ tác giả Nguyễn Văn Hòa Email: nguyenhoa.01987@gmail.com 34 | Math (toán học) Giáo dục STEM chất hiểu trang bị cho người học kiến thức kĩ cần thiết liên quan đến lĩnh vực khoa học, cơng nghệ, kĩ thuật tốn học Các kiến thức kĩ (gọi kĩ STEM) phải tích hợp, lồng ghép bổ trợ cho giúp học sinh không hiểu biết ngun lí mà cịn áp dụng để thực hành tạo sản phẩm sống ngày Kĩ STEM tích hợp kĩ năng: - Kĩ khoa học: Học sinh trang bị kiến thức khái niệm, nguyên lí, định luật sở lí thuyết giáo dục khoa học Mục tiêu quan trọng thông qua giáo dục khoa học, học sinh có khả liên kết kiến thức để thực hành có tư sử dụng kiến thức để giải vấn đề thực tế - Kĩ cơng nghệ: Học sinh có khả sử dụng, quản lí, hiểu biết, truy cập công nghệ, từ vật dụng đơn giản bút, quạt đến hệ thống phức tạp mạng internet, máy móc - Kĩ kĩ thuật: Học sinh trang bị kĩ sản xuất đối tượng hiểu quy trình để làm Vấn đề địi hỏi học sinh phải có khả phân tích, tổng hợp kết hợp để biết cách làm cân yếu tố liên quan (như khoa học, nghệ thuật, công nghệ, kĩ thuật) có giải pháp tốt thiết kế xây dựng quy trình Ngồi học sinh Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 8, số 3B (2018),34-40 ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 8, số 3B (2018), 34-40 cịn có khả nhìn nhận nhu cầu phản ứng xã hội vấn đề liên quan đến kĩ thuật - Kĩ toán học: Là khả nhìn nhận nắm bắt vai trị tốn học khía cạnh tồn giới Học sinh có kĩ tốn học có khả thể ý tưởng cách xác, có khả áp dụng khái niệm kĩ toán học vào sống ngày - Xây dựng loại động nhiệt hoạt động theo chu trình Stirling trực quan, dễ quan sát, dễ sử dụng - Đề xuất số gợi ý xây dựng tiến trình dạy học theo phương pháp dạy học hiên đại - dạy học trải nghiệm sáng tạo, dạy học theo chủ đề, dạy học định hướng STEM dựa ngun lí hoạt động mơ hình động nhiệt Song song với kĩ STEM, Giáo dục STEM trang bị cho học sinh kĩ phù hợp để phát triển kỉ 21 Bộ kĩ kỉ 21 tóm tắt gồm kĩ chính: 3.2 Phương pháp nghiên cứu Vận dụng lí luận dạy học Vật lí, đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: - Tư phản biện kĩ giải vấn đề; - Nghiên cứu lí thuyết dạy học ứng dụng kĩ thuật vật lí; - Kĩ trao đổi cộng tác; - Tính sáng tạo kĩ phát kiến; - Văn hóa cơng nghệ thông tin truyền thông; - Kĩ làm việc theo dự án; - Kĩ thuyết trình Những học sinh học theo cách tiếp cận giáo dục STEM có ưu bật như: kiến thức khoa học, kĩ thuật, cơng nghệ tốn học chắn, khả sáng tạo, tư logic, hiệu suất học tập làm việc vượt trội có hội phát triển kĩ mềm toàn diện không gây cảm giác nặng nề, tải học sinh Với học sinh phổ thông, việc theo học mơn học STEM cịn có ảnh hưởng tích cực tới khả lựa chọn nghề nghiệp tương lai Khi học nhiều dạng kiến thức tích hợp hoạt động học tập, học sinh chủ động thích thú với việc học tập thay thái độ e ngại tránh né lĩnh vực đó, từ khuyến khích em có định hướng tốt chọn chuyên ngành cho bậc học cao chắn cho nghiệp sau Giáo dục STEM vận dụng phương pháp học tập chủ yếu dựa thực hành hoạt động trải nghiệm sáng tạo Các phương pháp giáo dục tiến bộ, linh hoạt học qua dự án - chủ đề, học qua trò chơi đặc biệt phương pháp học qua hành áp dụng triệt mơn học tích hợp STEM Mục tiêu, phương pháp nghiên cứu 3.1 Mục tiêu nghiên cứu * Nghiên cứu lí thuyết: - Nghiên cứu lí thuyết dạy học STEM; - Nghiên cứu lí thuyết nguyên tắc hoạt động loại động nhiệt * Nghiên cứu thực tiễn: - Tìm hiểu thực tiễn để có đổi thiết kế, chế tạo: từ việc tìm hiểu thiết bị hành, nhóm chúng tơi nghĩ đến việc đổi nhằm đạt hiệu dạy học kể cách sử dụng vật liệu suốt (ở sử dụng thủy tinh/nhựa mica suốt) thay kim loại để chế tạo thiết bị, đồng thời bố trí lại phần động hợp lí Xây dựng mơ hình vật chất chức kèm với giải pháp kĩ thuật, công nghệ phương pháp tính tốn cho hoạt động STEM chế tạo dành cho học sinh - Thực nghiệm: sau chế tạo thành cơng thiết bị thí nghiệm, nhóm đưa sản phẩm vào sử dụng số hoạt động như: hoạt động trải nghiệm khoa học cho học sinh Nguyễn Bỉnh Khiêm Khoa Vật lí Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, ngày hội STEAM trường Phổ thông Liên cấp Olympia, ngày hội STEM trường Trung học sở Quang Trung - Hà Đông cho thấy đạt hiệu dạy học tốt nhận phản hồi tích cực từ phía học sinh - Nghiệm thu: trình vận hành, thiết bị gặp phải số vấn đề mặt khí hao mịn sử dụng Nhóm tiến hành cải tiến hoàn thiện thiết bị để đảm bảo tiêu chí khơng phù hợp q trình dạy học, mang tính thẩm mĩ mà cịn phải có độ bền cao Tối ưu phương án xây dựng mơ hình vật chất 35 Nguyễn Văn Hịa, Tưởng Duy Hải chức giải pháp kĩ thuật, cơng nghệ, phương pháp tính tốn cho hoạt động chế tạo STEM Các động nhiệt chế tạo 4.1 Động Stirling kiểu Alpha Hình Động nhiệt bập bênh động Stirling kiểu Alpha chế tạo Hình Ảnh chụp thí nghiệm động nhiệt Stirling kiểu Alpha 4.1.1 Cấu tạo Thiết bị thí nghiệm gồm phận sau: Thanh giá làm nhựa cao Tấm chân đế làm nhựa Nút cao su cắm ống thơng khí Bơm tiêm thủy tinh nhỏ (loại) Ống nghiệm bên có viên bi thủy tinh Bơm tiêm thủy tinh to (loại) Trục khuỷu có đường kính đục lỗ đường kính Ống nhựa dài, phần cắm với gỗ để cách nhiệt - Nút cao su số đầu bịt kín ống nghiệm số 5, đầu cịn lại ống thơng khí bịt vào đầu xilanh thủy tinh (xilanh nhà hết khí bên trong) Căng ngang ống nghiệm giá số dây thun - Đầu xilanh thủy tinh số gá vào lỗ hình trịn chân đế số Đèn cồn đặt mặt chân đế, đáy ống nghiệm Khi đốt đèn cồn xilanh kéo - đẩy khiến cho ống nghiệm bập bênh Lỗ sử dụng để cắm hai bơm tiêm to có đường kính Động Stirling kiểu Alpha Chân đế động Lắp hai trục khuỷu số vào trục bánh đà số 11 Bánh đà đường kính Trục quay 36 4.1.2 Cách lắp đặt vận hành Động nhiệt bập bênh Lắp tay đòn hai xilanh thủy tinh số vào hai trục khuỷu số ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 8, số 3B (2018), 34-40 Lắp hai ống xilanh thủy tinh vào hai lỗ số giá đỡ bắt vít lại Nối hai đầu bơm hai xilanh số thông với ống dẫn khí số - Đặt đèn cồn bên ống xilanh thủy tinh đốt lên, chờ khoảng - phút khởi động bánh đà, động hoạt động 4.1.3 Nguyên lí hoạt động Ngun lí hoạt động trình bày Hình 3: Hình Ngun lí hoạt động động Stirling kiểu Alpha 4.2 Động nước kiểu xilanh Sơ đồ cấu tạo ảnh chụp động nước kiểu xilanh trình bày Hình Hình (3) Xilanh nhựa mica suốt (đường kính trong, đường kính ngồi, cao), với piston nhựa đen (đường kính, cao) Hai đầu xilanh có van khí đồng đường kính (4) Hệ thống ống nối đường kính Hình Sơ đồ cấu tạo động nước kiểu xilanh Thiết bị thí nghiệm bao gồm phận chính: (1) Bánh đà nhựa (đường kính) (2) Xilanh điều khí nhựa mica suốt (đường kính trong, đường kính ngồi, cao), với piston nhựa đen (đường kính, cao, có xẻ rãnh dọc thân) Trên thân xilanh có van khí đồng đường kính (3 van nằm phía, van nằm phía cịn lại) Hình Ảnh chụp động nước kiểu xilanh 4.3 Động nước kiểu tuabin Hình Sơ đồ cấu tạo tuabin khí động nước kiểu tuabin 37 Nguyễn Văn Hịa, Tưởng Duy Hải Hình Động nước kiểu tuabin chế tạo Định hướng sử dụng dạy học vật lí 5.1 Sử dụng mơ hình dạy học trải nghiệm sáng tạo Việc sử dụng động nhiệt chế tạo tổ chức dạy học phần kiến thức nhiệt học theo đổi chương trình giáo dục phổ thơng theo mơ hình dạy học trải nghiệm sáng tạo tiến hành dạng thí nghiệm tình sử dụng thiết bị ứng dụng kèm nguyên lí hoạt động tạo hứng thú, kích thích tạo điều kiện thuận lợi cho học sinh tìm tịi khám phá làm tiền đề cho hoạt động chế tạo STEM xây dựng dự án Dưới sơ đồ nguyên lí động nhiệt số hình ảnh kết khảo sát buổi tổ chức dạy học kiến thức nhiệt học ứng dụng sử dụng thí nghiệm động nhiệt chế tạo theo mơ hình dạy học trải nghiệm sáng tạo - Nghiên cứu nguyên lí hoạt động động Stirling kiểu Alpha (Hình 3) - Nghiên cứu ngun lí hoạt động động nước kiểu xilanh: Hình Ngun lí hoạt động động nước kiểu xilanh Ghi chú: + Màu cam nóng, mũi tên đỏ chiều khí nóng + Màu xanh lục nguội, mũi tên xanh chiều nguội - Nguyên lí hoạt động động nước kiểu tuabin: Hơi nước nồi tạo chuyển pha nước từ lỏng sang khí nhiệt độ sơi có áp suất lớn áp suất khí khiến cho nước từ nồi theo van khí chuyển động thành dịng khơng khí xilanh Dịng khí va chạm cánh quạt tuabin gây mô men lực làm cánh quạt quay Hơi nước nồi tạo chuyển pha nước từ lỏng sang khí nhiệt độ sơi có áp suất lớn áp suất khí khiến cho nước đẩy piston xi lanh chuyển động Nguyên lí hoạt động động nước kiểu xilanh mơ tả Hình Hình Sử dụng thí nghiệm động Stirling dạy học trải nghiệm cho học sinh trường Tiểu học Nguyễn Bỉnh Khiêm 5.2 Sử dụng tổ chức dạy học dự án Dạy học ứng dụng kĩ thuật vật lí, khơng đưa đến cho người học kiến thức thiết bị ứng dụng đời sống, mà cung cấp kiến thức lịch sử 38 ISSN 1859 - 4603 - Tạp chí Khoa học Xã hội, Nhân văn & Giáo dục, Tập 8, số 3B (2018), 34-40 vật lí phát triển tư duy, tác động đến đời sống xã hội, ảnh hưởng dọc theo tiến trình lịch sử,… Sự xuất động nhiệt mở cách mạng khoa học kĩ thuật, có tác động lớn với đời sống văn hóa xã hội Giáo viên tổ chức dạy học dự án “Ứng dụng nhiệt động lực học đời sống xã hội” với sản phẩm cuối chế tạo động nhiệt phân tích vai trị tiến trình lịch sử từ lúc xuất đến Nhưng nguồn nguyên liệu đề tài ý Do người ta quan tâm đến chế chuyển đổi lượng Giáo viên tổ chức dạy học dự án “Các vấn đề chuyển đổi lượng bảo vệ môi trường”, có u cầu học sinh tìm hiểu chế tạo mơ hình lượng mặt trời, điện gió, thủy điện,… Thiết bị thí nghiệm sử dụng nguồn tư liệu, tài liệu tham khảo cung cấp cho học sinh trình thực dự án 5.3 Sử dụng dạy học theo định hướng giáo dục STEM Hoạt động STEM chế tạo động Stirling kiểu alpha: * Chọn nguyên vật liệu: 01 formic loại dày mm kích thước 200 x300 mm, 01 ống nghiệm đường kính 18 mm dài 180 mm nút cao su kèm, 01 xi lanh thủy tinh loại 5ml, 01 nút chai Lavie, 01 ống đồng fi 5mm dài 30 mm, đoạn ống tio nước fi 5mm dài 40 mm, 05 viên bi thủy tinh - Chế tạo giá đỡ: Dùng dao dọc giấy cắt từ formic 01 có kích thước 100 x 300 mm (1), 02 có kích thước 40 x 180 mm (2), 02 có kích thước 40 x 30 mm (3) Dùng keo 502 dán hai (2) dựng đứng (1) cách 30 mm, gián gia cố hai (2) (3) (như hình) Dán đáy nắp chai Lavie (1) cách vị trí chân hai (2) 150 mm Hình 11 Xây dựng giá đỡ động nhiệt * Lắp đặt vận hành: - Kết nối: dùng dây thun chằng ngang ống nghiệm lên hai (2) giá đỡ, điều chỉnh cho vị trí giây chằng ống nghiệm ống nghiệm nghiêng phía xilanh Đầu piston đặt vào nút chai - Dùng đèn cồn đốt vào đáy ống nghiệm động tự hoạt động * Các dụng cụ, máy móc sử dụng: Dao dọc giấy, keo 502, khoan tay mũi khoan 4mm * Chế tạo kĩ thuật: - Chế tạo động cơ: khoan lỗ xuyên qua nút cao su mũi khoan mm, đút ống đồng qua lỗ khoan nút cao su để thừa đoạn ống đồng đầu phía ngồi nút Cho viên bi thủy tinh vào ống nghiệm bịt nút cao su lại Nối đầu ống đồng thừa đầu xilanh thủy tinh lại với ống tio nước Hình 10 Dụng cụ chế tạo động nhiệt Hình 12 Động nhiệt Stirling Alpha (kiểu bập bênh) Hình 13 Sử dụng thí nghiệm động nhiệt dạy học trải nghiệm cho học sinh thăm quan hội thảo giáo dục theo định hướng STEM trường Đại học Sư phạm Hà Nội 39 Nguyễn Văn Hòa, Tưởng Duy Hải Trong tương lai, đề tài mở rộng nghiên cứu việc sử dụng lượng mặt trời thiết bị chảo parabol tổ hợp gương/thấu kính để hội tụ ánh sáng Mặt Trời, làm nguồn nhiệt cho động nhiệt Hình 14 Sử dụng thí nghiệm động Stirling dạy học trải nghiệm cho học sinh tham quan ngày hội STEAM tổ chức Trường Phổ thông Liên cấp Olymlia * Đánh giá: Kết thúc đợt thực nghiệm với Trường Nguyễn Bỉnh Khiêm Trường Liên cấp Olympia, em học sinh cảm thấy hứng thú u thích mơn học Vật lí đồng thời thu nhiều kiến thức bổ ích Sau em học sinh trình bày thu hoạch mình, gồm sản phẩm STEM thuyết minh, trước tồn trường với góp mặt phụ huynh học sinh khiến cho thầy cô phụ huynh học sinh bất ngờ sản phẩm kiến thức em học sinh thu đồng thời diễn tả Kết khảo sát phiếu học tập đạt kết tốt phiếu đánh giá đạt tỉ lệ phần trăm học sinh yêu thích hoạt động học tập 90% Theo phân tích nhóm nghiên cứu, đạt kết hai yếu tố chính: sản phẩm thực hành có tượng tốt, trực quan dễ liên hệ kiến thức; hai có tương tác tốt giáo viên học sinh Kết luận đề xuất Đề tài xây dựng thí nghiệm động nhiệt bao gồm: động nhiệt đốt kiểu alpha, động nước kiểu tuabin xilanh, động đốt Mỗi thiết bị kèm với sơ đồ nguyên lí trực quan, xác, đảm bảo tính thẩm mĩ, tính kinh tế xây dựng phương án chế tạo STEM dành cho học sinh Với giá thành lượng tăng năm đầu kỉ 21, với lo lắng nóng lên Trái Đất, động Stirling dần quan tâm để đưa vào nhà máy phát điện với lượng tái tạo lĩnh vực hàng không vũ trụ Đề tài nghiên cứu mong muốn xây dựng chủ đề dạy học theo dịnh hướng STEM chuyển hóa lượng lượng tái tạo nhằm cung cấp cho em học sinh kiến thức tạo hứng thú đam mê để em tiếp tục tìm tòi, nghiên cứu vấn đề sử dụng lượng tương lai Tài liệu tham khảo Nguyễn Đức Thâm, Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế (2002) Phương pháp dạy học Vật lí trường phổ thơng NXB Đại học Sư phạm Hà Nội [2] Nguyễn Thế Khôi (chủ biên) (2014) Sách giáo khoa Vật lí 10 nâng cao NXB Giáo dục Việt Nam [3] Đỗ Hương Trà (2012) Các kiểu tổ chức tổ chức dạy học đại dạy học Vật lí trường phổ thơng NXB Đại học Sư phạm [4] Bộ Giáo dục Đào tạo (2015) Hướng dẫn thực chuẩn kiến thức, kĩ Vật lí 10 [5] Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội (2016) Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm Vật lí phổ thơng [6] Trần Thị Tuyết Oanh (chủ biên) (2015) Giáo trình Giáo dục học NXB ĐH Sư phạm [7] Nguyễn Ngọc Hưng, Nguyễn Xuân Thành, Nguyễn Anh Thuấn (2015) Hướng dẫn sử dụng thiết bị thí nghiệm trường THPT Chuyên Tài liệu tập huấn [8] Nguyễn Đức Thâm, Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế (2002) Phương pháp dạy học Vật lí trường phổ thơng NXB Đại học Sư phạm Hà Nội [9] Phạm Hữu Tịng (2001) Lí luận dạy học Vật lí trường trung học NXB Giáo dục [1] BUILDING SOME TYPES OF MECHANICAL TOOLS TO ORGANIZE STEM ACTIVITIES AND TEACHING GENERAL PHYSICS Abstract: The report presents research on the design and manufacture of some thermal motors for teaching physics and organizing STEM education activities for high school students The subject of the project includes: heat engines, process and equipment for experiential activities, STEM activities, experimental results and evaluation at Nguyen Binh Khiem High School and Olympia interdisciplinary school Key words: physical experiment; physics teaching; STEM education; heat engine 40 ... xuất số gợi ý xây dựng tiến trình dạy học theo phương pháp dạy học hiên đại - dạy học trải nghiệm sáng tạo, dạy học theo chủ đề, dạy học định hướng STEM dựa nguyên lí hoạt động mơ hình động nhiệt. .. tiền đề cho hoạt động chế tạo STEM xây dựng dự án Dưới sơ đồ nguyên lí động nhiệt số hình ảnh kết khảo sát buổi tổ chức dạy học kiến thức nhiệt học ứng dụng sử dụng thí nghiệm động nhiệt chế tạo... tổ chức tổ chức dạy học đại dạy học Vật lí trường phổ thông NXB Đại học Sư phạm [4] Bộ Giáo dục Đào tạo (2015) Hướng dẫn thực chuẩn kiến thức, kĩ Vật lí 10 [5] Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm