Tổ chức dạy học một số kiến thức chương từ trường và cảm ứng điện từ vật lý 11 THPT theo định hướng giáo dục stem​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Tơn Ngọc Tâm TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG “TỪ TRƯỜNG” VÀ “CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ” – VẬT LÝ 11 THPT THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC Thành phố Hồ Chí Minh – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Tơn Ngọc Tâm TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG “TỪ TRƯỜNG” VÀ “CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ” – VẬT LÝ 11 THPT THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM Chuyên ngành: Lí luận phương pháp dạy học mơn Vật lí Mã số: 8140111 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THANH NGA Thành phố Hồ Chí Minh – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học riêng Các số liệu nêu luận văn trung thực khách quan chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu tác giả khác TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2018 Tác giả luận văn Tôn Ngọc Tâm LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi nhận hướng dẫn giúp đỡ tận tình mặt từ thầy cơ, gia đình, bạn bè học sinh Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Sau đại học, giảng viên khoa Vật lí Trường Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh Đặc biệt với tất lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, tơi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn tới TS Nguyễn Thanh Nga – người thầy giành nhiều thời gian dìu dắt, trực tiếp hướng dẫn bảo tận tình tơi xin trân trọng biết ơn Th.S Hoàng Phước Muội – đàn anh trước nhiệt tình bảo suốt thời gian nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, em HS trường THCS – THPT Hoa Sen, chị Ngọc dành thời gian giúp đỡ tạo điều kiện tốt để tiến hành thực nghiệm sư phạm Cuối xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc gia đình, bạn bè bạn học viên K27 động viên giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2018 Tác giả Tôn Ngọc Tâm MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình MỞ ĐẦU…… Chương CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ GIÁO DỤC STEM TRONG TRƯỜNG PHỔ THÔNG 1.1 Cơ sở tâm lý học lứa tuổi học sinh trung học phổ thông giáo dục STEM 1.1.1 Đặc điểm tâm lý lứa tuổi học sinh trung học phổ thông (THPT) 1.1.2 Đặc điểm nhận thức lứa tuổi học sinh THPT 1.2 Hoạt động dạy học cho học sinh THPT theo định hướng giáo dục STEM 1.2.1 Bản chất trình dạy học 1.2.2 Đặc trưng trình dạy học thời đại cách mạng công nghiệp 4.0 1.3 Cơ sở lý thuyết giáo dục STEM 1.3.1 Khái niệm giáo dục STEM 1.3.2 Đặc trưng giáo dục STEM 10 1.3.3 Chủ đề giáo dục STEM 11 1.4 Phát triển lực sáng tạo kỹ thuật học sinh dạy học chủ đề STEM 12 1.4.1 Khái niệm lực sáng tạo 12 1.4.2 Khái niệm lực sáng tạo kỹ thuật 16 1.4.3 Biểu lực sáng tạo kỹ thuật học sinh trung học phổ thông dạy học 22 1.4.4 Biện pháp phát triển lực sáng tạo kỹ thuật học sinh dạy học chủ đề STEM 24 1.4.5 Tiêu chí đánh giá lực sáng tạo kỹ thuật cho học sinh dạy học chủ đề STEM 26 1.5 Dạy học mở mang tính thiết kế chủ đề giáo dục STEM 29 1.5.1 Khái niệm dạy học mở mang tính thiết kế 29 1.5.2 Đặc trưng dạy học mở mang tính thiết kế 29 1.5.3 Tiến trình dạy học mở mang tính thiết kế chủ đề STEM phát triển lực sáng tạo kỹ thuật 30 1.6 Tiến trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM 33 1.6.1 Tiến trình thiết kế chủ đề giáo dục STEM 33 1.6.2 Tiến trình thiết kế, chế tạo mơ hình sản phẩm kỹ thuật hỗ trợ dạy học chủ đề giáo dục STEM 34 1.7 Tiến trình dạy học chủ đề STEM sáng tạo kỹ thuật .37 1.8 Điều tra thực tiễn dạy học STEM trường phổ thông .41 KẾT LUẬN CHƯƠNG 45 Chương TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ CHỦ ĐỀ STEM CỦA KIẾN THỨC CHƯƠNG “TỪ TRƯỜNG” VÀ “CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ” – VẬT LÝ 11 THPT 46 2.1 Phân tích kiến thức chương “Từ trường” “Cảm ứng điện từ” theo định hướng giáo dục STEM 46 2.2 Thiết kế chủ đề STEM “Xe đồ chơi vật lý sáng tạo” .47 2.2.1 Xây dựng tài liệu hướng dẫn học sinh 47 2.2.2 Thiết kế phiếu học tập 47 2.2.3 Xây dựng câu hỏi kiểm tra đánh giá kết học tập 47 2.2.4 Xây dựng kế hoạch dạy học chủ đề STEM “Xe đồ chơi sáng tạo” 47 2.3 Thiết kế chủ đề STEM “Tàu Ya-ma-tô” 52 2.3.1 Xây dựng tài liệu hướng dẫn học sinh 52 2.3.2 Thiết kế phiếu học tập 52 2.3.3 Xây dựng kế hoạch dạy học chủ đề STEM “Tàu Ya-ma-tô” 52 2.4 Thiết kế chủ đề STEM “Động điện chiều” 56 2.4.1 Xây dựng tài liệu hướng dẫn học sinh 56 2.4.2 Thiết kế phiếu học tập 56 2.4.3 Xây dựng kế hoạch dạy học chủ đề STEM “Động điện chiều” 56 2.5 Thiết kế chủ đề STEM “Loa điện” 62 2.5.1 Xây dựng tài liệu hướng dẫn học sinh 62 2.5.2 Thiết kế phiếu học tập 62 2.5.3 Xây dựng kế hoạch dạy học chủ đề STEM “Loa điện” 62 2.6 Thiết kế chủ đề STEM “Máy biến áp” 68 2.6.1 Xây dựng tài liệu hướng dẫn học sinh 68 2.6.2 Thiết kế phiếu học tập 68 2.6.3 Xây dựng câu hỏi kiểm tra đánh giá kết học tập 68 2.6.4 Xây dựng kế hoạch dạy học chủ đề STEM “Máy biến áp” 68 2.7 Chủ đề: “Máy thu thanh” 74 2.7.1 Xây dựng tài liệu hướng dẫn học sinh 74 2.7.2 Thiết kế phiếu học tập 74 2.7.3 Xây dựng kế hoạch dạy học chủ đề STEM “Máy thu thanh” .74 2.8 Công cụ đánh giá chủ đề STEM 79 2.8.1 Nguyên tắc đánh giá 79 2.8.2 Các yêu cầu đánh giá kết học tập 80 2.8.3 Xây dựng công cụ đánh giá 81 KẾT LUẬN CHƯƠNG 89 Chương THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 89 3.1 Mục đích thực nghiệm sư phạm 89 3.2 Đối tượng thực nghiệm sư phạm 89 3.3 Phương pháp thực nghiệm sư phạm 89 3.4 Kế hoạch tổ chức thực nghiệm sư phạm 90 3.5 Phân tích diễn biến trình thực nghiệm sư phạm 90 3.5.1 Đối với chủ đề STEM “Xe đồ chơi sáng tạo” 91 3.5.2 Đối với chủ đề STEM “Tàu Ya-ma-tô” 97 3.6 Đánh giá kết thực nghiệm sư phạm 105 3.6.1 Đánh giá định tính 105 3.6.2 Đánh giá định lượng 121 KẾT LUẬN CHƯƠNG 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 126 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 128 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 129 PHỤ LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT GV : Giáo viên HS : Học sinh KT : Kỹ thuật THPT : Trung học phổ thông NLST : Năng lực sáng tạo STKT : Sáng tạo kỹ thuật TDKT : Tư kỹ thuật PL23 Trong đó: F (N) lực từ I (A) cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây (rotor) B (T) cảm ứng từ α góc hợp l B 3) Dụng cụ quy trình lắp ráp động điện chiều 3.1) Các dụng cụ, vật liệu làm động điện chiều Dây đồng cách điện Jack pin 9V Căm xe đạp Ống hút PL24 3.2) Quy trình lắp ráp động điện chiều Bước 1: Quấn dây đồng cách điện quanh thân vỏ lon nước vỏ chai nhựa thành cuộn Khoảng 20 – 40 vòng Lưu ý: để hở hai đầu dây nối điện với mạch Bước 2: Lấy cuộn dây đồng khỏi vỏ lon nước hay vỏ chai nhựa dùng băng keo quấn – vị trí cuộn dây đồng để tạo hình dạng cho cuộn dây đồng Bước 3: Dùng kéo cắt đoạn ống hút -8 cm luồng qua cuộn dây cho đầu dây nối điện nằm đầu ống hút, dùng băng keo quấn cố định ống hút lại Bước 4: Cắt nhôm sử dụng giấy nhám để cạo bỏ lớp cách điện, dùng kìm uốn chiều dài nhơm thành miếng bán khuyên Bước 5: Dùng keo nến dán miếng bán khuyên vào đầu ống hút luồng qua cuộn dây Bước 6: Dùng giấy nhám để cạo bỏ lớp cách điện đầu nối cuộn dây đồng Sau dùng băng keo đen dán cố định đầu dây nối vào miếng bán khuyên Bước 7: Sử dụng kìm để cắt căm xe thành đoạn dài 10 – 12 cm Sau luồng căm xe vào ống hút có cuộn dây đồng Sử dụng keo nến dán cố định căm xe lòng ống hút Lưu ý: phận gọi roto Bước 8: Cắt que đè lưỡi thành Trên đầu khoan lỗ vừa đủ rộng để đưa căm xe vào Dùng keo nến dán đầu (đầu không khoan lỗ) vào đế đỡ (viên gạch) Bước 9: Lắp roto vào đầu vừa dán vào đế đỡ (viên gạch) Dán tiếp lại vào đế đỡ (viên gạch) để tạo thành động điện Bước 10: Làm chổi quét đầu bán khuyên Lưu ý: dùng dao cạo hết lớp cách điện nhôm Bước 11: Nối dây điện để tạo thành động điện chiều hồn chỉnh PL25 Hình 2.17 Sản phẩm động điện hoàn chỉnh 4.Xây dựng tài liệu hướng dẫn học sinh chủ đề STEM “Loa điện” TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN CHỦ ĐỀ STEM: LOA ĐIỆN 1) Các kiến thức liên quan 1.1) Thế loa điện Loa điện thiết bị điện có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện thành dao động để phát âm nhờ tác dụng từ dòng điện đặt từ trường 1.2) Kí hiệu loa điện sơ đồ mạch điện Hình 2.20 Kí hiệu loa điện 1.3) Từ trường dòng điện ống dây */ Các đường sức từ ⟹ Bên ống dây, đường sức song song với trục ống dây cách từ trường Bên ngồi ống, có hình dạng phân bố đường sức từ giống nam châm thẳng Chiều đường sức: tuân theo quy tắc nắm tay phải (như hình 1) PL26 Hình 2.21 Cách xác định chiều đường sức từ Nắm bàn tay phải, đặt cho bốn ngón tay hướng theo chiều dòng điện chạy qua vòng dây ngón tay chỗi chiều đường sức từ lịng ống dây */ Cơng thức tính cảm ứng từ Nếu ống dây dài đặt khơng khí, cảm ứng từ bên ống dây tính theo cơng thức sau: B  4.10 Trong đó: B (T): cảm ứng từ bên ống dây N n l N: số vòng dây ống l (m): chiều dài ống dây I (A): cường độ dòng điện chạy qua ống dây 2) Cấu tạo nguyên lý hoạt động loa điện 2.1) Cấu tạo loa điện : số vịng d PL27 Hình 2.22 Cấu tạo chi tiết loa điện Bộ phận loa điện màng loa Các phận khác loa như: nam châm vĩnh cửu, ống dây, khung loa, màng chống bụi, trụ sắt non,… 2.2) Nguyên lý hoạt động loa điện Khi cho tín hiệu điện chạy qua ống dây loa ⟹ có lực từ tác dụng lên ống dây ⟹ ống dây nối với màng loa nên làm rung màng loa ⟹ loa phát âm 3) Dụng cụ quy trình lắp ráp sản phẩm 3.1) Các dụng cụ, vật liệu để làm loa Súng bắn keo Vỏ chai nhựa PL28 3.2) Quy trình lắp ráp loa điện Bước 1: Dùng vỏ chai nhựa 1,5L làm khung loa cố định nam châm vĩnh cửu vào khung loa Bước 2: Quấn ống dây dây đồng, quấn khoảng 15 – 30 vòng Lưu ý: để hở hai đầu dây đồng để nối điện khoảng 10 cm Bước 3: Dùng giấy để làm màng loa Dán ống dây quấn trước vào màng loa keo nến Bước 4: Dùng màng loa có dây quấn để dán vào khung loa Bước 5: Vận hành thử loa có hoạt động tốt khơng Nếu khơng tốt cải tiến tiến hành làm lại 5.Xây dựng tài liệu hướng dẫn học sinh chủ đề STEM “Máy biến áp” TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN CHỦ ĐỀ STEM: MÁY BIẾN ÁP Hình 2.24 MBA dân dụng 1) Hình 2.25: MBA công nghiệp Định nghĩa: Máy biến áp hay máy biến (MBA) thiết bị điện hoạt động dựa tượng cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi điện áp xoay chiều * Khi có biến thiên từ thơng qua mặt giới hạn mạch kín mạch xuất suất điện động cảm ứng Hiện tượng xuất suất điện động cảm ứng gọi tượng cảm ứng điện từ 2) Phân loại: dựa vào chức ta có máy biến áp hạ máy biến áp tăng áp + MBA hạ thế: MBA có số vịng dây quấn cuộn thứ cấp N2 cuộn sơ cấp N1 (N2 < N1) + MBA tăng thế: MBA có số vịng dây quấn cuộn thứ cấp N2 nhiều cuộn sơ cấp N1 (N2 > N1) 3) Kí hiệu: PL29 Hình 2.26 Kí hiệu MBA với lõi khác 4) Cấu tạo: máy biến áp có phận chính: lõi thép, dây quấn vỏ máy Hình 2.27 Lõi thép silic Hình 2.28 Dây đồng để làm dây quấn MBA Hình 2.29 Cấu tạo MBA giảm áp 5) Nguyên lý hoạt động máy biến áp Nguyên lý hoạt động MBA giải thích nhờ vào tượng cảm ứng điện từ sau: Khi nối cuộn sơ cấp với nguồn điện xoay chiều điện áp U → dòng điện xoay chiều I1 biến thiên liên tục cuộn sơ cấp → từ trường B biến thiên → từ thông Φ qua cuộn thứ cấp biến thiên liên tục → xuất suất điện động cảm ứng U2 PL30 Hình 2.30 Mơ tả ngun lý hoạt động máy biến áp Trong cuộn sơ cấp có N1 vịng dây, đặt vào hiệu điện xoay chiều U1 Trong cuộn thứ cấp có N2 vịng dây, có suất điện động U2 ta có biểu thức: U U (2.5.1.) Nếu mắc tải vào cuộn thứ cấp có dòng điện I2 chạy qua, cuộn sơ cấp có I1 chạy qua Ta có biểu thức: Và cơng suất MBA là: * Dịng điện cảm ứng: dịng điện xuất có biến đổi từ thơng qua mạch điện kín gọi dịng điện cảm ứng * Suất điện động cảm ứng suất điện động sinh dịng điện cảm ứng mạch kín * Định luật Fa-ra-đây: Độ lớn suất điện động cảm ứng xuất mạch kín tỷ lệ với tốc độ biến thiên từ thơng qua mạch kín e c Trong đó: ec : độ lớn suất điện động cảm ứng, đơn vị Vôn (V);  : tốc độ biến thiên từ thơng qua mạch kín (2.5.3.) * Dịng điện Fu-cơ dịng điện cảm ứng sinh khối vật dẫn chuyển động từ trường hay đặt từ trường biến đổi theo thời gian 6) Dụng cụ, vật liệu sử dụng chủ đề PL31 Biến nguồn 6.Xây dựng tài liệu hướng dẫn học sinh chủ đề STEM “Máy thu thanh” TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN 1) Linh kiện điện trở: linh kiện điện tử có tác dụng cản trở dịng điện chạy qua Chức năng: cản trở dịng điện, chóng đoản mạch, chuyển điện thành nhiệt (bếp điện, bàn là,…) chuyển điện thành quang (đèn sợi đốt) Hình Ký hiệu hình dạng điện trở: Cách đọc giá trị điện trở vạch màu cơng thức tính cơng suất điện t PL32 Hình Hướng dẫn cách đọc giá trị điện trở vạch màu Ghép điện trở: có cách ghép: ghép nối tiếp, ghép song song + Ghép nối tiếp: Điện trở tương đương: Cường độ dòng điện: Hiệu điện hai đầu đoạn mạch: + Ghép song song RN N  U1 U2  UN PL33 Điện trở tương đương: Cường độ dòng điện: U Hiệu điện hai đầu đoạn mạch: 2) Linh kiện tụ điện: hệ hai vật dẫn đặt gần tụ điện Khoảng không gian hai Mỗi vật dẫn gọi là chân không hay bị chiếm chất điện mơi Chức năng: tích phóng điện, ngăn dòng điện chiều qua, tăng áp mạch tăng áp, thành phần xoay pha dòng điện xoay chiều (dung kháng), làm ổn định điện áp, thành phần mạch thu phát sóng điện từ, điều khiển cộng hưởng điện,… Hình Các loại tụ điện Bảng Các công thức ghép tụ PL34 3) Máy thu Radio hay máy thu thiết bị điện tử thu sóng điện từ đài phát phát không gian, sau chọn lọc, xử lý, khuếch đại phát âm Hình Máy thu AM FM + Máy thu sóng phải tương thích với máy phát sóng tần số phương thức điều chế Tần số thu sóng máy thu tính theo cơng thức: f Trong đó: L  4.107 n 2V L (H) độ tự cảm ống dây, tính cơng thức: n (vịng/m) mật độ vòng dây đơn vị chiều dài, n  N l V (m ) thể tích bên lịng ống dây C (F) điện dung tụ điện Núm vặn điều chỉnh tần số thực chất tụ xoay, tụ thay đổi điện dung C làm tần số thay đổi theo + Các thông số kỹ thuật máy thu thanh: Độ nhạy: suất điện động nhỏ anten để máy thu làm việc bình thường - Độ chọn lọc: khả chọn lọc tín hiệu cần thu tín hiệu cần loại bỏ tạp âm tác động vào anten - Dải tần máy thu: khoảng tần số mà máy thu điều chỉnh để thu sóng phát với tiêu kỹ thuật theo yêu cầu PL35 - Méo tần số: khả khuếch đại tần số khác sơ đồ máy thu có phần tử L, C Ngồi ra, người ta cịn quan tâm đến méo phi tuyến công suất máy thu + Hầu hết máy thu thu sóng AM FM Dựa vào cấu trúc sơ đồ mà chia thành hai loại: máy thu đổi tần, máy thu khuếch đại thẳng  Máy thu điều tần (FM): Sơ đồ khối thiết bị thu sóng radio thể hình Hình Sơ đồ khối thiết bị thu sóng FM + Nguyên lý hoạt động: Sóng cao tần tiếp nhận từ anten chọn lọc, khuếch đại đưa đến trộn sóng (đem sóng cao tần mang tin tức trộn với sóng tạo chỗ gọi dao động nội), để tạo nên sóng có tần số thấp – gọi trung tần) Sau đó, sóng trung tần khuếch đại, giải điều chế (tách tín hiệu tần số thấp phản ánh tin tức ngun thủy khỏi sóng mang – q trình gọi tách sóng), tiếp tục khuếch đại đưa đến phận nhận tin (ví dụ loa máy thu thanh) - Ưu điểm: độ khuếch đại đồng dải băng tần tần số trung tần tương đối thấp ổn định tín hiệu thay đổi - Nhược điểm: cấu trúc sơ đồ máy phức tạp ... TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ CHỦ ĐỀ STEM CỦA KIẾN THỨC CHƯƠNG “TỪ TRƯỜNG” VÀ “CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ” – VẬT LÝ 11 THPT 46 2.1 Phân tích kiến thức chương ? ?Từ trường? ?? ? ?Cảm ứng điện từ? ?? theo định hướng giáo dục. .. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Tơn Ngọc Tâm TỔ CHỨC DẠY HỌC MỘT SỐ KIẾN THỨC CHƯƠNG “TỪ TRƯỜNG” VÀ “CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ” – VẬT LÝ 11 THPT THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC... dục STEM - Xây dựng tiến trình dạy học số kiến thức chương ? ?Từ trường? ?? ? ?Cảm ứng điện từ? ?? theo định hướng giáo dục STEM Đề xuất, xây dựng chủ đề giáo dục STEM dạy học số kiến thức chương ? ?Từ trường? ??