5. Cấu trúc khoá luận
2.5.3 Giáo án buổi 3 Người kỹ sư nhí
1. Kiến thức
- Biết được mạch đồng
2. Kỹnăng
- Thiết lặp sơ đồ cấp nguồn cho các bộ phận - Thiết lập quy trình hệ thống hoạt động - Sử dụng tua vit để lắp ráp các thiết bị - Làm việc nhóm
55
II. Thiết bị (cho mỗi nhóm)
1 bộ 5 mảnh ghép (có dán keo sẵn) 1 phiếu học tập (theo nhóm)
1 Arduino Nano 1 Rơle 1 Cảm biến độ ẩm 1 pin 9V và jack nối
1 bảng mạch đồng 1 tua vít đầu 2-3mm 1 máy bơm được gắn vào chai nước
1 ly đất khô
2 đoạn ống nước 1 chậu cây
Lưu ý: GV mang theo cap mini USB và laptop phòng trường hợp HS nhấn và nút reset chương trình trên Arduino.
III. Tiến trình dạy học
Hoạt động của GV Hoạt động của HS Ghi chú/ Dụng cụ
Hoạt động 1:Nhắc lại nhiệm vụ và những điều đã tìm hiểu trong Buổi 1 + 2
56 Trong những buổi học trước chúng ta đã xác định nhiệm vụ cần làm để tưới chậu cây nhỏ khi mình đi chơi xa là chúng ta sẽ chế tạo một hệ thống mang tên là gì?
Hệ thống tưới tự động này gồm những bộ phận nào? Mỗi nhóm hãy liệt kê một bộ phận giúp cô.
Ở buổi 1 chúng ta đã tìm hiểu về cảm biến độ ẩm đất, công dụng của cảm biến độ ẩm là gì?
Cảm biến độ ẩm đo giá trị độ ẩm đất và xuất ra giá trị hiệu điện thế, có tín hiệu về độ ẩm đất, nếu nhỏ hơn thì sẽ kích hoạt thiết bị nào hoạt động tưới cây?
Và các con đã biết được đầu nào là hút nước đầu nào là tưới nước. Làm sao để mở tắt máy bơm? Mình cần một dụng cụ đóng vai trò như là công tắt đó là gì?
Có Rơle có thể bật tắt máy bơm rồi, nhưng khi nào thì bật, khi nào thì tắt? Mình lại phải cần thêm một trung tâm xử lý thông tin đó là Arduino. Arduino sẽ nhận thông tin từ cảm biến, so sánh với giá trị ngưỡng mà các con đã nhập code sau đó Rơle đóng bật tắt máy bơm.
Như vậy ta đã tìm hiểu tất cả các bộ phận riêng lẻ và sự hỗ trợ lẫn nhau của chúng. Vậy thì làm sao có thể lắp ráp chúng lại với nhau để tạo được sản phẩm là cả một hệ thống tưới tự động hoàn chỉnh? Ngày hôm nay chúng ta sẽ
Hệ thống tưới tự động
Cảm biến độ ẩm đất, máy bơm nước, rơle và Arduino
Đo độ ẩm đất
Máy bơm
Rơle
57 trở thành những kỹ sư lắp ráp, chế tạo nên một hệ thống tưới tự động cho chậu cây nhỏ xinh của nhóm mình
Hoạt động 2: Xây dựng sơ đồ kết nối các bộ phận cho hệ thống
【 Khám phá】【Thiết kế, chế tạo】 Muốn hệ thống hoạt động thì ta phải cấp gì cho cả hệ thống?
Như vậy ta phải cấp nguồn cho từng bộ phận của hệ thống. Các con hãy nhắc lại điện áp cần cung cấp cho Cảm biến và Rơle là bao nhiêu? Cảm biến và Ro-le cùng chung điện áp hoạt động nên ta chỉ cần 1 nguồn điện cấp chung cho cả rơle và cảm biến.
Còn Arduino? Arduino thì ta có thể cấp bất kỳ giá trị nào trong khoảng 6- 20V để Arduino hoạt động bình thường.
Máy bơm?
Hai linh kiện này có điện áp khác nhau nhưng ta có thể cấp chung một nguồn điện là 9V nhỏ hơn giá trị điện áp hoạt động bình thường của máy bơm, như vậy máy bơm có hoạt động không? Tại sao các con biết?
Nhưng lúc này máy bơm sẽ hoạt động yếu hơn hay mạnh hơn so với điện áp lớn hơn?
Như vậy, mình có thể cung cấp nguồn cho Arduino và máy bơm bằng cục pin 9V.
Quay trở lại cảm biến và rơle cần 5V vậy mình phải tốn thêm một khay pin 4.5V để cấp nguồn nữa phải
Cấp nguồn/ Cấp điện 5V 6-20V 12V Có, vì đã thử rồi Yếu hơn 10 phút
58 không? Không cần đâu vì trên Arduino có chốt 5V và GND. Hai chốt này đóng vai trò như một nguồn điện, 5V là dương còn GND là âm. Vậy khi Arduino hoạt động, nó có thể tạo ra một nguồn điện đúng bằng 5V giúp Rơle và Cảm biến hoạt động.
*Hoạt động nhóm:
Dựa vào bảng hiệu điện thế và những gì cô giới thiệu cho các con, các con hãy hoàn thành sơ đồ cấp nguồn thích hợp cho các bộ phận trong hệ thống tưới tự động.
Ở đây có 5 bức hình tương ứng với 5 bộ phậntrong hệ thống, các con hãy sắp xếp và dán vào các ô trong sơ đồ sao cho thích hợp.
Để bắt đầu cho hoạt động nhóm, đầu tiên, cô sẽ phát cho mỗi nhóm một phiếu học tập. Các con sẽ cử một bạn là nhóm trưởng và một bạn là thư ký và ghi vào bảng phân công nhiệm vụ. Sau khi đề cử xong thì nhóm trưởng giơ tay lên và cô sẽ đến phát các mảnh ghép để các con hoàn thành sơ đồ trong phiếu học tập.
Các con có 5 phút để thảo luận và hoàn thành sơ đồ của nhóm.
59 Như vậy cả 4 bộ phận Cảm biến, Arduino, Rơle, máy bơm với 4 giá trị hiệu điện thế cần cấp khác nhau nhưng chúng ta đã giải quyết được bằng cách chỉ cần cấp một nguồn từ pin 9V là có thể chạy cả hệ thống của chúng ta.
Nhưng thứ tự các thiết bị sẽ hoạt động như thế nào? Đầu tiên cảm biến nhận giá trị độ ẩm. Sau đó gửi giá trị này đến bộ phận nào để xử lý?
Arduino nhận được thông tin tiến hành so sánh với giá trị ngưỡng và điều khiển đến bộ phận nào?
Rơle làm nhiệm vụ bật tắt máy bơm.
Arduino Rơle Hoạt động 3: Tìm hiểu về mạch đồng 【 Khám phá】 Hệ thống gồm 4 bộ phận riêng lẻ vậy làm cách nào để có thể sắp xếp chúng một cách ngay ngắn gọn gàng và kết nối chúng lại với nhau?
Cô giới thiệu cho các con một linh kiện điện tử có thể làm được điều đó đó là bảng mạch in.
Bảng mạch in làm từ mạch đồng hay còn gọi là phíp đồng là một miếng nhựa cứng, có một mặt được tráng một lớp kim loại đồng. Do được tráng một lớp kim loại nên mạch sẽ có khả năng
60 dẫn điện. Sau đó người ta tiến hành các thao tác in mạch để tạo thành Bảng mạch in theo ý muốn.
Đây chính là bảng mạch in từ phíp đồng làm ra, các con thấy trên bảng mạch in này là một hệ thống đường dẫn điện, những đường trên bảng đó chính là bề mặt đồng còn lại mà người ta muốn in. Khi lắp các thiết bị vào mạch các thiết bị này có thể kết nối với nhau nhờ những con đường trên bảng mạch.
Để gắn các bộ phận lên mạch đồng chúng ta sẽ dùng biện pháp hàn. Sử dụng mũi hàn để đính những bộ phận lên mạch. Và cô đã hàn các linh kiện hỗ trợ lên bảng mạch in.
Hoạt động 4: Người kỹ sư lắp ráp
【 Thiết kế, chế tạo】
Nhiệm vụ của các con là trong vai trò của những kỹ sư lắp ráp, các con sẽ lắp ráp, sắp xếp một cách ngay ngắn, gọn gàng tất cả các thành phần của hệ thống lên trên bảng mạch theo các bước trong phiếu học tập.
61 Các con sẽ tiến hành thảo luận và lắp ráp trong vòng 15 phút. Đầu tiên các con sẽ xem qua các bước lắp ráp trong phiếu học tập và phân công nhiệm vụ cho từng bạn trong 2 phút, sau 2 phút cô sẽ phát dụng cụ và các con sẽ tiến hành lắp ráp trong vòng 13 phút còn lại. Thời gian 2 phút thảo luận bắt đầu. Và tiếp theo chúng ta có 13 phút để lắp ráp.
Lưu ý khi lắp ráp Arduino vào bảng mạch cẩn thận không được nhấn vào nút trắng trên Arduino vì nút đó là nút reset tất cả chương trình đã nạp vào Arduino
Hoạt động 4: Vận hành【Thiết kế, chế tạo】 Hệ thống tưới nước tự động cho
chậu cây của mình còn thiếu bộ phận nào để hoạt động?
Ngoài ra còn thiếu gì để tưới?
Mình tưới cho cây nên sẽ phải có thêm một chậu cây để tưới, nhưng để chạy thử xem hệ thống của mình cấp nước như thế nào, khi nào thì tưới khi nào không tưới, cô sẽ cung cấp cho mỗi nhóm một phần đất khô, các nhóm hãy làm theo các bước sau để chạy thử hệ thống trước khi áp dụng cho chậu cây của mình.
- Cắm đầu hút nước của ống bơm vào chai nước, đầu còn lại cắm vào đất
Nguồn điện/Pin
Nước
62 - Cắm cảm biến độ ẩm vào đất,
cách đầu ống bơm khoảng 2- 3cm
- Cung cấp nguồn điện bằng cách cắm zack nối pin 9V vào bảng mạch
- Bật công tắt và quan sát hoạt động
Chúng ta có 5 phút để chạy thử hệ thống. Các con lưu ý không được xe dịch các dụng cụ khi mạch đang hoạt động, nếu muốn dừng việc bơm nước thì tắt công tắt.
Hoạt động 5: Áp dụng cho chậu cây của mình【Thiết kế, chếtạo】 Sau đây cô sẽ phát cho mỗi nhóm
chậu cây mà nhóm mình cần tưới nước, các con hãy thiết lập hệ thống cho chậu cây của mình và cô sẽ mời hai nhóm đại diện báo cáo về sản phẩm của các con theo các tiêu chí sau
1. Giới thiệu bản thân, tên nhóm, số lượng thành viên.
2. Tên chậu cây 3. Độ ẩm thích hợp
4. Hệ thống của con gồm những bộ phận nào?
5 phút
63
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Dựa trên cơ sở lý luận được đề cập ởchương I, chúng tôi xây dựng mục tiêu của chủđề và các nội dung trong chủđề.
Chúng tôi đã xây dựng tài liệu hỗ trợ, giáo án chi tiết cho từng buổi. Đồng thời thiết kế, chế tạo và chuẩn bị các bộ thí nghiệm, dụng cụ học tập cho từng buổi hoạt động. Trong quá trình chuẩn bị, chúng tôi đề ra những sai lầm mà HS có thể mắc phải, từđó thay đổi phương án, sử dụng thêm nhiều công cụ hỗ trợ, chế tạo các dụng cụ thí nghiệm dễ sử dụng.
Trong quá trình xây dựng đề tài, chúng tôi nhận thấy rằng các kiến thức không những liên quan đến bộ môn Vật lý mà còn liên quan đến các môn học khác như Tin học, Công nghệ.
Sau khi hoàn thành các công việc đó, chúng tôi có một kế hoạch dạy học chủ đề hoàn chỉnh và tiến hành thực nghiệm sư phạm.
64
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM
Mục tiêu, đối tượng, thời gian và phương pháp thực nghiệm sư phạm 3.1.1Mục tiêu
- Đánh giá sự phù hợp về nội dung và tiến trình dạy học đối với HS THCS. - Đánh giá sự hứng thú và tích cực của HS khi tham gia.
- Đánh giá mức độ khả thi của nội dung và tiến trình dạy học và ghi nhận ý kiến từ GV THCS tham gia dự giờđể có những điều chỉnh phù hợp.
3.1.2Đối tượng và thời gian
- Đối tượng: 50 em HS lớp 8 của trường THCS Trần Văn Ơn, Q1, Tp.HCM. - Thời gian: 135 phút diễn ra trong ba tuần mỗi tuần một buổi, mỗi buổi một tiết
học 45 phút.
3.1.3Phương pháp thực nghiệm sư phạm
- Theo dõi, quan sát, chụp hình và quay phim buổi học.
- Quan sát và ghi chú thao tác thực hiện của HS thông qua sựhướng dẫn của GV. - Phỏng vấn lấy ý kiến của HS sau khi hoàn thành ba buổi học.
- Trao đổi và xin ý kiến của GV về nội dung và hình thức triển khai của chủđề.
Kế hoạch thực nghiệm sư phạm
Thời gian Nội dung thực hiện Người phối hợp + hỗ trợ
19/03/2019 Liên hệ GV Cô Lê Hải Mỹ Ngân
19-26/03/2019 Trao đổi nội dung + thống nhất giáo án
Cô Lê Hải Mỹ Ngân và các thầy cô trong tổ STEM trường Trần Văn Ơn
27/03/2019 Thực nghiệm buổi 1 Cô Lê Hải Mỹ Ngân và các thầy cô trong tổ STEM trường Trần Văn Ơn
03/04/2019 Thực nghiệm buổi 2 Cô Lê Hải Mỹ Ngân, bạn Tạ Thị Mỹ Hạnh và các thầy cô trong tổ STEM trường Trần Văn Ơn
10/04/2019 Thực nghiệm buổi 3 Cô Lê Hải Mỹ Ngân, bạn Tạ Thị Mỹ Hạnh và các thầy cô trong tổ STEM trường Trần Văn Ơn
65
Diễn biến và phân tích diễn biến quá trình thực nghiệm 3.3.1Diễn biến quá trình thực nghiệm
3.3.1.1 Diễn biến buổi 1
Mô tả diễn biến Hình ảnh
Hoạt động 1 – Khởi động
Trong buổi học đầu tiên, GV làm quen với HS. Các nhóm HS đã được sắp xếp chia thành 6 nhóm, và ngồi theo vị trí một nhóm gồm 2 dãy HS ngồi đối diện nhau để thuận lợi làm việc nhóm.
GV đặt vấn đề bằng cách giới thiệu một số loại cây trồng và trao đổi với HS về việc chăm sóc cây, đặc biệt là tưới nước cho cây. GV đặt vấn đề HS tìm hiểu độ ẩm của các loại cây trồng.
Khi GV hỏi về độ ẩm phù hợp cho các loại cây khác nhau, HS phát biểu và nhận ra được rằng mỗi loại cây tùy điều kiện phát triển sẽ cần một mức độ ẩm nhất định.
GV phân chia cho mỗi nhóm phụ trách chăm sóc một loại cây và các nhóm ghi nhận thông tin độ ẩm thích hợp với loại cây của nhóm.
Hoạt động 2 – Đặt vấn đề
Khi trao đổi về tình huống nếu phải vắng nhà vài ngày làm sao có thể đảm bảo việc cấp đủ nước cho cây. Các nhóm HS trao đổi và đưa ra một số phương án: nhờ hàng xóm,… trong đó có một nhóm đã nêu được ý kiến làm hệ thống tưới nước tự động. GV dựa vào ý kiến của HS để tổng hợp và đặt nhiệm vụ cho chủ đề.
66 Hoạt động 3 – Hình thành sơ đồ tư duy về hệ thống tưới tự động
GV hình thành sơ đồ tư duy cho HS, nêu ra các bộ phận trong hệ thống tưới tự động. HS nêu được để tưới nước một cách tự động thì sử dụng máy bơm để bơm nước.
Hoạt động 4 – Tìm hiểu về cảm biến độ ẩm
GV giới thiệu cảm biến độ ẩm và đặt vấn đề cảm biến độ ẩm xuất tín hiệu đầu ra là giá trị hiệu điện thế.
GV đặt ra hai nhiệm vụ cho HS. Tạo môi trường đất có độ ẩm
đúng bằng ngưỡng độ ẩm thích hợp với cây trồng HS chọn một giá trị độ ẩm ngưỡng.
Đo hiệu điện thế đầu ra AO của cảm biến độ ẩm .
Mỗi nhóm nhận được một bộ dụng cụ thí nghiệm được sử dụng để HS khảo sát độ ẩm của đất và tín hiệu đầu ra thông qua cảm biến độ ẩm.
Các nhóm HS tiến hành thí nghiệm thực hiện hai nhiệm vụ.
HS dựa vào công thức độ ẩm, tính khối lượng nước cần đong từ khối lượng riêng của nước, HS suy ra khối lượng nước cần tưới, tiến hành đong
67 nước tạo môi trường độ ẩm tương ứng với loại cây của nhóm.
HS đo hiệu điện thế giữa hai cực AO và GND trên cảm biến độ ẩm bằng cách sử dụng đồng hồ đo điện đa năng. Hoạt động 5 – Tổng kết
GV yêu cầu HS đọc kết quả thí nghiệm và tổng kết lại buổi 1.
HS phát biểu được giá trị cho ra của cảm biến là giá trị hiệu điện thế và nêu được nhiệm vụ tổng quát là chế tạo một hệ thống tưới tự động.
3.3.1.2 Diễn biến buổi 2
Mô tả diễn biến Hình ảnh
Hoạt động 1 – Nhắc lại nhiệm vụ và những điều đã tìm hiểu trong Buổi 1
GV khái quát lại những nội dung đã học ở buổi 1, hỏi HS về nhiệm vụ cần chế tạo ra hệ thống gì khi gia đình đi chơi xa, các bộ phận trong hệ thống. HS phát biểu về các bộ phận đó.
GV yêu cầu HS nhắc lại loại cây trồng nhóm phụ trách và cung cấp