SKKN Nghiên cứu, chế tạo và sử dụng bộ thí nghiệm tích hợp khảo sát chuyển động cơ học dùng cảm biến khoảng cách kết nối với máy tính

Phần 1. MỞ ĐẦU

I. Lí do chọn đề tài
Như chúng ta đã biết, Bộ môn Vật lý THPT là bộ môn khoa học thực nghiệm, do đó việc giảng dạy Vật lý ở bậc THPT cũng được xây dựng theo tinh thần đó. Các thí nghiệm trong dạy học Vật lý ở bậc THPT có nhiều thể loại: thí nghiệm biểu diễn, thí nghiệm minh hoạ, thí nghiệm thực hành, … qua đó hình thành và xây dựng các tiếp cận và nghiên cứu Vật lý ở mức độ phù hợp. Vì vậy, Bộ giáo dục đã và đang kết hợp cùng các nhà trường trang bị các bộ thí nghiệm cơ bản phục vụ cho việc giảng dạy bộ môn Vật lý.
Tuy nhiên, hiện nay thực trạng của các bộ thí nghiệm ở các trường học đã xuống cấp, giảm chất lượng rõ rệt do thời gian sử dụng và công nghệ chế tạo đã lạc hậu dẫn không đảm bảo độ chính xác và hiệu quả sử dụng. Cụ thể, ở lớp 10 có hai bộ thí nghiệm về chuyển động thẳng: Khảo sát sự rơi tự do, xác định hệ số ma sát trượt đều giảm chất lượng rõ rệt. Mặt khác, phương pháp xác định thời gian chuyển động thông qua cổng quang điện và đồng hồ hiện số là tương đối phức tạp, các số liệu chỉ được thu thập thô còn việc xử lí chúng phải do học sinh tự làm.
Với bộ khảo sát rơi tự do, công tắc nam châm điện, các chốt cắm nam châm của đồng hồ hiện số rất nhanh hỏng; bộ điều chỉnh đế ba chân để giá thí nghiệm theo phương thẳng đứng cũng rất khó thực hiện, dẫn đến trong quá trình rơi khi ở khoảng cách lớn, vật không chắn được tia hồng ngoại của cổng quang điện nên đồng hồ không thể xác định được thời gian rơi của vật. Tuy nhiên, phương pháp khảo sát chuyển động rơi tự do cũng tương đối phức tạp, việc thu thập số liệu để vẽ đồ thị s(t2) và v(t) không phải lúc nào cũng cho kết quả như mong muốn.
Với bộ thí nghiệm: đo hệ số ma sát trượt, ngoài các hạn chế về đồng hồ hiện số còn gặp thêm một số vấn đề về mặt bản chất thí nghiệm dẫn đến kết quả không chính xác. Chuyển động của mẫu vật (trụ tròn) không phải là trượt tịnh tiến mà là chuyển động vừa trượt vừa quay; dẫn đến quỹ đạo của vật cũng không phải là quỹ đạo thẳng; một số trường hợp khi trượt, vật còn tiếp xúc với thành của giá nên xuất hiện thêm ma sát ở phần mặt bên của vật. Mặt khác, việc đo gia tốc theo bài toán mặt phẳng nghiêng cũng tương đối phức tạp, không phải đối tượng học sinh nào cũng dễ tiếp cận với bài toán này.
Bên cạnh đó, nhiều nội dung kiến thức cần có thí nghiệm để minh hoạ hoặc kiểm chứng lại không được cung cấp đầy đủ như: chuyển động thẳng đều, định luật bảo toàn động lượng… dẫn đến những nộ dung này được giảng dạy tương đối áp đặt.
Ở chương trình Vật lý 12, đặc biệt chương trình vật lí lớp 11, thuộc chương trình GD- THPT 2018, một chuyển động rất quan trọng và nền tảng là dao động điều hoà thì được xây dựng dựa trên nền tảng toán học mà không có bất kỳ một thí nghiệm kiểm chứng hoặc minh hoạ. Do đó, học sinh sẽ tiếp cận kiến thức rất hàn lâm, thiếu trực quan và áp đặt.

Bên cạnh đó, theo yêu cầu của chương trình GDPT 2018, Thông tư 39, các phòng thực hành vật lí THPT ngoài các thí nghiệm biểu diễn phải có tối thiểu 6 bộ thí nghiệm thực hành. Chính vì vậy, các bộ thí nghiệm vật lí không những yêu cầu về chất lượng mà còn yêu cầu về số lượng phải có.
Hơn nữa, trong thời đại bùng nổ công nghệ thông tin như hiện nay, việc ứng dụng các công nghệ tiên tiến vào phục vụ dạy học đang là một đòi hỏi bắt buộc đối với ngành giáo dục nói chung và với mỗi một giáo viên nói riêng. Giáo viên sẽ phải tiếp cận và vận dụng thành thạo, nhuần nhuyễn các công nghệ đó để phục vụ cho công tác giảng dạy. Với thực trạng nêu trên, trong bối cảnh các bộ thí nghiệm cũ chủ yếu được chế tạo và hoạt động trên các nguyên tắc cơ học đã bộc lộ nhiều hạn chế và khiếm khuyết. Tôi mong muốn khắc phục và cải tiến thiết bị, đưa ra các phép đo chính xác hơn, tích hợp nhiều thí nghiệm với sự trợ giúp đắc lực của máy tính.
Do đó, tôi chọn kết hợp với các công nghệ tiên tiến hiện nay: cảm biến, số hoá các số liệu thu thập đưa vào máy tính, lập trình phần mềm để xử lý, vẽ đồ thị qua đó khảo sát các loại chuyển động thẳng một cách trực quan, chính xác, đảm bảo tính khoa học, tôi đã thực hiện đề tài : “Nghiên cứu, chế tạo và sử dụng bộ thí nghiệm tích hợp khảo sát chuyển động cơ học dùng cảm biến khoảng cách kết nối với máy tính”. Trong phạm vi đề tài, tôi chế tạo bộ thí nghiệm khảo sát hầu hết các loại chuyển động thẳng cơ bản trong chương trình vật lý phổ thông như: chuyển động thẳng đều, chuyển động thẳng biến đổi đều, dao động điều hoà; ngoài ra còn khảo sát được hệ số ma sát trượt, kiểm chứng được định luật bảo toàn động lượng, …. Nguyên lý hoạt động hoàn toàn mới, các bộ phận kết nối với máy tính, số liệu thu thập được số hoá xử lý bằng phần mềm trên máy tính để cho ra kết quả, từ đó vẽ đồ thị của các loại chuyển động bằng phần mềm đã được lập trình sẵn nên cho trực tiếp kết quả rất trực quan.
Với đề tài này, tôi hi vọng sẽ khắc phục được những tồn tại trước đó, bổ sung những thí nghiệm còn thiếu sót, góp phần nâng cao hiệu quả giảng dạy của bộ môn Vật lý ở trường THPT.
II. Mục đích nghiên cứu
+ Chế tạo bộ và sử dụng thí nghiệm tích hợp khảo sát chuyển động cơ học sử dụng cảm biến khoảng cách kết nối với máy tính. Từ đó ta có thể dễ dàng tổ chức dạy học theo chương trình GDPT 2018 vừa đảm bảo chuyển đổi số trong giáo dục;
+ Đề xuất các thí nghiệm sử dụng bộ thí nghiệm tích hợp vào trong dạy học bộ môn Vật lí ở trường THPT.
III. Đối tượng nghiên cứu
+ Cảm biến khoảng cách và phần mềm lập trình cho mạch Arduino;
+ Nam châm vĩnh cửu dạng thanh dài;
+ Chương trình và các bài học trong SGK vật lí 10 (KNTT) và SGK vật lí 12
Từ những phần tử đó tiến hành chế tạo và sử dụng thí nghiệm trong dạy học.
IV. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu, chế tạo bộ thí nghiệm để sử dụng vào dạy học vật lí cấp THPT
V. Nhiệm vụ nghiên cứu
+ Nghiên cứu sách giáo khoa vật lí 10, 12 THPT (các thí nghiệm biểu diễn và thí nghiệm thực hành) có thể sử dụng các thí nghiệm trên trong quá trình dạy học.
+ Nghiên cứu, chế tạo bộ thí nghiệm để sử dụng vào dạy học.
+ Đề xuất phương án sử dụng các thí nghiệm đó vào dạy học vật lí ở trường phổ thông (thí nghiệm trong bài học xây dựng kiến thức mới; thí nghiệm trong bài học bài tập vật lí (bài tập thí nghiệm vật lí); thí nghiệm trong tiết thực hành.
VI. Giả thuyết khoa học
Có thể và cần thiết phải sử dụng bộ thí nghiệm tích hợp khảo sát chuyển động cơ học sử dụng cảm biến khoảng cách kết nối với máy tính trong dạy học vật lí. Từ đó góp phần nâng cao chất lượng dạy học và giáo dục kĩ thuật tổng hợp trong dạy học vật lí.
VII. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết:
+ Cơ sở lý thuyết của các đề tài;
+ Xây dựng phương án dạy học. Nghiên cứu thực nghiệm:
+ Nghiên cứu các thiết bị điện tử liên quan đến thí nghiệm gồm mạch Arduino và cảm biến khoảng cách;
+ Thiết kế chế tạo trên cơ sở các thiết bị đã có;
+ Tiến hành sử dụng bộ thí nghiệm để thử nghiệm các chức năng, hoạt động của bộ thí nghiệm;
VIII. Kết quả nghiên cứu
+ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công bộ thí nghiệm tích hợp dùng để khảo sát chuyển động cơ học sử dụng cảm biến khoảng cách kết nối với máy tính: Bộ thí nghiệm có thể tiến hành được nhiều thí nghiệm, độ nhạy (100 ms) và độ dịch chuyển có độ chính xác cao (1 mm).
+ Đề xuất các thí nghiệm sử dụng bộ thí nghiệm tích hợp vào trong dạy học vật lí.
IX. Điểm mới của đề tài
– Cách loại bỏ ma sát bằng đệm từ trường là một ưu điểm vượt trội của bộ thí nghiệm. Trước đây, người ta thường dùng đệm khí, với nhiều thiết bị, máy móc đi kèm. Bằng cách dùng thanh nam châm dài gắn vào máng trượt và vật để tạo ra lực từ, qua đó nâng vật lên khỏi máng là một cách làm rất đơn giản nhưng vô cùng hiệu quả để loại bỏ ma sát giữa vật và máng. Do đó sẽ thực hiện được một loạt các thí nghiệm như khảo sát chuyển động thẳng đều, kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng, khảo sát dao động điều hoà của con lắc lò xo.
– Sử dụng kĩ thuật đo khoảng cách tới đối tượng bằng xung laze (Lidar) kết nối với máy tính là một điểm khác biệt nữa của bộ thí nghiệm. Máy đo phát ra các xung laze và nhận tín hiệu phản xạ trong khoảng thời gian rất ngắn nên tốc độ đo được tại các thời điểm đó có thể xem là tốc độ tức thời. Mặt khác, khoảng cách, tốc độ và vẽ đồ thị đều được máy tính xử lí tự động, người sử dụng chỉ việc thu nhận và đối chiếu kết quả với lý thuyết để kết luận tính chất chuyển động.
– Bộ thí nghiệm tích hợp được nhiều thí nghiệm nhỏ, phục vụ nghiên cứu các chuyển động thẳng cơ bản trong chương trình Vật lý phổ thông hiện hành mà trong các nhà trường không có: khảo sát chuyển động thẳng đều, khảo sát chuyển động thẳng biến đổi đều, kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng, khảo sát dao động điều hoà của con lắc lò xo.
Đây đều là những thí nghiệm rất cần thiết nhưng đang thiếu trong kho thiết bị dạy học của các trường THPT hiện nay. Trong đó, được mong chờ nhất là thí nghiệm khảo sát dao động điều hoà của con lắc lò xo. Bởi vì đây là một nội dung rất nền tảng trong chương trình vật lý 12, tuy nhiên từ trước đến nay chỉ được nghiên cứu thông qua phương trình vi phân cấp hai mà chưa có một thí nghiệm trực quan để học sinh dễ tiếp cận. Khi sử dụng bộ thí nghiệm thì toạ độ của vật được máy đo xác định theo thời gian thực, từ đó ta có thể vẽ đồ thị dao động điều hoà bằng thực nghiệm để kiểm chứng phương trình lí thuyết của dao động điều hoà.
Bên cạnh đó, thông qua việc khảo sát chuyển động thẳng chậm dần đều cũng cho ta một cách làm khác, đơn giản và học sinh dễ tiếp cận hơn với công cụ toán học đơn giản để xác định hệ số ma sát trượt – điều mà trong bộ thí nghiệm được cấp gần như chưa làm được.

TT NỘI DUNG THÍ NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP ĐO CŨ PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN KẾT QUẢ
1 Thí nghiệm khảo sát chuyển động thẳng đều. Đo khoảng cách bằng cổng quang điện và đo thời gian bằng đồng hồ đo thời gian hiện số Đo bằng xung phát laze
Loại bỏ ma sát bằng đệm từ với Nam châm. Độ chính xác cao hơn.
Tự động cho ra đồ thị chuyển động trên màn
hình máy tính.
2 Thí nghiệm kiểm chứng định luật bảo toàn động lượng thông qua va chạm mềm
Chưa có Đo độ dịch chuyển bằng xung laze từ đó tính vận tốc trước và sau va chạm Vẽ đồ thị độ dịch chuyển-thời gian từ đó suy ra vận tốc trước và sau
va chạm với độ chính xác cao

3 Thí nghiệm khảo sát dao động điều hòa của con lắc lò
xo. Chưa có Đo li độ tự động bằng xung phát laze Vẽ đồ thị li độ và vận tốc trên máy tính.
4 Thí nghiệm khảo sát chuyển động thẳng biến đổi đều và xác định hệ số ma sát. Đo khoảng cách bằng xung phát Laze Vẽ đồ thị quãng đường, vận tốc, rút ra hệ số ma sát bằng máy tính theo công thức đã lập trình
sẵn.Ngoài ra, các thí nghiệm trước đây còn dùng hai cổng quang điện để xác định vận tốc của vật, phép đo còn mang tính thủ công, bộ thí nghiệm cần có đệm không khí nên rườm rà, khó thực hiện trong một tiết dạy. Nhưng với cảm biến đo khoảng cách kết nối với máy tính, bộ thí nghiệm đã thay đổi cách thức thu thập và xử lý số liệu. Qua sử dụng tôi thấy số liệu được thu thập tự động và chính xác, cho thấy cho bộ thí nghiệm cải tiến có nhiều ưu điểm vượt trội so với các bộ thí nghiệm truyền thống trước đây. Do đó, đề tài này hoàn toàn mới, giá thành rẻ, dễ chế tạo và sử dụng linh hoạt trong dạy học vật lí.

Phần 2. NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG BỘ THÍ NGHIỆM TÍCH HỢP KHẢO SÁT CHUYỂN ĐỘNG CƠ HỌC DÙNG CẢM BIẾN KHOẢNG CÁCH KẾT NỐI VỚI MÁY TÍNH
I. Cơ sở lý luận và cơ sở thực tiễn
1.1. Cơ sở lý luận
1.1.1. Khái niệm thiết bị dạy học
Thiết bị dạy học là tất cả các phương tiện vật chất được huy động vào việc giảng dạy, học tập và các hoạt động mang tính giáo dục khác để đạt được mục đích giáo dục.
1.1.2. Nội dung thiết bị dạy học
Thiết bị dạy và học bao gồm các thiết bị dùng chung, các thiết bị trực quan, các thiết bị thực nghiệm bộ môn, các thiết bị nghe nhìn và các phương tiện kỹ thuật phục vụ cho việc dạy và học.
Thiết bị dạy học được sản xuất, cung cấp hàng loạt, đồng bộ theo những tiêu chuẩn kỹ thuật xác định của quốc tế hoặc trong nước là các thiết bị dạy học chính quy. Ngoài ra còn có các thiết bị dạy học không chính quy do giáo viên và học sinh tự làm hoặc sưu tầm, tận dụng cũng góp phần không nhỏ trong việc dạy học.
1.1.3. Vị trí của thiết bị dạy học
Quá trình dạy học, giáo dục cấu thành bởi nhiều thành tố có liên quan chặt chẽ và tương tác với nhau. Các thành tố cơ bản cấu thành quá trình dạy học là: Mục tiêu – Nội dung – Phương pháp – Giáo viên – Học sinh – Thiết bị giáo dục. Các yếu tố cơ bản này giúp thực hiện quá trình dạy học và mối quan hệ giữa chúng.
Mối quan hệ giữa các thành tố cấu thành quá trình dạy học trong đó thiết bị dạy học là một thành tố không tách rời. Theo sơ đồ, các cặp thành tố có quan hệ tương hỗ hai chiều. Việc điều khiển tối ưu các mối quan hệ của các thành tố có thể coi là một nghệ thuật về mặt sư phạm. thiết bị có mặt trong quá trình nêu trên có vai trò như các thành tố khác không thể thiếu một thành tố nào. Như vậy, thiết bị là một bộ phận cấu thành không thể thiếu của quá trình giáo dục, dạy học.
1.1.4. Vai trò của thiết bị dạy học
Thiết bị dạy học có vai trò quan trọng trong quá trình dạy học, là một bộ phận của nội dung và phương pháp dạy học. Đảm bảo tính trực quan trong dạy học, đảm bảo chất lượng kiến thức, thể hiện tường minh phương pháp làm việc, giúp học sinh rèn luyện các kỹ năng, cho phép đa dạng hoá các loại hình dạy học. Phương tiện kỹ thuật dạy học cũng có khả năng sư phạm to lớn: tăng tốc độ truyền tải mà không làm giảm lượng thông tin, tạo điều kiện đi sâu vào bản chất sự vật và hiện tượng, tiết kiệm thời gian, tạo hứng thú và lôi cuốn người học, cho phép cải tiến các hình thức lao động sư phạm, tạo điều kiện cho học sinh thực hành rèn luyện kỹ năng, tạo ra các tình huống sư phạm và “vùng hợp tác” giữa giáo viên và học sinh.

1.1.5. Yêu cầu của thiết bị dạy học
Thiết bị dạy học phải đảm bảo các yêu cầu: tính khoa học (mức độ chuẩn xác trong việc phản ánh hiện thực), tính sư phạm (sự phù hợp với các yêu cầu về mặt sư phạm như độ rõ, kích thước, màu sắc, dễ sử dụng, phù hợp tâm lý học sinh), tính kinh tế (giá thành tương xứng với hiệu quả giáo dục và đào tạo).
1.2. Cơ sở thực tiễn
Cơ sở lý luận đã cho ta hiểu đầy đủ về khái niệm, nội dung, vị trí, vai trò, yêu cầu, cách quản lý về công tác tự làm, sử dụng và bảo quản thiết bị dạy học. Thế nhưng, thực tế trong các nhà trường hiện nay, thiết bị dạy học còn thiếu về số lượng, không đảm bảo về chất lượng, không đồng bộ về cơ cấu, một số thiết bị đã cũ, hỏng, nguồn kinh phí do nhà nước cấp, mua sắm thiết bị còn rất hạn hẹp.
Bên cạnh đó, việc quản lý và sử dụng các thiết bị dạy học hiện có của nhà trường còn bất cập; nhận thức của cán bộ, giáo viên, về vai trò và ý nghĩa của thiết bị dạy học trong giáo dục còn hạn chế; kỹ năng sử dụng, sửa chữa, bảo quản thiết bị còn yếu; việc tổ chức dạy học các giờ thực hành còn hình thức, chiếu lệ, … còn một số trường THPT cũng nằm trong tình trạng kể trên.
Những khó khăn và bất cập trên mâu thuẫn với yêu cầu của việc đổi mới phương pháp dạy học, với nguyện vọng của giáo viên được giảng dạy, với các thiết bị dạy học phù hợp để nâng cao chất lượng bài giảng, với nguyện vọng và nhu cầu của học sinh mong muốn được nắm bắt kiến thức một cách trực quan sinh động và rèn luyện kỹ năng thực hành. Đây là cơ sở thực tiễn, là nguyên nhân để tôi tìm ra các biện pháp nhằm quản lý hiệu quả việc tự làm, sử dụng thiết bị dạy học đáp ứng mục tiêu, chương trình giáo dục.
II. Thực trạng của vấn đề
2.1. Đặc điểm tình hình ở nhà trường
2.1.1. Thuận lợi
Hiện nay các trường thường xuyên nhận được sự quan tâm chỉ đạo của sở, của ngành, của các cấp chính quyền địa phương. Hầu như các nhà trường đều có đủ phòng học, bàn ghế để học một ca và được trang bị một số đồ dùng, thiết bị phục vụ giảng dạy.
Đa số đội ngũ giáo viên nhiệt tình, năng động, 100% giáo viên được tham gia tập huấn chuyên đề sinh hoạt chuyên môn thường xuyên, đã bước đầu có kinh nghiệm. Một số giáo viên có ý thức tự làm đồ dùng dạy học, biết cách sử dụng và bảo quản đồ dùng dạy học.
2.1.2. Khó khăn
Thiết bị dạy học của các nhà trường đã được trang bị nhưng chưa đồng bộ. Một số thiết bị được trên cấp từ những năm trước đã kém chất lượng, một số nhà trường còn thiếu các phòng học chuyên dụng nên thiết bị dạy học sắp xếp chưa khoa học, việc sử dụng chưa phát huy hết hiệu quả của thiết bị dạy học.
Nguồn kinh phí dành cho mua sắm, bổ sung thiết bị dạy học còn hạn hẹp.
Đội ngũ giáo viên trẻ, thiếu kinh nghiệm công tác. Một số giáo viên chưa có ý thức làm đồ dùng, chưa biết sử dụng và bảo quản đồ dùng.
Điều kiện kinh tế của nhân dân ở một số địa phương còn nhiều khó khăn nên việc huy động các nguồn lực từ xã hội hóa còn hạn chế.
2.2. Điều tra thực trạng của đề tài nghiên cứu
Qua khảo sát thực tế giáo viên giảng dạy môn Vật lí (phiếu kháo sát ở phần Phụ lục) tôi thấy việc sử dụng thiết bị dạy vào trong dạy học là rất quan trọng (tỷ lệ chọn 98,7%) và học sinh rất hứng thú với các tiết học có sử dụng thiết bị dạy học (tỷ lệ chọn đáp án (97,6%). Tuy nhiên trang thiết bị dạy học trang bị trong các trường THPT được khảo sát còn thiếu (87,6%), phần còn lại đảm tối thiểu cho dạy học theo quy định. Chính vì lí do đó việc sử dụng các thiết bị dạy học còn thỉnh thoảng, do các trang thiết bị có nhưng cơ bản chất lượng xuống cấp nhanh do đó hoạt động kém, dẫn đến không đủ thời gian để thực hiện trong một tiết học. Bên cạnh đó việc tập huấn sử dụng thiết bị dạy học trong các nhà trường hiếm khi thực hiện, dẫn đến các thiết bị hỏng cũng không ai biết nên việc sửa chữa cũng như tự làm các thiết bị bổ sung chưa được kịp thời. Điều đó dẫn đến khả năng tự làm thiết bị dạy học của giáo viên cũng không được tốt, có 83,6 % thấy rất cần thiết phải phát triển phong trào tự làm thiết bị dạy học trong nhà trường. Việc tự làm thiết bị dạy học không chỉ nâng cao chuyên môn, tay nghề mà còn bổ sung một lượng các thiết bị dạy học còn thiếu chưa kịp đầu tư trong các nhà trường.
Cũng qua khảo sát 100% giáo viên được hỏi thì hiện nay chưa có bộ thí nghiệm dùng để khảo sát chuyển động thẳng đều, chuyển động thẳng biến đổi đều bằng cách xác định vận tốc tại rất nhiều vị trí tiến triển theo thời gian, thí nghiệm khảo sát định luật bảo toàn động lượng và thí nghiệm xác định li độ chuyển động của vật để khảo sát dao động điều hoà và dao động tắt dần. Như vậy, chế tạo một bộ thí nghiệm tích hợp để tiến hành được tất cả các thí nghiệm trên là rất cần thiết cho việc dạy học bộ môn Vật lí hiện nay.