Giới thiệu dự án

Tình trạng suy giảm thị lực và gia tăng tỷ lệ mắc các tật khúc xạ học đường đang là thách thức y tế và giáo dục nghiêm trọng trên phạm vi toàn cầu. Theo báo cáo từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Ủy ban Phòng chống Mù lòa Quốc tế (IAPB), năm 2015 toàn cầu ghi nhận khoảng 253 triệu người suy giảm thị lực; con số này được dự báo chạm mốc 588 triệu người vào năm 2050. Tại Việt Nam, hơn 2,5 triệu người bị hạn chế thị lực (chiếm khoảng 2,83% dân số), trong đó học sinh – sinh viên chiếm tỷ trọng ngày càng cao. Một trong những nguyên nhân hàng đầu bắt nguồn từ điều kiện chiếu sáng học tập không đạt chuẩn: thiếu sáng khiến mắt phải điều tiết liên tục gây mỏi mắt, trong khi ánh sáng dư thừa hoặc chói lóa tạo ra hiện tượng ô nhiễm quang học, gây kích ứng võng mạc và suy giảm thị lực nhanh chóng.

Vấn đề đặt ra là các thiết bị đèn học thương mại hiện nay thường có mức sáng cố định hoặc sử dụng mạch điều khiển phức tạp, giá thành cao, chưa tạo điều kiện cho học sinh tiếp cận cấu trúc kỹ thuật bên trong. Mặt khác, trong bối cảnh triển khai Chương trình Giáo dục Phổ thông 2018 (Chương trình GDPT 2018), việc giảng dạy môn Khoa học Tự nhiên (KHTN) cấp Trung học Cơ sở (THCS) đòi hỏi đổi mới căn bản phương pháp giáo dục: chuyển từ truyền thụ kiến thức thụ động sang phát triển phẩm chất, năng lực thực hành thông qua mô hình giáo dục tích hợp STEM (Science - Technology - Engineering - Mathematics).

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Trúc Vy (Trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh, người hướng dẫn khoa học: ThS. Lê Hải Mỹ Ngân) đã tập trung giải quyết bài toán kép trên thông qua đề tài: Thiết kế tổ chức dạy học chủ đề "Đèn học thay đổi cường độ sáng" theo quy trình thiết kế kĩ thuật (Engineering Design Process - EDP) cho học sinh lớp 9.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  HỆ THỐNG MỤC TIÊU DỰ ÁN KHOA HỌC                       |
+-------------------------------------------------------------------------+
| 1. Kỹ thuật: Thiết kế & chế tạo mô hình đèn học DC 9V 2 mức sáng       |
| 2. Khoa học: Vận dụng Định luật Ohm và mạch nối tiếp - song song        |
| 3. Giáo dục: Xây dựng kế hoạch dạy học STEM 8 tiết chuẩn GDPT 2018      |
| 4. Đo lường: Chuẩn hóa bộ công cụ đánh giá năng lực thực nghiệm KHTN    |
+-------------------------------------------------------------------------+

Dự án xác định rõ 4 mục tiêu cốt lõi:

  1. Thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh: Chế tạo mô hình đèn bàn học sử dụng nguồn điện một chiều an toàn (Pin 9V), tích hợp 4 đèn LED siêu sáng 3W, cho phép điều chỉnh tối thiểu 2 mức công suất chiếu sáng độc lập thông qua hệ thống công tắc điều khiển.
  2. Làm chủ nền tảng giải thuật và mạch điện: Vận dụng chính xác Định luật Ohm và định luật phân nhánh cho đoạn mạch hỗn hợp để tính toán điện trở hạn dòng ($R = 3,3,\Omega$), đảm bảo LED hoạt động đúng thông số định mức ($U_{\text{đm}} = 3,5,\text{V}$, $I_{\text{đm}} = 0,6,\text{A}$) và đạt độ an toàn nhiệt.
  3. Phát triển kế hoạch dạy học định hướng STEM: Xây dựng trọn bộ hồ sơ dạy học với thời lượng 8 tiết học chính khóa kết hợp làm việc tại nhà, bám sát cấu trúc 5 hoạt động theo Công văn 5555/BGDĐT-GDTrH.
  4. Chuẩn hóa công cụ đánh giá năng lực: Xây dựng ma trận đánh giá năng lực KHTN định lượng dựa trên các chỉ số hành vi: Nhận thức KHTN (mã KH1), Tìm hiểu tự nhiên (mã KH2), và Vận dụng kiến thức, kỹ năng (mã KH3).

Dự án giới hạn phạm vi nghiên cứu trong mạch nội dung "Điện" thuộc phân môn Vật lí - KHTN lớp 9, áp dụng nguồn điện một chiều điện áp thấp ($U \le 9,\text{V}$) để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho học sinh trong quá trình thao tác chế tạo và đo đạc.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Nghiên cứu tiến hành khảo sát và so sánh các giải pháp chiếu sáng học đường hiện hành nhằm xác định khoảng trống kỹ thuật và sư phạm:

Tiêu chí so sánh Đèn sợi đốt truyền thống Đèn LED thương mại cảm ứng Mô hình Đèn học STEM DIY
Nguồn điện sử dụng AC 220V (Nguy cơ giật điện) AC 220V qua Adapter DC 12V DC 9V (An toàn cho học sinh)
Cơ chế đổi mức sáng Không đổi hoặc dùng Dimmer TRIAC Mạch điều chế độ rộng xung (PWM) Phân nhánh mạch song song - nối tiếp
Hiệu suất năng lượng Thấp ($10-15,\text{lm/W}$), tỏa nhiệt cao Cao ($80-100,\text{lm/W}$), tỏa nhiệt thấp Tối ưu ($85-90,\text{lm/W}$), tản nhiệt thụ động
Giá thành hoàn thiện $80.000 - 150.000,\text{VNĐ}$ $250.000 - 600.000,\text{VNĐ}$ $< 65.000,\text{VNĐ}$
Tính sư phạm & Tự chế Đóng kín, không tái sử dụng Mạch dán SMD, khó can thiệp Trực quan, đo đạc thông số trực tiếp

Dựa trên khung phân loại yêu cầu người dùng MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Điều chỉnh được tối thiểu 2 mức sáng phân biệt rõ ràng bằng mắt thường; nguồn điện an toàn tuyệt đối ($< 12,\text{V}$); mạch điện có điện trở hạn dòng bảo vệ LED; có chao chụp chống lóa.
  • Should have (Nên có): Cần đèn có khớp xoay cơ học gập mở đa góc độ; chi phí vật liệu tối ưu dưới mức $70.000,\text{VNĐ}$.
  • Could have (Có thể có): Khả năng tích hợp nguồn sạc pin Li-ion thay thế pin 9V dùng một lần.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Bộ vi điều khiển lập trình tự động cân chỉnh quang thông theo cảm biến môi trường (nhằm giữ nguyên độ đơn giản của chương trình KHTN lớp 9).

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc mạch điện của mô hình đèn học được thiết kế theo cấu trúc hỗn hợp (2 nhánh song song, mỗi nhánh gồm 1 điện trở bảo vệ mắc nối tiếp với 2 bóng LED siêu sáng 3W), vận hành bằng nguồn DC 9V thông qua 2 khóa chuyển mạch độc lập ($K_1, K_2$).

                      +--- [ K1 ] --- [ R1: 3.3Ω ] --- (LED 1) --- (LED 2) ---+
                      |                                                       |
[ (+) Pin 9V DC ] ----+                                                       +---- [ (-) GND ]
                      |                                                       |
                      +--- [ K2 ] --- [ R2: 3.3Ω ] --- (LED 3) --- (LED 4) ---+

Tính toán giải thuật điện tử và định cỡ linh kiện:

  1. Thông số định mức bóng đèn: Đèn LED siêu sáng 3W có $U_{\text{đm}} = 3,5 - 4,0,\text{V}$; $I_{\text{đm}} = 600 - 750,\text{mA} = 0,6 - 0,75,\text{A}$.
  2. Phương trình sụt áp trên mỗi nhánh (2 bóng LED mắc nối tiếp): $$U_{\text{2LED}} = U_{\text{LED1}} + U_{\text{LED2}} = 3,5,\text{V} + 3,5,\text{V} = 7,0,\text{V}$$
  3. Hiệu điện thế yêu cầu trên điện trở hạn dòng $R_A$ hoặc $R_B$: $$U_R = U_{\text{nguồn}} - U_{\text{2LED}} = 9,0,\text{V} - 7,0,\text{V} = 2,0,\text{V}$$
  4. Giá trị điện trở hạn dòng lý thuyết: $$R = \frac{U_R}{I_{\text{đm}}} = \frac{2,0,\text{V}}{0,6,\text{A}} \approx 3,33,\Omega$$ Lựa chọn thực tế: Chọn điện trở chuẩn công nghiệp hệ E24 có giá trị $R = 3,3,\Omega$, công suất chịu tải danh định $P_R \ge I^2 \cdot R = (0,6)^2 \cdot 3,3 = 1,188,\text{W} \rightarrow$ Chọn điện trở công suất sứ 2W hoặc 3W để chống quá nhiệt.

Danh mục Technology Stack và Phần cứng chế tạo:

  • Linh kiện bán dẫn & Quang học: 04 LED siêu sáng công suất 3W (ánh sáng trắng ấm, nhiệt độ màu $4000\text{K} - 5000\text{K}$).
  • Linh kiện thụ động: 02 Điện trở oxit kim loại $3,3,\Omega - 2\text{W}$ ($\pm 5%$).
  • Đóng cắt & Nguồn: 02 Công tắc bập bênh KCD1 2 chân (ON/OFF), 01 Đế gài pin 9V kèm dây nối, 01 Pin 9V 6F22.
  • Vật liệu cấu trúc: Bìa foam PVC cứng 5mm định hình chao đèn và đế hộp kỹ thuật; 12 que đè lưỡi gỗ chịu lực tạo khớp gập; 03 bộ bu-lông, đai ốc M4 dài 30mm.

Phương pháp luận triển khai (Methodology)

Quy trình thiết kế kỹ thuật (EDP) chuẩn NASA 6 giai đoạn được bản địa hóa thành tiến trình sư phạm 5 hoạt động học tập:

[ GĐ 1: Đặt câu hỏi (Ask) ] ------------> [ HĐ 1: Xác định vấn đề thực tiễn & Tiêu chí sản phẩm ]
[ GĐ 2: Tưởng tượng (Imagine) ] --------> [ HĐ 2: Nghiên cứu kiến thức nền (Định luật Ohm, Mạch điện) ]
[ GĐ 3: Lập kế hoạch (Plan) ] ----------> [ HĐ 3: Thiết kế mạch điện & Bảo vệ giải pháp kỹ thuật ]
[ GĐ 4: Sáng tạo (Create) ] ------------> [ HĐ 4: Thi công, chế tạo & Hiệu chỉnh mô hình ]
[ GĐ 5,6: Kiểm tra & Cải tiến ] --------> [ HĐ 5: Trưng bày, đánh giá sản phẩm & Báo cáo khoa học ]

Tiến độ dự án được quản trị chặt chẽ qua 4 mốc thời gian (Milestones):

  • Milestone 1 (Tiết 1): Tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế, lập biên bản phân công nhóm và xác định các yêu cầu kỹ thuật.
  • Milestone 2 (Tiết 2 - 3): Hoàn thành thí nghiệm khám phá định luật Ohm, xây dựng công thức mạch nối tiếp/song song trên phiếu học tập (PHT).
  • Milestone 3 (Tiết 4 - 5): Thông qua bản vẽ kỹ thuật 2D, giải trình bảng tính điện trở $R = 3,3,\Omega$ trước hội đồng lớp.
  • Milestone 4 (Tiết 6 - 8 & Tự học): Gia công hoàn thiện sản phẩm, đo kiểm thông số lux/dòng điện và nghiệm thu báo cáo.

Implementation và kết quả

Quy trình phát triển (Development Process)

Quá trình chế tạo mô hình đèn học trải qua 4 công đoạn kỹ thuật chính xác:

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                      QUY TRÌNH THI CÔNG MÔ HÌNH ĐÈN HỌC                     |
+-----------------------------------------------------------------------------+
| Bước 1: Gia công chao đèn & Đế hộp                                          |
|         - Cắt foam PVC 5mm theo kích thước 16x18cm và chao vát hình thang.  |
|         - Khoét lỗ công tắc (15x20mm) và lỗ tản nhiệt LED.                  |
| Bước 2: Chế tạo hệ khung cơ khí đa khớp                                     |
|         - Ghép 3 lớp que đè lưỡi gỗ, khoan lỗ tâm 4mm chính xác.            |
|         - Siết khóa đai ốc M4 kèm long đền cao su chống trượt góc.          |
| Bước 3: Hàn nối mạch điện tử                                                |
|         - Hàn nối tiếp cặp LED 1-2 với R1 (3.3Ω) và LED 3-4 với R2 (3.3Ω).  |
|         - Bọc gen co nhiệt cách điện tại toàn bộ mối hàn tiếp giáp.         |
| Bước 4: Tích hợp hệ thống & Kiểm thử                                        |
|         - Lắp ráp hộp đế, cố định công tắc K1, K2 và đấu nối cực pin 9V.    |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Đoạn mã Python sau đây được sử dụng để mô phỏng, tính toán tổn hao điện áp và công suất phát nhiệt trên các nhánh tải, phục vụ kiểm định thiết kế:

def calculate_led_circuit(v_source: float, v_led: float, num_leds_per_branch: int, i_target: float):
    """
    Tính toán thông số điện trở hạn dòng và công suất tỏa nhiệt Joule-Lenz.
    """
    v_led_total = v_led * num_leds_per_branch
    v_resistor = v_source - v_led_total
    
    if v_resistor <= 0:
        raise ValueError("Điện áp nguồn không đủ để kích hoạt chuỗi LED nối tiếp.")
        
    r_calculated = v_resistor / i_target
    p_resistor = (i_target ** 2) * r_calculated
    p_led_total = v_led_total * i_target
    total_power = v_source * i_target
    
    return {
        "V_drop_R (V)": round(v_resistor, 2),
        "R_theoretical (Ohm)": round(r_calculated, 2),
        "P_loss_R (W)": round(p_resistor, 3),
        "P_useful_LED (W)": round(p_led_total, 3),
        "Efficiency (%)": round((p_led_total / total_power) * 100, 2)
    }

# Chạy mô phỏng cho nhánh 1 (Nguồn 9V, 2 LED 3.5V, Dòng 0.6A)
results = calculate_led_circuit(v_source=9.0, v_led=3.5, num_leds_per_branch=2, i_target=0.6)
for param, val in results.items():
    print(f"{param}: {val}")
# Output: V_drop_R: 2.0V | R_theoretical: 3.33 Ohm | P_loss_R: 1.2W | P_useful_LED: 4.2W | Efficiency: 77.78%

Thử nghiệm và Đánh giá (Testing & Validation)

Hệ thống được tiến hành đo kiểm thực tế bằng đồng hồ vạn năng số (DMM Sanwa CD800a) và thiết bị đo độ rọi (Luxmeter Testo 540) tại khoảng cách mặt bàn tiêu chuẩn 40cm:

Mức hoạt động Trạng thái công tắc Dòng tiêu thụ ($I_{\text{mạch}}$) Điện áp LED ($U_{\text{LED}}$) Độ rọi trung tâm ($E_{\text{lux}}$) Đánh giá thị lực
Mức 0 (Tắt) $K_1$ OFF, $K_2$ OFF $0,00,\text{A}$ $0,00,\text{V}$ $0,\text{lx}$ Nghỉ ngơi
Mức 1 (Dịu) $K_1$ ON, $K_2$ OFF $0,59,\text{A}$ $3,48,\text{V}$ $340,\text{lx}$ Đọc sách, làm việc màn hình
Mức 2 (Sáng) $K_1$ ON, $K_2$ ON $1,18,\text{A}$ $3,47,\text{V}$ $680,\text{lx}$ Viết, vẽ chi tiết kỹ thuật

Kết quả đo kiểm khẳng định: Mức 1 đạt độ rọi $340,\text{lx}$ (đáp ứng tiêu chuẩn chiếu sáng lớp học TCVN 7114-1:2008 từ $300 - 500,\text{lx}$); Mức 2 kích hoạt toàn bộ 4 bóng LED đạt $680,\text{lx}$, phục vụ các tác vụ thị giác đòi hỏi độ tương phản cao mà không gây chói cục bộ nhờ chao tán xạ.

Đổi mới và đóng góp

  1. Đổi mới kỹ thuật phân cấp quang học không dùng vi xử lý: Đề tài loại bỏ các mạch hạ áp PWM xung đắt tiền hoặc biến trở công suất (vốn sinh nhiệt lớn và tuổi thọ ngắn), thay vào đó ứng dụng cấu trúc mạch phân nhánh song song độc lập. Giải pháp này giúp kiểm soát chính xác điểm làm việc Q của LED trên đường đặc tuyến V-I mà vẫn bảo toàn hiệu suất truyền dẫn năng lượng ($\eta = 77,78%$).
  2. So sánh với các giải pháp tiền nhiệm:
    • So với mô hình biến trở nối tiếp truyền thống: Giảm thiểu $60%$ năng lượng hao phí vô công tỏa ra môi trường dưới dạng nhiệt.
    • So với hệ thống đèn học thương mại vỏ kín: Cung cấp khả năng trực quan hóa $100%$ các điểm đo kiểm điện áp ($V$) và dòng điện ($A$), hỗ trợ học sinh thực hành đo lường ngay trên mô hình thực.
  3. Đóng góp về mặt phương pháp dạy học STEM: Xây dựng ma trận tích hợp 4 thành tố STEM rõ ràng trong một chủ đề thực tiễn:
[ KHOA HỌC (Science) ]       --> Bản chất dòng điện, Định luật Ohm, Sự suy giảm thị lực & Quang học.
[ CÔNG NGHỆ (Technology) ]    --> Đèn LED bán dẫn, Kỹ thuật đo dòng/áp bằng DMM, Tiêu chuẩn chiếu sáng.
[ KĨ THUẬT (Engineering) ]   --> Quy trình thiết kế kĩ thuật EDP, Cắt ghép bao hình, Hàn lắp ráp vi mạch.
[ TOÁN HỌC (Mathematics) ]   --> Giải hệ phương trình mạch điện, Tính diện tích/thể tích hộp đế và góc gập.

Ứng dụng thực tế và triển khai

  • Tình huống ứng dụng thực tiễn: Mô hình được thiết kế nhằm triển khai trực tiếp trong các phòng thực hành KHTN khối 9, các không gian sáng chế (Makerspace) trường THCS, và các câu lạc bộ Robotics - STEM ngoại khóa.
  • Chiến lược mở rộng quy mô (Scalability):
    • Quy mô lớp học: Đóng gói thành "STEM Kit Đèn Học Tự Chế" với toàn bộ phôi vật liệu đã được cắt laser chuẩn hóa, giúp rút ngắn thời gian chuẩn bị của giáo viên xuống còn 15 phút.
    • Mở rộng công nghệ: Dễ dàng nâng cấp mạch nguồn bằng cách bổ sung module sạc pin Lithium TP4056 cổng Type-C và mạch Boost DC-DC MT3608 để chuyển đổi sang nguồn pin sạc 3,7V 18650 có thể tái sử dụng hàng trăm chu kỳ.
  • Phân tích chi phí - lợi ích (Cost-Benefit Analysis):
+-----------------------------------------------------------------------------+
|                   BẢNG TỔNG HỢP CHI PHÍ VẬT LIỆU CHO 1 BỘ SẢN PHẨM          |
+-----------------------------------------------------------------------------+
| 1. Đèn LED siêu sáng 3W (x4)             : 16.000 VNĐ (4.000 VNĐ/cái)       |
| 2. Điện trở công suất 3.3Ω 2W (x2)       :  2.000 VNĐ (1.000 VNĐ/cái)       |
| 3. Công tắc bập bênh KCD1 (x2)           :  6.000 VNĐ (3.000 VNĐ/cái)       |
| 4. Pin vuông 9V và đế pin                : 15.000 VNĐ/bộ                    |
| 5. Bìa foam PVC 5mm, que gỗ, ốc vít M4   : 18.000 VNĐ/bộ                    |
| 6. Vật tư phụ (dây điện, thiếc hàn, keo) :  5.000 VNĐ                       |
+-----------------------------------------------------------------------------+
| TỔNG CHI PHÍ HOÀN THIỆN                  : 62.000 VNĐ / sản phẩm            |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Với mức kinh phí chỉ $62.000,\text{VNĐ}$, mô hình tiết kiệm hơn $75%$ so với việc trang bị các bộ thí nghiệm thương mại nhập khẩu, hoàn toàn phù hợp với ngân sách giáo dục của các trường công lập hiện nay.

Hạn chế và hướng phát triển

  1. Hạn chế kỹ thuật:
    • Sử dụng pin 9V dùng một lần dung lượng thấp ($\sim 400-500,\text{mAh}$) dẫn đến thời gian chiếu sáng liên tục ở Mức 2 bị giới hạn trong khoảng $25-30$ phút trước khi sụt áp.
    • Một phần năng lượng ($1,2,\text{W}$) vẫn bị tiêu hao dưới dạng nhiệt trên hai điện trở $3,3,\Omega$.
  2. Hướng phát triển và nghiên cứu tiếp theo:
    • Tích hợp mạch nguồn xung Buck/Boost hiệu suất cao ($> 90%$) kết hợp bộ cảm biến quang trở (LDR) để tự động điều chỉnh độ sáng đèn theo ánh sáng phòng.
    • Xây dựng hệ thống học liệu số hóa (E-learning), video hướng dẫn từng bước và mô phỏng 3D trên nền tảng Tinkercad Circuits để học sinh có thể tự học và thử nghiệm ảo trước khi thao tác phần cứng.

Đối tượng hưởng lợi

  • Học sinh THCS: Được tự tay chế tạo một sản phẩm thực tế có thể sử dụng hằng ngày, hiểu sâu bản chất định luật Ohm qua số liệu đo thực tế thay vì học vẹt công thức lý thuyết; gia tăng $45%$ mức độ hứng thú học tập đối với phân môn Vật lí.
  • Giáo viên Khoa học Tự nhiên: Tiếp cận được một giáo án STEM hoàn chỉnh, có cấu trúc sư phạm rõ ràng bám sát Công văn 5555/BGDĐT-GDTrH, giải quyết bài toán thiếu hụt thiết bị thực hành trong chương trình mới.
  • Nhà trường và Cơ sở Giáo dục: Giảm thiểu chi phí đầu tư phòng lab thực hành, thúc đẩy phong trào đổi mới sáng tạo khoa học kỹ thuật (KHKT) trong học sinh.
  • Các nhà nghiên cứu Lý luận dạy học: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm chuẩn mực về quy trình đánh giá năng lực tích hợp trong dạy học liên môn.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật tối thiểu để chế tạo mô hình đèn học này là gì?

Học sinh cần nắm vững các kỹ năng cơ bản gồm: đọc sơ đồ nguyên lý mạch điện đơn giản, thao tác tuốt dây điện, sử dụng mỏ hàn chì hoặc xoắn nối bọc gen cách điện an toàn, sử dụng kéo/dao rọc giấy để cắt bìa foam PVC và sử dụng đồng hồ vạn năng số để đo điện áp ($U$) và cường độ dòng điện ($I$).

2. Tại sao lại chọn giá trị điện trở $3,3,\Omega$ mà không phải là $5,\Omega$ hay $10,\Omega$?

Theo tính toán từ định luật Ohm: Nguồn pin 9V cấp cho 2 bóng LED nối tiếp (mỗi bóng cần $3,5,\text{V}$, tổng $7,\text{V}$) để lại độ sụt áp trên điện trở là $U_R = 9 - 7 = 2,\text{V}$. Để LED sáng đúng công suất định mức ở dòng $I = 0,6,\text{A}$, điện trở bắt buộc phải là $R = \frac{U_R}{I} = \frac{2}{0,6} \approx 3,33,\Omega$. Nếu chọn điện trở $5,\Omega$ hoặc $10,\Omega$, dòng điện qua LED sẽ bị giảm xuống dưới $0,4,\text{A}$, làm đèn sáng rất yếu; ngược lại nếu $R < 3,\Omega$, dòng điện vượt ngưỡng sẽ gây cháy bóng LED.

3. Có thể thay thế nguồn pin 9V bằng củ sạc điện thoại 5V được không?

Được, nhưng phải thay đổi thiết kế mạch điện. Vì củ sạc 5V có điện áp thấp hơn ngưỡng $7,\text{V}$ của 2 LED mắc nối tiếp, toàn bộ 4 bóng LED sẽ phải chuyển sang mắc song song hoàn toàn. Khi đó, mỗi bóng LED sẽ đi kèm một điện trở hạn dòng riêng biệt: $$R = \frac{5,\text{V} - 3,5,\text{V}}{0,6,\text{A}} = 2,5,\Omega$$ (chọn trở $2,7,\Omega - 2\text{W}$). Củ sạc 5V cần có dòng đầu ra tối thiểu là $2,4,\text{A}$.

4. Thiết bị có đảm bảo an toàn điện cho học sinh THCS trong lớp học không?

Tuyệt đối an toàn. Toàn bộ hệ thống vận hành ở điện áp DC 9V (nằm sâu dưới ngưỡng điện áp nguy hiểm là 48V theo TCVN). Không có nguy cơ giật điện hay điện giật gây chấn thương, rất lý tưởng cho môi trường giáo dục phổ thông.

5. Dự án này có thể tích hợp đánh giá những chỉ số năng lực KHTN nào theo CT GDPT 2018?

Dự án đánh giá trực tiếp 3 nhóm chỉ số năng lực cốt lõi:

  • KH1.2 & KH1.4: Trình bày và phân tích được nguyên lý hoạt động của mạch điện hỗn hợp thông qua sơ đồ.
  • KH2.2 & KH2.3: Lập kế hoạch, lắp ráp mạch điện và ghi lại dữ liệu đo đạc cường độ dòng điện chính xác.
  • KH3.1 & KH3.2: Vận dụng công thức định luật Ohm để giải quyết bài toán chống cận thị và tối ưu chi phí thiết bị.

Kết luận

Đề tài khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Trúc Vy đã hiện thực hóa thành công mô hình giáo dục STEM ứng dụng trong nhà trường phổ thông thông qua chủ đề "Đèn học thay đổi cường độ sáng". Dự án không chỉ dừng lại ở việc tạo ra một sản phẩm cơ điện tử học đường có giá trị sử dụng thực tiễn cao, chi phí tối ưu ($62.000,\text{VNĐ}$) và an toàn tuyệt đối, mà còn đóng góp một bộ hồ sơ sư phạm chuẩn mực 8 tiết học, tích hợp đầy đủ công cụ đánh giá năng lực người học theo chuẩn Chương trình GDPT 2018. Đây chính là minh chứng rõ nét cho việc kết hợp hài hòa giữa kiến thức hàn lâm Vật lí với tư duy kỹ thuật công nghệ, góp phần đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao sẵn sàng tiếp cận cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0.