Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018 (Ban hành kèm theo Thông tư số 32/2018/TT-BGDĐT của Bộ Giáo dục và Đào tạo), môn Vật lí được định hướng phát triển phẩm chất và năng lực cho học sinh thông qua hoạt động thực hành, tìm tòi và khám phá thế giới tự nhiên. Môn học nhấn mạnh quan điểm tạo điều kiện cho giáo viên giúp học sinh phát triển tư duy khoa học dưới góc độ vật lý, khơi gợi sự say mê và tăng cường khả năng vận dụng tri thức vào thực tiễn đời sống. Tuy nhiên, việc giảng dạy các nội dung cơ học, cụ thể là mạch kiến thức "Động năng và Thế năng" thuộc chương trình Vật lí lớp 10, vẫn gặp nhiều khó khăn do thiếu các bộ thiết bị thí nghiệm định lượng trực quan, chính xác và có chi phí hợp lý.

Theo Danh mục thiết bị dạy học tối thiểu cấp Trung học phổ thông (Ban hành kèm theo Thông tư số 39/2021/TT-BGDĐT), bộ thí nghiệm con lắc đơn được trang bị ở mục Dụng cụ/Chủ đề Dao động (STT 08) còn tồn tại các hạn chế: chỉ có 01 cổng quang điện gắn cố định tại vị trí cân bằng, không trang bị thước đo góc cỡ lớn để quan sát trực quan góc lệch, đồng hồ đo thời gian có giá thành tương đối cao và việc điều chỉnh vị trí đo đạc trên giá đỡ thiếu tính linh hoạt. Do đó, thiết bị hiện hành chưa thể khảo sát đồng thời cơ năng tại nhiều vị trí khác nhau để kiểm chứng định luật bảo toàn cơ năng một cách thuyết phục.

Từ thực trạng trên, khóa luận tập trung giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  1. Nghiên cứu cơ sở lí luận về thí nghiệm vật lí, thí nghiệm tự tạo (TNTT) và quy trình chế tạo thiết bị dạy học tự tạo.
  2. Phân tích mục tiêu, yêu cầu cần đạt (YCCĐ) và nội dung kiến thức phần "Động năng và Thế năng" trong Chương trình môn Vật lí lớp 10 năm 2018.
  3. Thiết kế, gia công và thử nghiệm bộ thí nghiệm tự tạo "Con lắc đơn" tích hợp vi điều khiển Arduino, cảm biến quang điện và màn hình hiển thị LCD.
  4. Xây dựng kế hoạch bài dạy (giáo án) 02 tiết học có lồng ghép bộ thí nghiệm tự tạo cùng hệ thống phiếu học tập đánh giá năng lực học sinh.
  5. Tổ chức thực nghiệm sư phạm tại trường trung học phổ thông để đánh giá tính khả thi của thiết bị và hiệu quả giảng dạy đối với học sinh lớp 10.
  • Đối tượng nghiên cứu: Quá trình dạy học có sử dụng thí nghiệm tự tạo trong môn Vật lí lớp 10.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nội dung kiến thức phần "Động năng và Thế năng" (chủ đề Năng lượng cơ học) thuộc Chương trình môn Vật lí lớp 10 cấp THPT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm

Khóa luận vận dụng hệ thống lí luận dạy học vật lí và các khái niệm khoa học chuyên ngành:

  • Khái niệm thí nghiệm vật lí: Dựa trên quan điểm của Nguyễn Đức Thâm, Nguyễn Ngọc Hưng và Phạm Xuân Quế (2002), thí nghiệm vật lí là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào đối tượng của hiện thực khách quan nhằm phát hiện, kiểm tra và vận dụng tri thức mới.
  • Khái niệm và phân loại thí nghiệm tự tạo: Khóa luận tiếp thu định nghĩa của Hans-Joachim Wilke, Trần Thị Ngọc Ánh (2017) và Nguyễn Hoàng Anh (2015), phân loại TNTT thành 03 nhóm: TNTT đơn giản (vật liệu dễ tìm, gia công nhanh, phục vụ định tính), TNTT phức tạp (dụng cụ thông dụng nhưng gia công cầu kỳ) và TNTT hiện đại (kết hợp linh kiện, bo mạch điện tử, phục vụ đo đạc định lượng).
  • Yêu cầu kỹ thuật sư phạm đối với TNTT: Tổng hợp từ nghiên cứu của Nguyễn Hoàng Anh (2015) và Nguyễn Văn Phi (2019), bao gồm 04 nhóm tiêu chí: khoa học (chính xác, lặp lại được), sư phạm (phù hợp tiến trình bài học, rõ hiện tượng), thẩm mĩ và kinh tế (chi phí thấp, an toàn, dễ chế tạo và bảo quản).
  • Cơ sở vật lí học về cơ năng: Khảo sát chuyển động của con lắc đơn khối lượng $m$, chiều dài dây treo $l$ tại góc lệch cực đại $\alpha$ và vị trí cân bằng $O$ ($\alpha = 0^\circ$).
    • Thế năng trọng trường: $W_t = mgl(1 - \cos\alpha)$
    • Động năng: $W_d = \frac{1}{2}mv^2$ (với vận tốc tức thời $v = \frac{d}{\Delta t}$, trong đó $d$ là đường kính viên bi, $\Delta t$ là khoảng thời gian chắn cổng quang điện).
    • Định luật bảo toàn cơ năng: $W = W_d + W_t = \text{hằng số}$ (khi bỏ qua lực cản).
Nhóm tiêu chuẩn Tiêu chí đánh giá chi tiết
Mặt khoa học Thí nghiệm vận hành ổn định; cho hiện tượng rõ ràng; đúng bản chất vật lí; cho phép điều khiển và kiểm soát các yếu tố tác động; kết quả đo có độ tin cậy cao.
Mặt sư phạm Sử dụng linh hoạt ở nhiều giai đoạn bài dạy (mở đầu, hình thành kiến thức, củng cố); thao tác ngắn gọn, tiết kiệm thời gian tiết học; hỗ trợ phát triển năng lực tự học và tìm tòi của học sinh.
Mặt thẩm mĩ Kích thước đủ lớn để quan sát toàn lớp; hình dáng gọn gàng, màu sắc hài hòa; vật liệu gia công chắc chắn.
Mặt kinh tế & An toàn Sử dụng linh kiện phổ biến, giá thành thấp; cấu trúc mô-đun dễ tháo lắp, vận chuyển; đảm bảo an toàn điện và cơ học.

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích Chương trình giáo dục phổ thông 2018 môn Vật lí, sách giáo khoa, Thông tư 39/2021/TT-BGDĐT, các luận văn và bài báo chuyên ngành (Nguyễn Thị Thu Thủy, Nguyễn Thị Phương Linh, Lê Nhật Long, Lê Châu Đạt) để xây dựng khung tiến trình dạy học và tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị.
  2. Phương pháp thiết kế và thực nghiệm kỹ thuật: Thiết kế 3D các chi tiết khung gá, lập trình vi điều khiển Arduino UNO kết hợp cảm biến hồng ngoại, gia công lắp ráp và đo thử nghiệm sai số cơ năng tại các góc $\alpha = 25^\circ, 20^\circ, 15^\circ$.
  3. Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Tiến hành dạy thực nghiệm 02 tiết trên lớp học thực tế để kiểm chứng giả thuyết khoa học.
  4. Phương pháp thống kê toán học: Phân tích định lượng dữ liệu thực nghiệm sư phạm, thống kê tỷ lệ hoàn thành phiếu học tập, kết quả khảo sát nhận thức và điểm kiểm tra đánh giá của học sinh.

Nguồn dữ liệu

  • Dữ liệu thực nghiệm kỹ thuật: Số liệu thời gian chắn sáng $\Delta t$, vận tốc tức thời $v$, thế năng $W_t$, động năng $W_d$ và cơ năng $W$ thu được từ các lần đo thử nghiệm với các thông số: $m = 44,53\text{ g}$, $l = 69,1125\text{ cm}$.
  • Dữ liệu thực nghiệm sư phạm: Dữ liệu thu thập từ 43 học sinh lớp 10 (24 nữ, 19 nam) tại một trường THPT thuộc tỉnh Đồng Nai trong năm học 2023–2024, bao gồm sản phẩm phiếu học tập số 1, phiếu học tập số 2, phiếu khảo sát cảm nhận/khó khăn, biên bản phỏng vấn sâu 10 học sinh và điểm bài kiểm tra cá nhân.

Thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm tự tạo

Kiến trúc phần cứng và cơ khí

Bộ thí nghiệm "Con lắc đơn" tự tạo được thiết kế cải tiến nhằm khắc phục nhược điểm của bộ thiết bị tối thiểu theo Thông tư 39/2021/TT-BGDĐT. Cấu trúc tổng thể gồm 06 bộ phận chính:

  1. Trụ giá đỡ: Thân kim loại thẳng đứng kết hợp chân đế vững chắc, có thanh nhôm ngang để gắn cụm treo con lắc và các cổng quang điện.
  2. Con lắc vật lí: Viên bi kim loại khối lượng $m = 44,53\text{ g}$, gắn với sợi dây treo mảnh không giãn có chiều dài hiệu dụng $l = 69,1125\text{ cm}$ (có vạch căn chỉnh độ dài cố định).
  3. Thước đo góc cỡ lớn: Bán nguyệt chia độ gắn đồng trục tại đỉnh giá treo, giúp học sinh dễ dàng quan sát góc lệch ban đầu $\alpha$ từ mọi vị trí trong lớp học.
  4. Hệ thống cổng quang điện kép (02 cổng quang):
    • Cổng quang 1: Gắn cố định tại vị trí cân bằng của con lắc ($O, \alpha = 0^\circ$).
    • Cổng quang 2: Lắp trên khung trượt gắn vào thanh nhôm ngang, cho phép điều chỉnh linh hoạt vị trí đo dọc theo quỹ đạo chuyển động (từ $\alpha = 10^\circ$ đến $25^\circ$) thông qua ốc siết phía sau.
  5. Khung cố định cổng quang: Được thiết kế và chế tạo bằng công nghệ in 3D với kích thước khớp nối chính xác, đảm bảo tia laser của cảm biến vuông góc và quét qua đúng tâm viên bi ($d$).
  6. Hộp hiển thị thời gian: Vỏ hộp in 3D chứa bo mạch điều khiển Arduino UNO, mạch chia tín hiệu, cổng cắm giắc nối cảm biến và màn hình LCD $16\times 2$ hiển thị thời gian chắn sáng với độ phân giải mili-giây.
                        (Dây nối tín hiệu)   (Dây nối tín hiệu)
                     [ Cổng quang 1 (O) ]   [ Cổng quang 2 (M) ]
                     (Cố định tại VTCB)     (Di chuyển linh hoạt)

Hệ thống điều khiển và đo lường điện tử

  • Cảm biến và nguyên lý thu phát: Mỗi cổng quang điện sử dụng một cặp LED phát hồng ngoại và LED nhận quang đối diện nhau. Ở trạng thái tĩnh, LED thu nhận tín hiệu liên tục từ LED phát, chân tín hiệu vào vi điều khiển ở mức logic tương ứng. Khi viên bi quét qua giữa khe cảm biến, đường truyền sáng bị che khuất, vi điều khiển kích hoạt bộ đếm thời gian. Khi viên bi rời khỏi khe cảm biến, tín hiệu thu nhận trở lại bình thường, vi điều khiển ngắt bộ đếm và xuất khoảng thời gian chắn sáng $\Delta t$ ra màn hình.
  • Lập trình vi điều khiển: Chương trình nạp cho Arduino UNO sử dụng thư viện LiquidCrystal_I2C (địa chỉ giao tiếp I2C 0x27), cấu hình chân tín hiệu số nhận dữ liệu từ cảm biến cổng quang, sử dụng hàm millis() / bộ đếm thời gian để đo thời gian chắn sáng $\Delta t$ và hiển thị trực tiếp lên LCD.

Quy trình chế tạo 8 bước

Khóa luận chuẩn hóa quy trình chế tạo thiết bị dạy học tự tạo gồm 8 bước tuần tự:

Bước 1: Xác định mục tiêu dạy học (theo chuẩn YCCĐ)
Bước 2: Xác định nội dung thí nghiệm cần thiết
Bước 3: Tìm hiểu thực trạng cơ sở vật chất, thiết bị sẵn có
Bước 4: Đề xuất và lựa chọn phương án thiết kế tối ưu
Bước 5: Chuẩn bị vật tư, linh kiện điện tử và dụng cụ gia công
Bước 6: Gia công chi tiết (in 3D), lập trình và lắp ráp
Bước 7: Đo thử nghiệm, hiệu chuẩn sai số
Bước 8: Hoàn thiện sản phẩm (đảm bảo thẩm mĩ và an toàn)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lí luận của đề tài

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý luận về thí nghiệm trong dạy học vật lí ở trường phổ thông:

  • Tổng quan nghiên cứu: Điểm luận các công trình tiêu biểu về chế tạo thiết bị dạy học trong nước (Lê Nhật Long, Nguyễn Thụy Phương, Nguyễn Văn Nguyên, Lê Châu Đạt, Trần Ngọc Tiến Phát, Lê Bích Liên). Tác giả nhận định: các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào phần Chất khí, Cảm ứng điện từ, Động lượng hoặc Nhiệt học; các bộ thí nghiệm tự tạo cho phần "Động năng và Thế năng" còn rất hạn chế, thiếu thiết bị định lượng có khả năng thay đổi linh hoạt các vị trí đo.
  • Bản chất và chức năng của thí nghiệm vật lí: Phân tích 04 chức năng trọng tâm theo lí luận nhận thức: (1) Phương tiện thu nhận tri thức trực tiếp; (2) Phương tiện kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết lí thuyết; (3) Phương tiện vận dụng tri thức vào thực tiễn; (4) Bộ phận cấu thành của phương pháp nhận thức vật lí.
  • Phân loại thí nghiệm vật lí: Tổng hợp phân loại theo mục đích lí luận dạy học (thí nghiệm biểu diễn mở đầu/nghiên cứu/củng cố, thí nghiệm thực tập trực diện/thực hành/ở nhà), theo môi trường vận hành (thí nghiệm thật, thí nghiệm ảo) và theo mức độ sẵn có (thí nghiệm trang bị sẵn, thí nghiệm tự tạo).
  • Lý luận về thí nghiệm tự tạo: Làm rõ ưu điểm (trực quan, dễ chế tạo từ vật liệu phổ thông, chi phí thấp, linh hoạt) và nhược điểm (độ bền cơ học và tính thẩm mĩ hạn chế hơn thiết bị công nghiệp nếu không được gia công chuẩn xác). Xác lập bảng 04 tiêu chí yêu cầu và sơ đồ quy trình 08 bước chế tạo TNTT chuẩn hóa.

Chương 2: Xây dựng và thiết kế thí nghiệm tự tạo hỗ trợ dạy học phần Động năng và thế năng - Vật lí 10

Chương 2 trình bày chi tiết quá trình thiết kế thiết bị, thử nghiệm định lượng và xây dựng tiến trình dạy học:

  • Phân tích yêu cầu cần đạt: Xác định 02 YCCĐ trọng tâm của bài học: (1) Phân tích được sự chuyển hóa động năng và thế năng của vật trong một số trường hợp đơn giản; (2) Nêu được khái niệm cơ năng, phát biểu và vận dụng được định luật bảo toàn cơ năng trong một số trường hợp đơn giản.
  • Phương án thí nghiệm và chế tạo: Lựa chọn hệ con lắc đơn với 02 cổng quang điện (01 cố định tại VTCB $O$, 01 di chuyển được đến vị trí $M$). Mạch Arduino UNO tiếp nhận xung từ cảm biến quang, tính toán và hiển thị thời gian $\Delta t$ trên màn hình LCD. Vỏ hộp hiển thị và khung giữ cổng quang được thiết kế in 3D chính xác.
  • Thực nghiệm đo đạc và hiệu chuẩn thiết bị: Tác giả tiến hành đo lường thử nghiệm tại 03 góc lệch ban đầu khác nhau ($\alpha = 25^\circ, 20^\circ, 15^\circ$) với con lắc $m = 44,53\text{ g}$, $l = 69,1125\text{ cm}$.
Góc thả ban đầu $\alpha$ Vị trí đo Thời gian chắn $\Delta t$ (s) Vận tốc $v$ (m/s) Thế năng $W_t$ (J) Động năng $W_d$ (J) Cơ năng $W$ (J) Độ lệch cơ năng (%)
$25^\circ$ Vị trí thả $A$ - 0 0,0305 0 0,0305 -
Vị trí $M$ ($10^\circ$) 0,0208 0,967 0,0046 0,0208 0,0254 16,72%
VTCB $O$ ($0^\circ$) 0,0171 1,171 0 0,0305 0,0305 0,00%
$20^\circ$ Vị trí thả $A$ - 0 0,0191 0 0,0191 -
Vị trí $M$ ($10^\circ$) 0,0269 0,742 0,0046 0,0123 0,0169 11,52%
VTCB $O$ ($0^\circ$) 0,0216 0,927 0 0,0191 0,0191 0,00%
$15^\circ$ Vị trí thả $A$ - 0 0,0108 0 0,0108 -
Vị trí $M$ ($10^\circ$) 0,0395 0,506 0,0046 0,0057 0,0103 4,63%
VTCB $O$ ($0^\circ$) 0,0288 0,695 0 0,0108 0,0108 0,00%

Nhận xét thực nghiệm: Khi thả ở góc lớn ($\alpha = 25^\circ, 20^\circ$), lực cản không khí và sự mất mát năng lượng lớn hơn khiến sai số cơ năng tại vị trí trung gian $M$ lên tới 11–16%. Khi giảm góc thả xuống $\alpha = 15^\circ$, độ lệch cơ năng giảm xuống chỉ còn 4,63%, đảm bảo độ chính xác để học sinh rút ra kết luận về sự bảo toàn cơ năng trong điều kiện thực tế của lớp học. Đồng thời, việc căn chỉnh vị trí chùm laser quét đúng tâm viên bi là yếu tố then chốt để loại trừ sai số đo quãng đường $\Delta s = d$.

  • Xây dựng kế hoạch bài dạy: Thiết kế tiến trình dạy học bài "Sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng. Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng" (02 tiết) gồm 03 hoạt động chính:
    1. Hoạt động 1 (Mở đầu): Quan sát dao động con lắc đơn khi chưa gắn cổng quang, ôn lại công thức động năng/thế năng, nêu vấn đề về sự chuyển hóa qua lại giữa hai dạng năng lượng.
    2. Hoạt động 2 (Hình thành kiến thức): Tìm hiểu chức năng bộ thí nghiệm, xác định các bước đo; 02 nhóm học sinh tiến hành lấy số liệu trên lớp với bộ TNTT; hoàn thành Phiếu học tập số 01 (tính toán $W_d, W_t$, rút ra nhận xét chuyển hóa năng lượng); tiếp tục hoàn thành Phiếu học tập số 02 (tính tổng cơ năng tại các vị trí, phát biểu định luật bảo toàn cơ năng và giải thích nguyên nhân sai số thực nghiệm).
    3. Hoạt động 3 (Vận dụng): Giải quyết các câu hỏi định tính và bài tập định lượng vận dụng định luật bảo toàn cơ năng trong đời sống.

Chương 3: Thực nghiệm sư phạm

Chương 3 công bố kết quả triển khai thực tế kế hoạch bài dạy tại trường THPT:

  • Tổ chức thực nghiệm: Đối tượng gồm 43 học sinh lớp 10 tại một trường THPT thuộc tỉnh Đồng Nai (năm học 2023–2024). Cơ cấu mẫu: 24 nữ (55,81%), 19 nam (44,19%); phân loại học lực: 27,91% loại Giỏi, 67,44% loại Khá, 4,65% loại Trung bình.
  • Tiến trình triển khai: Dạy thực nghiệm 02 tiết học ngày 07/03/2024 có sử dụng bộ TNTT "Con lắc đơn", thu thập sản phẩm học tập (PHT 01, PHT 02) và phiếu khảo sát. Ngày 09/03/2024, tiến hành phỏng vấn sâu 10 học sinh và cho toàn bộ mẫu thực nghiệm làm bài kiểm tra cá nhân đánh giá mức độ đạt chuẩn kiến thức.
  • Đánh giá tính khả thi và hiệu quả:
    • Biểu hiện hành vi và thao tác: Học sinh tích cực tham gia đọc số liệu góc lệch $\alpha$ và thời gian $\Delta t$ trên LCD; thao tác xử lý công thức và hoàn thành phiếu học tập diễn ra thuận lợi.
    • Sản phẩm học tập: Đại đa số học sinh hoàn thành chính xác việc tính toán thế năng và động năng tại vị trí thả $A$, vị trí trung gian $M$ và vị trí cân bằng $O$; rút ra được quy luật "động năng tăng thì thế năng giảm và ngược lại", đồng thời tổng $W_d + W_t$ xấp xỉ không đổi.
    • Phỏng vấn và khảo sát cảm nhận: Học sinh phản hồi tích cực về tính trực quan của thiết bị, cho biết việc nhìn thấy số liệu thời gian thực giúp hiểu rõ bản chất bảo toàn cơ năng thay vì chỉ học công thức lý thuyết trừu tượng.
    • Kết quả bài kiểm tra cá nhân: Phản ánh học sinh nắm vững các yêu cầu cần đạt về phân tích chuyển hóa năng lượng và vận dụng định luật bảo toàn cơ năng để giải bài toán cơ học.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  1. Về mặt kỹ thuật: Chế tạo thành công bộ thí nghiệm "Con lắc đơn" tự tạo đạt độ ổn định cao, tích hợp thước đo góc cỡ lớn và hệ thống 02 cổng quang điện kết nối Arduino UNO cùng màn hình LCD $16\times 2$. Thiết bị cho phép đo đạc định lượng trực tiếp thời gian chắn sáng với độ chính xác mili-giây, xác định vận tốc tức thời và cơ năng tại các vị trí bất kỳ trên quỹ đạo dao động.
  2. Về mặt xử lý sai số: Xác lập thực nghiệm cho thấy việc lựa chọn góc thả ban đầu $\alpha = 15^\circ$ đem lại độ chính xác cao nhất (sai số cơ năng chỉ 4,63%), đồng thời chỉ ra quy luật tiêu hao năng lượng do lực cản khi thả ở góc lớn ($\alpha \ge 20^\circ$).
  3. Về mặt sư phạm: Xây dựng hoàn chỉnh kế hoạch bài dạy 02 tiết học theo định hướng phát triển năng lực, tích hợp 02 phiếu học tập (PHT 01, PHT 02) và bộ công cụ khảo sát đánh giá. Triển khai thực nghiệm thành công trên mẫu 43 học sinh lớp 10 với kết quả học tập và mức độ tiếp thu kiến thức đạt yêu cầu cần đạt của Chương trình GDPT 2018.

Đóng góp của đề tài

  • Khắc phục hạn chế của thiết bị chuẩn: Khóa luận bổ sung giải pháp kỹ thuật cho bộ thí nghiệm con lắc đơn theo Thông tư 39/2021/TT-BGDĐT bằng cách thêm cổng quang điện thứ hai có khả năng trượt linh hoạt dọc thanh giá đỡ, giúp kiểm chứng cơ năng tại vị trí bất kỳ thay vì chỉ đo duy nhất tại vị trí cân bằng.
  • Ứng dụng công nghệ giá thành thấp vào dạy học: Khai thác hiệu quả bo mạch vi điều khiển mã nguồn mở Arduino UNO và kỹ thuật in 3D, tạo ra thiết bị đo thời gian tự động có chi phí chế tạo thấp hơn nhiều so với đồng hồ đo thời gian hiện số chuyên dụng trong phòng thí nghiệm trường phổ thông.
  • Đóng góp về phương pháp luận: Chuẩn hóa quy trình 08 bước thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thí nghiệm tự tạo trong môn Vật lí, đóng vai trò tài liệu tham khảo có thể chuyển giao cho giáo viên phổ thông tự thiết kế đồ dùng dạy học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Độ chính xác quang học: Do quá trình gia công và lắp ráp khung đỡ bằng máy in 3D kết hợp thủ công, việc căn chỉnh đường truyền chùm laser của cổng quang điện để đi qua chính xác đường kính lớn nhất của viên bi ($d$) đòi hỏi sự tỉ mỉ; nếu căn lệch tâm sẽ gây sai số trong phép tính vận tốc tức thời.
  • Tiêu hao năng lượng cơ học: Thiết bị hoạt động trong môi trường không khí thực tế nên không thể loại bỏ hoàn toàn ma sát tại trục treo và lực cản khí động học, dẫn đến cơ năng tại các góc lệch lớn ($\alpha = 20^\circ, 25^\circ$) có độ lệch nhất định so với lí thuyết bảo toàn.
  • Quy mô thực nghiệm sư phạm: Nghiên cứu mới được tiến hành thực nghiệm trên phạm vi 01 lớp học gồm 43 học sinh tại 01 trường THPT thuộc tỉnh Đồng Nai trong năm học 2023–2024, chưa có điều kiện mở rộng đối chứng trên nhiều trường với các vùng miền và điều kiện cơ sở vật chất khác nhau.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiếp tục cải tiến kết cấu cơ khí của khung trượt cổng quang điện, bổ sung cơ cấu chỉnh vi động bằng ren ốc để việc định vị tia laser qua tâm viên bi đạt độ chuẩn xác tuyệt đối.
  • Nâng cấp phần mềm Arduino để tự động tính toán trực tiếp giá trị vận tốc, động năng, thế năng và cơ năng từ dữ liệu cảm biến rồi hiển thị trực tiếp lên màn hình LCD hoặc truyền dữ liệu qua máy tính/điện thoại thông minh.
  • Mở rộng ứng dụng của hệ thống đo Arduino vào các bài học cơ học khác trong chương trình Vật lí THPT như: khảo sát chuyển động ném ngang, ném xiên, va chạm mềm - va chạm đàn hồi, dao động điều hòa của con lắc lò xo.

Giá trị tham khảo

  • Đối với giáo viên Vật lí THPT: Cung cấp bản thiết kế kỹ thuật, sơ đồ nối dây vi điều khiển Arduino, mã nguồn điều khiển và kế hoạch bài dạy chi tiết kèm phiếu học tập để giáo viên có thể tự chế tạo hoặc ứng dụng trực tiếp vào tiết dạy bài "Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng" lớp 10.
  • Đối với sinh viên ngành Sư phạm Vật lí và Giáo dục STEM: Là tài liệu tham khảo hữu ích về phương pháp luận nghiên cứu khoa học giáo dục, kỹ năng ứng dụng công nghệ vi điều khiển và in 3D vào việc phát triển thiết bị dạy học tự tạo theo định hướng Chương trình GDPT 2018.
  • Đối với các cán bộ quản lý thiết bị trường học: Gợi mở giải pháp cải tiến, nâng cấp các bộ thiết bị thí nghiệm sẵn có trong phòng bộ môn nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng mà không làm phát sinh chi phí đầu tư lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ thí nghiệm tự tạo trong khóa luận giải quyết được những hạn chế cụ thể nào của bộ thí nghiệm theo Thông tư 39/2021/TT-BGDĐT?

Bộ thiết bị theo Thông tư 39/2021/TT-BGDĐT chỉ có 01 cổng quang điện cố định ở vị trí cân bằng, không có thước đo góc lớn và đồng hồ đo thời gian có giá thành cao. Bộ TNTT của tác giả đã bổ sung thước đo góc cỡ lớn gắn đồng trục, thêm cổng quang điện thứ hai di chuyển linh hoạt trên thanh đỡ để đo cơ năng tại vị trí bất kỳ, và thay thế đồng hồ đo đắt tiền bằng mạch Arduino kết hợp màn hình LCD có chi phí thấp.

2. Vi điều khiển Arduino và cổng quang điện xác định vận tốc tức thời của con lắc theo nguyên lý nào?

Khi con lắc đi qua cổng quang, viên bi che khuất tia sáng giữa LED phát và LED thu hồng ngoại. Arduino đo khoảng thời gian chắn sáng $\Delta t$ này qua bộ đếm thời gian. Do đường kính viên bi $d$ đã biết trước và đóng vai trò là quãng đường rất nhỏ $\Delta s$ mà vật đi qua trong thời gian $\Delta t$, vận tốc tức thời tại vị trí cổng quang được xác định theo công thức $v = \frac{d}{\Delta t}$.

3. Tại sao tác giả khuyến nghị cho học sinh thực hiện thí nghiệm ở góc thả ban đầu $\alpha = 15^\circ$?

Qua số liệu thử nghiệm đo lường, ở góc thả lớn ($\alpha = 25^\circ, 20^\circ$), sự mất mát năng lượng do lực cản không khí và dao động dây treo lớn làm sai số cơ năng lên đến 11,52% – 16,72%. Khi thả ở góc nhỏ $\alpha = 15^\circ$, độ lệch cơ năng giảm chỉ còn 4,63%, giúp học sinh quan sát rõ sự bảo toàn cơ năng với kết quả đo đạc chính xác và thuyết phục.

4. Mẫu thực nghiệm sư phạm của đề tài được lựa chọn và phân bổ như thế nào?

Thực nghiệm sư phạm được tiến hành trên mẫu gồm 43 học sinh lớp 10 (24 nữ, 19 nam) tại một trường THPT ở tỉnh Đồng Nai trong năm học 2023–2024. Trình độ học tập của mẫu phân bổ gồm: 27,91% học sinh loại Giỏi, 67,44% học sinh loại Khá và 4,65% học sinh loại Trung bình.

5. Tiến trình dạy học lồng ghép bộ thí nghiệm tự tạo được cấu trúc qua những hoạt động trọng tâm nào?

Tiến trình gồm 03 hoạt động: Hoạt động 1 mở đầu tạo hứng thú bằng dao động con lắc chưa gắn cổng quang để học sinh dự đoán sự chuyển hóa năng lượng; Hoạt động 2 hình thành kiến thức thông qua việc học sinh thực hành đo thời gian trên bộ TNTT, xử lý số liệu trên Phiếu học tập số 01 và 02 để rút ra khái niệm cơ năng cùng định luật bảo toàn cơ năng; Hoạt động 3 vận dụng kiến thức đã học vào các bài tập và tình huống thực tiễn.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Hoàng Thanh Thảo đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu thiết kế và chế tạo thành công bộ thí nghiệm tự tạo "Con lắc đơn" tích hợp vi điều khiển Arduino UNO, cảm biến quang điện và công nghệ in 3D nhằm phục vụ dạy học nội dung "Động năng và Thế năng" môn Vật lí lớp 10. Nghiên cứu đã chứng minh tính chính xác của thiết bị qua các phép đo thực nghiệm với sai số cơ năng chỉ 4,63% ở góc thả $15^\circ$, đồng thời chuẩn hóa quy trình 08 bước chế tạo thiết bị dạy học tự tạo. Kết quả thực nghiệm sư phạm trên 43 học sinh tại trường THPT tỉnh Đồng Nai khẳng định bộ thiết bị và tiến trình bài dạy đề xuất có tính khả thi cao, góp phần nâng cao hứng thú và phát triển năng lực thực nghiệm của học sinh theo đúng định hướng Chương trình giáo dục phổ thông 2018.