Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Chương trình giáo dục phổ thông (GDPT) 2018 tại Việt Nam đánh dấu sự chuyển đổi căn bản từ phương thức truyền thụ kiến thức đơn thuần (theo chương trình GDPT 2006) sang phát triển phẩm chất và năng lực người học, đặc biệt coi trọng thực hành và vận dụng thực tiễn. Trong cơ cấu môn học, Khoa học tự nhiên là môn học mang bản chất thực nghiệm, yêu cầu học sinh được trực tiếp tìm hiểu, khám phá thế giới tự nhiên thông qua quan sát và thí nghiệm. Do đó, thiết bị và học cụ dạy học giữ vai trò là phương tiện hỗ trợ sư phạm giúp tăng tính tương tác, phát triển kỹ năng thao tác thực nghiệm và tư duy sáng tạo của người học.

Tuy nhiên, tại nhiều cơ sở giáo dục, đặc biệt là các trường thuộc khu vực vùng sâu, vùng xa, điều kiện cơ sở vật chất còn hạn chế, dẫn đến thực trạng thiếu thốn phòng học bộ môn và thiết bị thí nghiệm chuyên dụng. Mặc dù trước đó đã có một số mô hình học cụ được nghiên cứu như máy phát điện gió tạo hiệu điện thế 5V của Phạm Lê Gia Dũng (2020), hệ thống lọc nước biển và sấy thực phẩm bằng năng lượng mặt trời của Huỳnh Kim Ly (2017), hoặc các sản phẩm thương mại như robot vẽ tranh, xe pin mặt trời, nhưng các thiết bị này thường có giá thành cao, cấu tạo phức tạp, tính liên kết bài học còn rời rạc và khó tự chế tạo tại cơ sở. Xuất phát từ bối cảnh đó, khóa luận của tác giả Lê Trần Gia Linh (Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, 2024) tập trung giải quyết bài toán chế tạo thiết bị dạy học tự làm tối ưu về chi phí và khả thi trong triển khai.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm 03 nội dung:

  1. Chế tạo học cụ chuyển hóa nhiệt năng thành điện năng để ứng dụng trong dạy học chủ đề "Năng lượng và sự biến đổi" thuộc môn Khoa học tự nhiên 6 theo định hướng phát triển tư duy thiết kế của học sinh.
  2. Giúp học sinh phân biệt được bản chất giữa hai hiện tượng nhiệt điện: hiệu ứng Peltier và hiệu ứng Seebeck.
  3. Hỗ trợ giáo viên và học sinh có thể tự chế tạo học cụ từ các vật liệu phổ thông, phục vụ giảng dạy trực quan tại lớp học.

Nhiệm vụ nghiên cứu được thể hiện qua câu hỏi nghiên cứu: "Có những cách thức nào đơn giản để chế tạo học cụ chuyển hoá nhiệt năng thành điện năng ứng dụng cho dạy học chủ đề khoa học 'Năng lượng và sự biến đổi' mà ứng dụng hiệu ứng Peltier và Seebeck?"

  • Đối tượng nghiên cứu: Bộ học cụ chuyển hóa năng lượng phù hợp cho dạy học chủ đề "Năng lượng và sự biến đổi" môn Khoa học tự nhiên 6.
  • Không gian nghiên cứu: Phòng thực hành vật lí đại cương nâng cao, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 07/2023 đến tháng 04/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên nền tảng lý thuyết nhiệt điện học và lý luận dạy học kỹ thuật, gồm:

  1. Hiệu ứng Seebeck (1821): Hiện tượng xuất hiện một hiệu điện thế (suất điện động nhiệt điện) trong mạch kín gồm hai dây kim loại hoặc chất bán dẫn khác nhau khi hai mối nối được duy trì ở hai mức nhiệt độ chênh lệch. Dưới tác động nhiệt, các electron tự do ở đầu nóng có động năng lớn hơn sẽ khuếch tán về đầu lạnh, làm đầu nóng tích điện dương và đầu lạnh tích điện âm.
  2. Hiệu ứng Peltier (1834): Quá trình nhiệt điện đảo ngược của Seebeck. Khi cho dòng điện một chiều đi qua mối nối giữa hai vật liệu khác nhau, nhiệt lượng sẽ được hấp thụ ở một mặt và giải phóng ở mặt còn lại do sự tương tác giữa điện tích di chuyển với các ion trong mạng tinh thể.
    • Nhiệt lượng tỏa ra: $Q = R \cdot I^2$
    • Nhiệt Peltier: $Q_p = P \cdot q = P \cdot I \cdot t$
    • Hệ số Peltier: $P = \alpha \cdot T$ (với $\alpha$ là hệ số Seebeck, $T$ là nhiệt độ tính theo Kelvin).
  3. Cấu tạo tế bào nhiệt điện Peltier (sò nóng lạnh): Gồm các cặp chất bán dẫn loại P và loại N mắc nối tiếp về điện nhưng song song về nhiệt, kẹp giữa hai bản gốm cách điện dẫn nhiệt $Al_2O_3$ (Alumina trioxide). Khi ứng dụng tạo điện năng, module cần giải pháp tản nhiệt mặt lạnh bằng khối nhôm tản nhiệt và keo tản nhiệt (chứa Oxit kẽm - Zinc oxide và Silicon) nhằm duy trì độ chênh lệch nhiệt độ không vượt quá ngưỡng hư hại $70 - 80^\circ\text{C}$.
  4. Quy trình thiết kế kỹ thuật (EDP - Engineering Design Process): Vận dụng mô hình 7 bước trong giáo dục STEM để thiết kế học cụ: Xác định vấn đề $\rightarrow$ Nghiên cứu kiến thức $\rightarrow$ Phát triển các giải pháp/bản thiết kế $\rightarrow$ Lựa chọn giải pháp $\rightarrow$ Chế tạo/Thực hiện $\rightarrow$ Kiểm tra và đánh giá $\rightarrow$ Cải tiến.

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm:

  • Phương pháp nghiên cứu lý luận: Phân tích Chương trình GDPT môn Khoa học tự nhiên ban hành kèm Thông tư 32/2018/TT-BGDĐT, sách giáo khoa lớp 6 và các tài liệu chuyên ngành về nhiệt điện.
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Thiết kế, lắp ráp, đo đạc điện áp đầu ra qua 3 chu kỳ cải tiến mô hình và thử nghiệm 4 dạng nguồn cấp nhiệt.
  • Phương pháp tham vấn chuyên gia: Khảo sát định lượng và định tính ý kiến của 10 giáo viên THCS tại địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh từ ngày 16/4/2024 đến ngày 22/4/2024.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm vật lý nhiệt điện và phân tích cấu trúc linh kiện nhiệt điện:

  • Phân tích bản chất đối lập nhưng thuận nghịch giữa hiệu ứng Seebeck (chuyển đổi chênh lệch nhiệt thành điện thế EMF) và hiệu ứng Peltier (chuyển đổi dòng điện thành chênh lệch nhiệt).
  • Khái quát thông số của 6 dòng sò nóng lạnh trên thị trường; cấu trúc vật liệu bán dẫn P-N liên kết bằng bản kim loại dẫn điện và tấm ốp gốm.
  • Khẳng định tính ưu việt của vật liệu bán dẫn so với kim loại trong ứng dụng nhiệt điện (hệ số Seebeck của bán dẫn đạt hàng trăm microvolt/Kelvin, cao hơn nhiều so với vài microvolt/Kelvin của kim loại thuần).
  • Xác lập vai trò của nhôm tản nhiệt và keo tản nhiệt silicon-oxit kẽm trong việc hạ nhiệt mặt lạnh, bảo vệ tế bào bán dẫn không vượt ngưỡng chịu nhiệt tối đa.

Chương 2: Nghiên cứu chế tạo học cụ chuyển hoá nhiệt năng thành điện năng

Chương này trình bày toàn bộ tiến trình áp dụng quy trình EDP để hiện thực hóa sản phẩm nhằm đáp ứng 03 yêu cầu cần đạt (YCCĐ) của mạch nội dung "Năng lượng và sự biến đổi":

  • Phiên bản 1 (23/07/2023): Sử dụng cặp dây kim loại đồng - kẽm, một đầu đốt nóng và một đầu nhúng bát nước lạnh. Kết quả: điện thế sinh ra chỉ đạt xấp xỉ $1\text{ mV}$, không đủ dòng điện làm quay động cơ quạt mini; kết cấu rườm rà, kém thẩm mỹ.
  • Phiên bản 2 (25/07/2023): Thay đổi nguyên lý, sử dụng sò nóng lạnh kẹp nhôm tản nhiệt gắn trên thân lon sữa bột có đục lỗ đối lưu $\varnothing 1\text{ cm}$, sử dụng nắp ly trà sữa làm giá treo động cơ.
    • Đánh giá vật liệu làm mát: Phương án dùng nước đá bị loại bỏ do đá tan nhanh, dễ làm chập mạch và trường học không sẵn có tủ lạnh.
    • Đánh giá nguồn nhiệt: Nến được chọn làm nguồn nhiệt tối ưu so với đèn cồn và khò gas mini nhờ tính an toàn và chi phí thấp.
Nguồn nhiên liệu Chi phí Ưu điểm Nhược điểm
Nến (Đèn cầy) Rất rẻ, dễ mua Ngọn lửa nhỏ, ít khói, dễ kiểm soát nhiệt Tỏa nhiệt chậm
Khò lửa gas mini Tầm 40.000 đ/bình Lửa mạnh, nhiệt lượng cung cấp rất lớn Dễ làm quá nhiệt gây hỏng sò Peltier
Đèn cồn Vừa phải, dễ mượn phòng thí nghiệm Nhiệt độ cháy tương đối cao Sinh muội than lớn, phát thải nhiều khí $CO_2$
  • Phiên bản 3 (20/08/2023): Cải tiến cấu trúc truyền nhiệt trực tiếp. Tác giả chuyển sang vỏ lon sữa đặc, hàn giá đỡ đặt nến và sò nóng lạnh ngay trên nắp. Để giải quyết hiện tượng ngọn nến cháy yếu do thiếu oxy, giá đỡ được bổ sung 4 chân que gỗ tạo khoảng hở phía dưới, kích hoạt hiện tượng đối lưu không khí giúp ngọn lửa cháy mạnh và ổn định. Kết quả đo điện áp đạt $1,46\text{ V}$, làm quạt mini 4 cánh quay liên tục.

Tác giả cũng tiến hành thực nghiệm các nguồn nhiệt thay thế nến:

  • Hơi nước sôi: Điện thế yếu ($0,56\text{ V}$), sụt giảm nhanh sau 30 giây, cánh quạt không quay.
  • Nước nóng tiếp xúc trực tiếp ($100^\circ\text{C}$): Cánh quạt quay ngay lập tức khi tiếp xúc bề mặt.
  • Nhiệt bức xạ mặt trời qua kính lúp hội tụ (thực hiện lúc 12h00 ngày 26/03/2024, nhiệt độ môi trường $37^\circ\text{C}$): Đo trong 90 giây ghi nhận điện áp Lần 1 đạt $61,5\text{ mV}$, Lần 2 đạt $65,9\text{ mV}$, không đủ để kích hoạt động cơ.

Kết quả khảo sát lấy ý kiến 10 giáo viên THCS (8 GV dưới 5 năm kinh nghiệm, 2 GV từ 5-15 năm kinh nghiệm) tại các trường: Ba Đình, Bình An, Chánh Hưng, Hoàng Văn Thụ, Trần Đại Nghĩa, Tân Kiên, Võ Văn Kiệt, Trần Văn Quang:

  • 100% giáo viên đánh giá học cụ phù hợp đưa vào giảng dạy và dễ thao tác đối với học sinh.
  • 80% giáo viên cho rằng học sinh có thể tự chế tạo sản phẩm tương tự; 20% cho rằng việc tự chế tạo còn gặp khó khăn đối với học sinh lớp 6.
  • 100% giáo viên đánh giá thẩm mỹ sản phẩm từ mức khá trở lên.
  • Mức độ tích hợp hoạt động dạy học: Hoạt động Hình thành kiến thức mới được đánh giá cao nhất (70%), tiếp đến là Vận dụng (20%) và Khởi động (10%).

Chương 3: Hướng dẫn sử dụng bộ học cụ thí nghiệm mạch nội dung “Năng lượng và sự biến đổi” môn Khoa học tự nhiên 6

Chương 3 thiết kế tiến trình sư phạm đưa học cụ vào thực tế:

  • Phân tích vị trí: Trong chương trình 2006, nội dung bảo toàn và chuyển hóa năng lượng được dạy ở Vật lý 9; sang chương trình GDPT 2018, nội dung này chuyển xuống lớp 6, chiếm 25% tổng thời lượng môn KHTN 6 (140 tiết/năm học).
  • Kế hoạch bài dạy minh họa: Bài "Bảo toàn năng lượng và sử dụng năng lượng" có thời lượng 5 tiết, thiết kế theo cấu trúc Công văn 5512/BGDĐT-GDTrH:
    1. Khởi động (10 phút): Khai thác câu hỏi về nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
    2. Hình thành kiến thức mới (155 phút):
      • Hoạt động 1.1: Tìm hiểu sự truyền năng lượng giữa các vật (30 phút).
      • Hoạt động 1.2: Tìm hiểu sự chuyển hóa năng lượng giữa các dạng (35 phút) — GV sử dụng bộ học cụ phiên bản 3, tách cấu tạo sò Peltier cho HS quan sát, tiến hành thí nghiệm chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng làm quay quạt mini, HS hoàn thành phiếu học tập.
      • Hoạt động 1.3: Tìm hiểu định luật bảo toàn năng lượng (30 phút) qua thí nghiệm viên bi trên máng cong.
      • Hoạt động 2: Tìm hiểu năng lượng hao phí (30 phút) — phân tích lượng nhiệt hao phí tỏa ra môi trường từ nến và khối tản nhiệt.
      • Hoạt động 3: Sử dụng năng lượng và tiết kiệm năng lượng (30 phút) qua trò chơi "Tiếp sức".
    3. Luyện tập (25 phút): Hệ thống hóa bài học bằng sơ đồ tư duy.
    4. Vận dụng (35 phút trên lớp kết hợp làm tại nhà): Phân chia lớp thành 5 nhóm (8-9 học sinh/nhóm) thực hiện dự án STEM tự chế tạo học cụ biến đổi nhiệt không dùng lửa (sử dụng nước nóng hoặc ánh sáng mặt trời), đánh giá qua bảng rubric chi tiết.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu cụ thể

  1. Chế tạo hoàn chỉnh học cụ phiên bản 3: Thiết bị tận dụng vật liệu tái chế (vỏ lon sữa đặc, nắp lon, nắp ly nhựa, que gỗ), kết hợp sò nóng lạnh Peltier, khối nhôm tản nhiệt và keo tản nhiệt. Sản phẩm vận hành ổn định dựa trên cơ chế đối lưu không khí nhờ 4 chân đế gỗ, tạo ra hiệu điện thế $1,46\text{ V}$, vận hành trực tiếp quạt điện mini.
  2. Khảo sát chuẩn hóa yêu cầu cần đạt: Dữ liệu điều tra trên 10 giáo viên THCS xác nhận năng lực đáp ứng chuẩn đầu ra của chương trình:
Yêu cầu cần đạt (YCCĐ) theo CT GDPT 2018 Số giáo viên đồng ý Tỷ lệ (%)
Nêu được sự truyền năng lượng trong một số trường hợp đơn giản trong thực tiễn 8/10 80%
Lấy ví dụ chứng tỏ năng lượng có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác, từ vật này sang vật khác 9/10 90%
Nêu được năng lượng hao phí luôn xuất hiện khi chuyển hóa/truyền năng lượng 6/10 60%
Nêu được định luật bảo toàn năng lượng và lấy được ví dụ minh họa 4/10 40%
  1. Xây dựng bộ tài liệu sư phạm hoàn chỉnh: Biên soạn giáo án 5 tiết học theo đúng quy định Công văn 5512/BGDĐT-GDTrH, đi kèm phiếu học tập và bảng tiêu chí rubric đánh giá sản phẩm STEM của học sinh.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước

  • Khắc phục nhược điểm giá thành cao, cồng kềnh của các thiết bị thương mại và các mô hình trước đây (như mô hình máy phát điện gió hay máy lọc nước năng lượng mặt trời).
  • Sử dụng các vật tư dễ tìm, chi phí thấp, cho phép các trường học thiếu thốn phòng thí nghiệm có thể tự trang bị.
  • Mô hình hóa trực quan cùng lúc ba hiện tượng vật lý: hiện tượng đối lưu chất khí, hiệu ứng Seebeck (nhiệt thành điện) và sự hao phí năng lượng qua tản nhiệt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra các điểm giới hạn cần khắc phục:

  • Nguy cơ hư hỏng linh kiện do quá nhiệt: Đốt nến liên tục trong thời gian dài khiến nhiệt độ mặt nóng vượt quá $80^\circ\text{C}$, dễ làm nứt vỡ tinh thể bán dẫn bên trong sò Peltier.
  • Tính khả thi của nguồn nhiệt thay thế: Nguồn nhiệt từ hơi nước sôi ($0,56\text{ V}$) và bức xạ mặt trời hội tụ qua kính lúp ($61,5 - 65,9\text{ mV}$) chưa tạo đủ điện thế để duy trì hoạt động của quạt.
  • Rào cản chế tạo ở học sinh: 20% giáo viên được khảo sát nhận định học sinh lớp 6 còn gặp khó khăn trong các thao tác cắt gọt kim loại và hàn ghép mạch điện nếu không có giáo viên hướng dẫn chi tiết.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

  • Khảo sát các loại vật liệu bán dẫn hoặc linh kiện nhiệt điện chuyên dụng khác để thay thế chip Peltier thông thường.
  • Tối ưu hóa cấu trúc khối tản nhiệt và vật liệu dẫn nhiệt để gia tăng hiệu suất chuyển đổi điện năng.
  • Cải tiến kết cấu cơ khí của giá đỡ nhằm kiểm soát nhiệt độ an toàn cho sò và tăng tính thẩm mỹ cho học cụ.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận mang lại giá trị thực tiễn cho các nhóm đối tượng:

  • Giáo viên môn Khoa học tự nhiên THCS: Tham khảo trực tiếp bản thiết kế kỹ thuật học cụ tự làm với chi phí thấp; áp dụng Kế hoạch bài dạy 5 tiết bài "Bảo toàn năng lượng và sử dụng năng lượng" được xây dựng chuẩn mực theo Công văn 5512/BGDĐT-GDTrH. Thiết bị cũng có thể mở rộng sử dụng cho các chủ đề "Nhiệt" và "Điện" ở môn Khoa học tự nhiên 8.
  • Sinh viên ngành Sư phạm Khoa học Tự nhiên và Sư phạm Vật lý: Sử dụng làm tài liệu tham khảo về phương pháp vận dụng quy trình thiết kế kỹ thuật (EDP) vào việc chế tạo đồ dùng dạy học; học hỏi phương pháp khảo sát chuyên gia và thiết kế công cụ đánh giá năng lực học sinh trong nghiên cứu giáo dục học.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ học cụ phiên bản 3 tạo ra hiệu điện thế bao nhiêu và sử dụng nguồn nhiệt nào?
Bộ học cụ phiên bản 3 tạo ra hiệu điện thế $1,46\text{ V}$ khi sử dụng nguồn nhiệt từ ngọn nến truyền trực tiếp vào mặt nóng của sò, kết hợp 4 chân đế gỗ hỗ trợ đối lưu không khí.

2. Vì sao tác giả không sử dụng nước đá để làm mát mặt lạnh của sò Peltier trong phiên bản 2?
Nhiệt lượng tỏa ra từ mặt nóng làm đá tan rất nhanh, không duy trì được hiệu quả tản nhiệt lâu dài và có nguy cơ làm hỏng sò; ngoài ra, đa số phòng học thông thường không trang bị tủ lạnh khiến việc chuẩn bị trở nên phức tạp.

3. Khảo sát 10 giáo viên THCS cho thấy học cụ đáp ứng tốt nhất yêu cầu cần đạt nào?
YCCĐ đạt tỷ lệ đồng thuận cao nhất là "Lấy ví dụ chứng tỏ được: Năng lượng có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác, từ vật này sang vật khác" với 9/10 giáo viên đồng ý (đạt tỷ lệ 90%).

4. Kết quả đo điện áp khi dùng ánh sáng mặt trời qua kính lúp trong 90 giây là bao nhiêu?
Thực nghiệm lúc 12h00 ngày 26/03/2024 ở điều kiện nhiệt độ môi trường $37^\circ\text{C}$ cho kết quả đo Lần 1 đạt $61,5\text{ mV}$ và Lần 2 đạt $65,9\text{ mV}$, không đủ dòng điện để làm quay cánh quạt.

5. Kế hoạch bài dạy minh họa được thiết kế cho bài học nào, trong bao nhiêu tiết?
Kế hoạch bài dạy minh họa được xây dựng cho bài "Bảo toàn năng lượng và sử dụng năng lượng" thuộc chủ đề "Năng lượng và sự biến đổi" (Khoa học tự nhiên 6), thời lượng thực hiện là 5 tiết.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Trần Gia Linh đã chế tạo thành công bộ học cụ chuyển hóa nhiệt năng thành điện năng sử dụng sò nhiệt điện Peltier và vật liệu tái chế, đạt hiệu điện thế $1,46\text{ V}$ phục vụ dạy học trực quan. Đề tài vận dụng chặt chẽ quy trình thiết kế kỹ thuật EDP qua 3 chu kỳ cải tiến thực nghiệm, đồng thời kiểm chứng tính sư phạm qua khảo sát 10 giáo viên THCS và xây dựng kế hoạch bài dạy 5 tiết chuẩn Công văn 5512/BGDĐT-GDTrH. Nghiên cứu cung cấp một giải pháp thiết bị dạy học tự làm có chi phí thấp, giàu tính ứng dụng thực tiễn cho môn Khoa học tự nhiên 6 theo định hướng phát triển năng lực của Chương trình GDPT 2018.