Thiết Kế Mô Hình Hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng Phục Vụ Giảng Dạy Thiên Văn Học

Luận văn tốt nghiệp văn học nghiên cứu thiết kế mô hình mặt trời trái đất mặt trăng phục vụ giảng dạy thiên văn học cho học sinh tiểu học, điều tra thực trạng, phân tích số liệu,

• Tác giả: Võ Trần Khoa Nguyên
• Người hướng dẫn: CN. Nguyễn Tấn Phát
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Sư Phạm Vật Lý
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng Trong Giảng Dạy Thiên Văn Học
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN – CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1.1. BOARD MẠCH VI XỬ LÝ ARDUINO
• 1.1.1. Tổng quan
• 1.1.2. Giới thiệu board mạch Arduino Uno
• 1.1.2.1. Thông số kỹ thuật
• 1.1.2.2. Chức năng của Arduino trong mô hình
• 1.2. CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ CÁC CẢM BIẾN LIÊN QUAN
• 1.2.1. LCD
• 1.2.1.1. Module giao tiếp I2C cho LCD
• 1.2.2. Cảm biến từ Hall sensor KY 024
• 1.2.3. ĐỘNG CƠ DC VÀ MODULE ĐIỀU KHIỂN
• 1.2.3.1. Động cơ DC một chiều
• 1.2.3.2. Module điều khiển động cơ L298
• 1.3. Lý luận dạy học bằng mô hình mô phỏng
• 1.3.1. Khái niệm phương tiện trực quan
• 1.3.2. Phương pháp dạy học trực quan
• 2. CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 2.1. THIẾT KẾ MÔ HÌNH
• 2.1.1. Sơ đồ khối quá trình thiết kế và chế tạo
• 2.1.2. Hệ bánh răng truyền động
• 2.2. CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
• 2.2.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ mô hình mô phỏng hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng
• 2.2.2. Giáo giá bộ mô hình khóa luận giáo dục học đã thực hiện
• 2.3. GỢI Ý CÁCH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TRONG DẠY HỌC
• 2.3.1. Cách thức hoạt động và cách áp dụng mô hình trong dạy học
• 2.3.2. Soạn thảo tiến trình dạy học ở cấp tiểu học một số bài có sử dụng bộ mô hình mô phỏng đã xây dựng
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Mô Hình Hệ Mặt Trời

Thiết kế mô hình hệ Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng là một phần quan trọng trong giảng dạy thiên văn học. Mô hình này không chỉ giúp học sinh hình dung rõ hơn về các thiên thể mà còn tạo điều kiện cho việc học tập trở nên sinh động và thú vị hơn. Việc sử dụng mô hình 3D trong giảng dạy thiên văn học giúp học sinh dễ dàng tiếp cận và hiểu biết về các khái niệm phức tạp như quỹ đạo, tốc độ quay và các hiện tượng thiên văn.

1.1. Lợi Ích Của Mô Hình 3D Trong Giảng Dạy

Mô hình 3D giúp học sinh dễ dàng hình dung và hiểu rõ hơn về các khái niệm thiên văn. Việc sử dụng mô hình trực quan giúp tăng cường khả năng ghi nhớ và ứng dụng kiến thức vào thực tiễn.

1.2. Các Thành Phần Của Mô Hình Hệ Mặt Trời

Mô hình hệ Mặt Trời bao gồm các thành phần chính như Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng. Mỗi thành phần có vai trò và đặc điểm riêng, giúp học sinh hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa chúng.

II. Thách Thức Trong Giảng Dạy Thiên Văn Học

Giảng dạy thiên văn học gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc truyền đạt kiến thức phức tạp cho học sinh. Nhiều giáo viên gặp khó khăn trong việc sử dụng các phương tiện dạy học hiện đại, dẫn đến việc học sinh không thể tiếp cận kiến thức một cách hiệu quả. Việc thiếu hụt tài liệu và mô hình dạy học cũng là một vấn đề lớn.

2.1. Thiếu Tài Liệu Hỗ Trợ Giảng Dạy

Nhiều giáo viên không có đủ tài liệu và mô hình hỗ trợ để giảng dạy thiên văn học. Điều này làm giảm hiệu quả giảng dạy và khả năng tiếp thu của học sinh.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Sử Dụng Công Nghệ

Giáo viên thường gặp khó khăn trong việc sử dụng công nghệ mới trong giảng dạy. Việc thiếu kỹ năng và kiến thức về công nghệ có thể làm giảm chất lượng bài giảng.

III. Phương Pháp Thiết Kế Mô Hình Hệ Mặt Trời Hiệu Quả

Để thiết kế mô hình hệ Mặt Trời hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng board mạch Arduino và các linh kiện điện tử giúp tạo ra mô hình hoạt động chính xác và sinh động. Mô hình này không chỉ giúp học sinh hiểu rõ hơn về các hiện tượng thiên văn mà còn khuyến khích sự sáng tạo và tư duy phản biện.

3.1. Sử Dụng Công Nghệ Arduino Trong Mô Hình

Board mạch Arduino giúp điều khiển các chuyển động của mô hình, từ đó tạo ra các hiện tượng thiên văn như nhật thực và nguyệt thực. Việc sử dụng công nghệ này giúp mô hình trở nên sinh động và hấp dẫn hơn.

3.2. Thiết Kế Hệ Thống Bánh Răng Truyền Động

Hệ thống bánh răng truyền động giúp mô hình hoạt động mượt mà và chính xác. Việc thiết kế này cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính chính xác trong việc mô phỏng chuyển động của các thiên thể.

IV. Ứng Dụng Mô Hình Trong Giảng Dạy Thiên Văn Học

Mô hình hệ Mặt Trời có thể được ứng dụng trong nhiều tiết học khác nhau, từ cấp tiểu học đến trung học cơ sở. Việc sử dụng mô hình này không chỉ giúp học sinh hiểu rõ hơn về thiên văn học mà còn khuyến khích sự tò mò và khám phá. Các giáo viên có thể thiết kế các bài giảng tương tác, giúp học sinh tham gia vào quá trình học tập một cách chủ động.

4.1. Thiết Kế Bài Giảng Tương Tác

Giáo viên có thể thiết kế các bài giảng tương tác sử dụng mô hình hệ Mặt Trời để giúp học sinh tham gia vào quá trình học tập. Việc này không chỉ giúp học sinh hiểu rõ hơn mà còn tạo ra sự hứng thú trong học tập.

4.2. Đánh Giá Hiệu Quả Sử Dụng Mô Hình

Đánh giá hiệu quả sử dụng mô hình trong giảng dạy là rất quan trọng. Các giáo viên cần thu thập phản hồi từ học sinh để cải thiện và điều chỉnh phương pháp giảng dạy của mình.

V. Kết Luận Về Thiết Kế Mô Hình Hệ Mặt Trời

Thiết kế mô hình hệ Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng là một công cụ hữu ích trong giảng dạy thiên văn học. Mô hình này không chỉ giúp học sinh hiểu rõ hơn về các khái niệm thiên văn mà còn khuyến khích sự sáng tạo và tư duy phản biện. Tương lai của việc giảng dạy thiên văn học sẽ ngày càng phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ và các mô hình trực quan.

5.1. Tương Lai Của Giảng Dạy Thiên Văn Học

Tương lai của giảng dạy thiên văn học sẽ phụ thuộc vào việc áp dụng công nghệ mới và các phương pháp giảng dạy sáng tạo. Việc này sẽ giúp học sinh tiếp cận kiến thức một cách hiệu quả hơn.

5.2. Khuyến Khích Sự Sáng Tạo Trong Học Tập

Khuyến khích sự sáng tạo trong học tập là rất quan trọng. Mô hình hệ Mặt Trời sẽ giúp học sinh phát triển tư duy sáng tạo và khả năng giải quyết vấn đề.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nghị quyết Hội nghị lần thứ 8 Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa XI đã đề ra yêu cầu đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo, chuyển từ lối truyền thụ một chiều, ghi nhớ máy móc sang phát triển phẩm chất, năng lực và tính chủ động của người học. Để hiện thực hóa mục tiêu này, việc trang bị và sử dụng thiết bị dạy học trực quan đóng vai trò quan trọng trong việc cụ thể hóa các kiến thức trừu tượng, đặc biệt là ở phân môn Thiên văn học thuộc chương trình Tự nhiên và Xã hội cấp tiểu học cũng như môn Vật lý cấp trung học cơ sở.

Tuy nhiên, thực tiễn dạy học nội dung thiên văn tại các trường phổ thông gặp nhiều rào cản. Học sinh chủ yếu tiếp cận kiến thức qua đọc - chép, quan sát tranh ảnh hoặc các mô hình tĩnh tự chế thô sơ vốn chỉ thể hiện được màu sắc và vị trí tĩnh. Các thiết bị thương mại hiện có trên thị trường, tiêu biểu như bộ mô hình hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng của Nhà sách Thiết bị trường học Nguyễn Tri Phương, bộc lộ các nhược điểm kỹ thuật: tỷ lệ số vòng quay của Trái Đất và Mặt Trăng chưa chuẩn xác; chưa thể hiện được quỹ đạo nghiêng 5° của Mặt Trăng và các pha Mặt Trăng; vận hành đơn giản bằng nguồn 12V–24V mà không có khả năng tương tác hay tùy biến tốc độ. Các sản phẩm nhập khẩu từ nước ngoài có giá thành cao và khó tương thích với điều kiện cơ sở vật chất trong nước.

Xuất phát từ thực trạng trên, tác giả Võ Trần Khoa Nguyên đã thực hiện khóa luận tốt nghiệp ngành Sư phạm Vật lý tại Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh với đề tài: "Thiết kế mô hình Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng phục vụ giảng dạy thiên văn học cho học sinh tiểu học và trung học cơ sở".

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm 3 nội dung cụ thể:

1. Xây dựng mô hình mô phỏng chuyển động tương đối của hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng bảo đảm tương quan kích thước, vị trí, khoảng cách và tỷ lệ tốc độ quay phù hợp cho mục đích sư phạm.
2. Tích hợp hệ thống điều khiển điện tử gồm hộp điều khiển có nút nhấn thao tác và màn hình LCD hiển thị tốc độ quay của động cơ.
3. Soạn thảo tiến trình dạy học minh họa có ứng dụng mô hình để nâng cao hiệu quả trực quan hóa trong các bài học thiên văn học ở trường phổ thông.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Vi điều khiển Arduino Uno R3 và các linh kiện điện tử phụ trợ; động cơ DC gắn hộp giảm tốc; mạch điều khiển động cơ L298; hệ thống truyền động bánh răng; lý thuyết động học chuyển động của hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng; lý luận dạy học trực quan và phương pháp mô phỏng trong giáo dục.
• Phạm vi nghiên cứu: Kiến thức thiên văn học trong chủ đề "Bầu trời và Trái Đất" thuộc chương trình Tự nhiên và Xã hội lớp 3 cấp tiểu học và chương trình Vật lý cấp trung học cơ sở.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận kết hợp giữa cơ sở lý luận dạy học bộ môn Vật lý và các nguyên lý kỹ thuật điện – cơ khí chính xác:

1. Cơ sở lý thuyết sư phạm và mô hình hóa

Tác giả vận dụng quan điểm lý luận dạy học trực quan thông qua tháp hiệu quả sử dụng phương tiện dạy học, chỉ ra rằng mức độ lĩnh hội của người học phát triển từ các hành động cụ thể trực tiếp (vật thật, thí nghiệm) đến biểu tượng trực quan (mô phỏng, hình ảnh) và cuối cùng là khái quát trừu tượng (ký hiệu, ngôn ngữ). Về mặt phương pháp mô hình, nghiên cứu tiếp cận định nghĩa của V. Stôphơ: mô hình là hệ thống phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tượng nghiên cứu để cung cấp thông tin mới về đối tượng. Trong dạy học phổ thông, mô hình vật chất động giữ vai trò cầu nối giúp học sinh hình thành biểu tượng về những hiện tượng tự nhiên không thể quan sát toàn diện ngoài thực địa.

2. Cơ sở kỹ thuật và phần mềm

• Nền tảng điều khiển vi xử lý: Sử dụng board mạch Arduino Uno R3 tích hợp vi điều khiển AVR ATmega328P vận hành với thạch anh dao động 16 MHz. Mạch sở hữu 14 chân vào/ra số (với 6 chân hỗ trợ điều chế độ rộng xung - PWM) và 6 chân tín hiệu tương tự (Analog A0–A5).
• Mạch công suất và cơ cấu chấp hành: Module mạch cầu H L298 điều khiển dòng tải cho động cơ một chiều (DC) có gắn sẵn hộp giảm tốc bánh răng để tăng mô-men xoắn và hạ vận tốc quay xuống mức quan sát trực quan.
• Module ngoại vi và cảm biến: Màn hình LCD 16x2 tích hợp mạch chuyển đổi giao tiếp I2C nhằm tiết kiệm số chân kết nối với vi điều khiển; module cảm ứng từ trường Hall KY-024 (trang bị chip bán dẫn A3141) dùng để phát hiện cực từ nam châm.
• Công cụ tính toán và thiết kế: Sử dụng phần mềm mô phỏng mạch điện tử Proteus 8 để kiểm tra mạch logic trước khi hàn lắp ráp; ứng dụng phần mềm cơ khí chuyên dụng Gearotic 3x để tính toán thông số mô-đun, số răng, khoảng cách trục và vẽ biên dạng các cặp bánh răng truyền động.

3. Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu chuyên ngành về điện tử học, vi điều khiển, cơ học truyền động bánh răng và chương trình giáo dục phổ thông.
• Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia: Tham vấn giảng viên hướng dẫn, cán bộ phòng thí nghiệm Vật lý đại cương nâng cao và giáo viên trực tiếp giảng dạy tại các trường phổ thông để hoàn thiện ý tưởng thiết kế và kịch bản sư phạm.
• Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Lắp ráp cơ khí, nạp code điều khiển vi xử lý và vận hành thử nghiệm hệ thống truyền động nhằm đo lường sai số động học thực tế so với chu kỳ thiên văn học.

---

Thiết kế và chế tạo mô hình

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tầng, kết hợp đồng bộ giữa khối chấp hành cơ khí chính xác và khối điều khiển điện tử:

1. Kiến trúc động học hệ bánh răng truyền động

Trục truyền động chính từ động cơ DC làm quay một cơ cấu tay cần mang hệ thống bánh răng hành tinh. Cơ cấu sử dụng công thức tính tỷ số truyền hệ bánh răng nhiều cấp:

$$i = \frac{Driver}{Driven} = (-1)^k \cdot \frac{\prod_{i=1}^{m} z_{driver, i}}{\prod_{j=1}^{n} z_{driven, j}}$$

Trong đó $k$ là số cặp ăn khớp ngoài; $m, n$ lần lượt là số bánh răng chủ động và bị động; $z$ là số răng tương ứng. Cơ cấu gồm các cụm bánh răng chuyên biệt:

• Bánh răng cố định $80T$ ($z=80$) đóng vai trò tâm tựa; các bánh răng trung gian $40T$ và bánh răng $57T$ nối liền trục quay động cơ để phân phối chuyển động. Khi hệ quay hết 1 vòng quanh bánh răng trung tâm $80T$, bánh răng $57T$ quay được 2 vòng ngược chiều kim đồng hồ.
• Cụm tự quay của Trái Đất: Truyền động qua cặp bánh răng kết hợp ($z=57$ và $z=32$), làm Trái Đất tự quay quanh trục $393,3$ vòng khi hoàn thành 1 vòng quay quanh Mặt Trời (tương ứng 1 năm). Sai số tỷ đối là $7,75%$ so với chu kỳ thực tế $365$ ngày. Trái Đất quay ngược chiều kim đồng hồ (từ Tây sang Đông).
• Cụm quỹ đạo Mặt Trăng: Nhận truyền động qua bánh răng $z=26$, làm Mặt Trăng quay quanh Trái Đất được $12,35$ vòng trong 1 chu kỳ Trái Đất quay quanh Mặt Trời. Sai số tỷ đối là $2,92%$ so với chu kỳ 12 tháng.
• Cụm duy trì phương trục nghiêng Trái Đất: Truyền động qua bánh răng $z=65$, khiến trục Trái Đất quay ngược lại 1 vòng theo chiều kim đồng hồ khi Trái Đất đi hết 1 vòng quỹ đạo. Cơ cấu này triệt tiêu chuyển động quay quanh trục của chính trục nghiêng, bảo đảm trục Trái Đất luôn nghiêng cố định $23,5^\circ$ về một hướng cố định trong không gian suốt chu kỳ chuyển động.

2. Cấu trúc phần cứng điều khiển và cảm biến

Hộp điều khiển trung tâm được bố trí tách biệt với thân mô hình, bao gồm:

• Board vi xử lý Arduino Uno R3: Nhận tín hiệu điều khiển từ 4 nút nhấn số (chân Digital 2, 3, 4, 5); gửi 3 xung PWM tại chân Digital 6, 7 hoặc 9 (các mức xung 50, 150, 255) đến chân EnA của mạch cầu H L298 để cấp điện áp biến thiên cho động cơ DC; gửi dữ liệu qua 2 chân giao tiếp I2C là chân A4 (SDA) và A5 (SCL) lên màn hình LCD 16x2.
• 4 nút bấm điều khiển chức năng:
  • Nút 1: Khởi động và tăng tốc động cơ theo 3 cấp độ: $20%$ (LOW), $60%$ (MEDIUM), $100%$ (HIGH).
  • Nút 2: Giảm tốc độ động cơ theo từng cấp.
  • Nút 3: Dừng toàn bộ hệ thống động cơ khẩn cấp.
  • Nút 4: Đảo chiều quay của hệ thống phục vụ việc quay ngược quan sát lại hiện tượng.
• Cơ chế cảm biến nhận diện nguyệt thực: Tích hợp 2 cảm biến từ trường Hall KY-024 kết nối vào chân Analog A0 và A1 của Arduino. Một nam châm vĩnh cửu được gắn trên thanh quay quỹ đạo Trái Đất và một nam châm gắn trên giá đỡ quỹ đạo nghiêng của Mặt Trăng. Khi xảy ra vị trí thẳng hàng Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng, cả 2 cảm biến cùng lúc nhận từ trường ngoài và kích hoạt ngắt phần mềm để hệ thống tự động phanh dừng động cơ, cho phép học sinh quan sát rõ hình thái thiên văn.

Thông số / Bộ phận	Cấu hình kỹ thuật trong mô hình	Ý nghĩa mô phỏng thiên văn
Góc nghiêng trục Trái Đất	Bố trí nghiêng cố định $23,5^\circ$ nhờ cụm bánh răng $65T$	Giải thích hiện tượng ngày đêm dài ngắn theo mùa và 4 mùa trong năm
Góc nghiêng quỹ đạo Mặt Trăng	Khung cơ khí nghiêng $20^\circ$ (so phương ngang) / $5^\circ$ (so mặt phẳng hoàng đạo)	Minh họa giao điểm hai quỹ đạo (điểm nút lên, nút xuống)
Số ngày Trái Đất tự quay/năm	$393,3$ vòng/chu kỳ (sai số $7,75%$)	Mô phỏng sự luân phiên ngày và đêm trong 1 năm
Số tháng Mặt Trăng quay/năm	$12,35$ vòng/chu kỳ (sai số $2,92%$)	Mô phỏng chu kỳ các tuần trăng và các pha Mặt Trăng
Cảm biến vị trí nguyệt thực	2 cảm biến Hall KY-024 quét 2 nam châm vĩnh cửu	Tự động dừng hệ thống khi ba thiên thể đạt vị trí sóc vọng thẳng hàng
Tốc độ truyền động động cơ	3 mức điều chế xung PWM: 50, 150, 255	Tùy biến tốc độ quan sát trực quan cho hoạt động nhóm học tập

---

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN – CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 1 trình bày tổng quan về thực trạng thiết bị dạy học thiên văn hiện hành và hệ thống hóa toàn bộ cơ sở lý luận sư phạm cùng kiến thức kỹ thuật phục vụ chế tạo. Tác giả chỉ ra các khiếm khuyết cơ học của các bộ thiết bị giáo dục sẵn có trên thị trường như bộ mô hình của Nhà sách Thiết bị trường học Nguyễn Tri Phương (thiếu chính xác về chu kỳ quay, không có quỹ đạo nghiêng và thiếu tính tương tác).

Tiếp đó, chương phân tích chi tiết cấu tạo các phần tử phần cứng:

• Bộ vi xử lý Arduino Uno R3 và vi điều khiển AVR ATmega328P.
• Module màn hình LCD 16x2 kết hợp mạch chuyển giao tiếp I2C giúp rút gọn từ 6 dây dữ liệu truyền thống xuống còn 4 dây (VCC, GND, SDA, SCL) và tích hợp biến trở điều chỉnh độ tương phản màn hình (thang giá trị từ 0 đến 250).
• Cảm biến từ Hall KY-024 hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall với chip A3141 cho phép xuất đồng thời tín hiệu tương tự (analog) và tín hiệu số (digital).
• Động cơ dòng điện một chiều DC có gắn hộp giảm tốc kết hợp module mạch cầu đôi L298 chịu dòng tối đa 2A mỗi kênh.

Về mặt lý luận sư phạm, chương dẫn giải chi tiết khái niệm phương tiện trực quan, phương pháp dạy học trực quan thông qua hình thức minh họa và trình bày, phân tích cấu trúc tháp hiệu quả sử dụng phương tiện dạy học, phân loại mô hình vật chất và mô hình lý tưởng theo lý thuyết mô hình hóa của V. Stôphơ trong bộ môn Vật lý.

CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Chương 2 là nội dung trọng tâm của khóa luận, phản ánh toàn bộ tiến trình thiết kế cơ khí, chế tạo mạch và đề xuất phương pháp ứng dụng sư phạm:

• Quy trình thiết kế và cơ cấu động học: Tác giả lập sơ đồ khối tiến trình 7 bước, sử dụng phần mềm Gearotic 3x tính toán các thông số hình học của hệ thống bánh răng ($80T$, $40T$, $57T$, $32T$, $26T$, $65T$) để giải quyết bài toán truyền động phức hợp: Trái Đất tự quay quanh trục từ Tây sang Đông với $393,3$ vòng/năm; Mặt Trăng quay quanh Trái Đất $12,35$ vòng/năm; trục Trái Đất luôn nghiêng $23,5^\circ$ theo một phương không đổi; quỹ đạo Mặt Trăng nghiêng tạo điểm nút lên (ascending node) và nút xuống (descending node).
• Lắp ráp mô hình hoàn chỉnh: Thể hiện chi tiết cấu tạo quả cầu Mặt Trời rỗng sơn đỏ tích hợp đèn pin chiếu sáng định hướng qua thấu kính tạo luồng ánh sáng; quả địa cầu Trái Đất và Mặt Trăng gắn trên hệ cần quay; cụm 2 cảm biến Hall và 2 nam châm vĩnh cửu bắt tín hiệu nguyệt thực; hộp điều khiển tích hợp màn hình LCD hiển thị 3 chế độ tốc độ điều khiển qua tín hiệu PWM.
• Đánh giá ưu điểm và hạn chế kỹ thuật: Mô hình chạy ổn định, cho phép người dùng can thiệp tốc độ quay và quan sát trực quan hiện tượng nguyệt thực toàn phần, các mùa và các pha Mặt Trăng. Tuy nhiên, hệ bánh răng chưa mô phỏng được hiện tượng nhật thực, chưa có bộ đếm ngày điện tử mà mới dựa trên tỷ số truyền lý thuyết, tính thẩm mỹ công nghiệp chưa cao.
• Ứng dụng thực tiễn sư phạm: Tác giả biên soạn chi tiết tiến trình dạy học hoàn chỉnh cho 2 giáo án thuộc chủ đề "Bầu trời và Trái Đất" trong chương trình Tự nhiên và Xã hội lớp 3:
  • Bài 63: "Ngày và đêm trên Trái Đất" (gồm 6 hoạt động: kiểm tra bài cũ; quan sát mô hình nhận diện ngày và đêm; tìm hiểu sự luân phiên ngày đêm; đo chu kỳ 24 giờ của Trái Đất; trò chơi "Ô số may mắn"; nhận xét dặn dò).
  • Bài 64: "Năm, tháng và mùa" (gồm 4 hoạt động: khởi động qua trò chơi "Nhà khoa học thông thái"; tìm hiểu chu kỳ 1 năm có 12 tháng qua mô hình; thực hành nhóm quan sát trục nghiêng và giải thích 4 mùa xuân, hạ, thu, đông; củng cố qua trò chơi "Vòng quay bốn mùa" và sản phẩm cây bốn mùa).

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương 3 tổng kết các kết quả đạt được về mặt chế tạo mô hình và xây dựng tiến trình dạy học. Tác giả khẳng định thiết bị đáp ứng các yêu cầu sư phạm về tính trực quan, độ bền và tính tương tác. Đồng thời, chương đề ra các hướng nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo: tối ưu hóa cụm bánh răng để tích hợp cơ chế mô phỏng hiện tượng nhật thực; lập trình bổ sung bộ đếm số ngày quay hiển thị trực tiếp lên LCD; thu nhỏ kích thước vỏ hộp điều khiển và cải tiến hình thức thẩm mỹ của mô hình.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật và định lượng

• Chế tạo thành công mô hình vật lý hoàn chỉnh của hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng với cơ cấu truyền động bánh răng cơ khí chính xác, dẫn động bởi 1 động cơ DC có hộp giảm tốc.
• Kiểm soát và đo lường chính xác các thông số động học của mô hình:
  • Tỷ số quay tự chuyển động của Trái Đất: $393,3$ vòng/năm, đạt sai số tỷ đối $7,75%$ so với chu kỳ chuẩn $365$ ngày.
  • Tỷ số quỹ đạo của Mặt Trăng quanh Trái Đất: $12,35$ vòng/năm, đạt sai số tỷ đối $2,92%$ so với chu kỳ chuẩn 12 tháng.
  • Trục nghiêng Trái Đất được giữ cố định ở góc $23,5^\circ$ theo một hướng duy nhất trong không gian nhờ cụm bánh răng vi sai $65T$.
• Hệ thống điều khiển tích hợp board Arduino Uno R3 điều chế 3 mức xung PWM ($50, 150, 255$) tương ứng với các mức vận tốc $20%, 60%, 100%$ công suất, có màn hình LCD 16x2 I2C hiển thị thông số và hệ thống tự động ngắt động cơ qua 2 cảm biến Hall KY-024 khi phát hiện nguyệt thực.

2. Đóng góp sư phạm và giải pháp thực tiễn

• Giải quyết bài toán trực quan hóa trong dạy học thiên văn học ở cấp tiểu học và THCS: Khắc phục nhược điểm truyền thụ trừu tượng bằng cách cung cấp một công cụ học tập trực quan sinh động, cho phép học sinh tương tác trực tiếp (điều chỉnh tốc độ, đảo chiều chuyển động, quan sát vùng sáng tối của đèn rọi Mặt Trời).
• Cung cấp tài liệu sư phạm hoàn chỉnh: Đã thiết kế tiến trình tổ chức hoạt động học tập chi tiết cho Bài 63 ("Ngày và đêm trên Trái Đất") và Bài 64 ("Năm, tháng và mùa") môn Tự nhiên và Xã hội lớp 3, tích hợp các phiếu học tập và kỹ thuật dạy học tích cực (làm việc nhóm, quan sát góc, trò chơi học tập).
• Đóng góp so với các thiết bị hiện hành: Khắc phục sự sai lệch tỷ lệ chuyển động của mô hình thương mại trên thị trường; bổ sung tính năng tự động dừng tại vị trí nguyệt thực nhờ cảm biến từ trường; chi phí chế tạo phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất của các trường phổ thông tại Việt Nam.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ rõ những điểm hạn chế kỹ thuật tồn tại trong sản phẩm thực nghiệm:

1. Cơ cấu truyền động bánh răng chưa được tối ưu hóa toàn diện, do đó mô hình mới chỉ dừng lại ở việc mô phỏng hiện tượng nguyệt thực mà chưa thể hiện được hiện tượng nhật thực.
2. Thiết bị chưa được lắp đặt hệ thống bộ đếm ngày điện tử độc lập; số ngày Trái Đất tự quay trong văn bản hiện vẫn tính toán thuần túy dựa trên lý thuyết tỷ số truyền của các cặp bánh răng.
3. Kích thước tổng thể của bộ mô hình và hộp điều khiển chưa thực sự nhỏ gọn; chất lượng gia công và độ thẩm mỹ bên ngoài còn hạn chế, chưa đạt mức hoàn thiện của sản phẩm công nghiệp.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Cải tiến và bổ sung cụm bánh răng hành tinh để tích hợp mô phỏng hiện tượng nhật thực khi Mặt Trăng che khuất ánh sáng từ Mặt Trời chiếu tới Trái Đất.
• Lập trình vi điều khiển và lắp đặt thêm cảm biến vòng quay (encoder) hoặc công tắc hành trình để xây dựng bộ đếm ngày số hóa hiển thị trực tiếp số ngày, tháng lên màn hình LCD.
• Thiết kế lại vỏ hộp điều khiển và khung đỡ cơ khí bằng công nghệ in 3D hoặc cắt laser công nghiệp nhằm tối ưu hóa kích thước, tăng độ bền cơ học và nâng cao tính thẩm mỹ phục vụ sản xuất thử nghiệm.

---

Giá trị tham khảo

Công trình mang lại giá trị tham khảo ứng dụng trong nghiên cứu và giảng dạy:

• Đối với sinh viên và học viên ngành Sư phạm Vật lý, Sư phạm Khoa học Tự nhiên, Sư phạm Tiểu học: Khóa luận là tài liệu tham khảo trong việc tự chế tạo thiết bị dạy học (đồ dùng dạy học tự làm) kết hợp liên môn STEM giữa cơ khí chế tạo, lập trình điện tử và phương pháp dạy học bộ môn.
• Đối với giáo viên phổ thông dạy môn Tự nhiên và Xã hội lớp 3 và môn Vật lý/Khoa học tự nhiên THCS: Phần thiết kế tiến trình dạy học ở Chương 2 (Bài 63 và Bài 64) cung cấp kịch bản sư phạm hoàn chỉnh, gồm hệ thống câu hỏi gợi mở, phiếu học tập và cách thức tổ chức cho học sinh thao tác với mô hình động.
• Đối với các nhà nghiên cứu thiết bị giáo dục: Các bản vẽ động học hệ bánh răng thiết kế trên Gearotic 3x và sơ đồ kết nối phần cứng Arduino – L298 – Cảm biến Hall KY-024 là cơ sở kỹ thuật để tiếp tục cải tiến, nâng cấp các dòng thiết bị mô phỏng thiên văn học phục vụ trường học.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao mô hình tính toán số ngày Trái Đất quay quanh trục trong một năm là 393,3 ngày chứ không phải 365 ngày?

Số ngày $393,3$ vòng/năm là kết quả tính toán động học từ tỷ số truyền thực tế của hệ thống bánh răng ($80T, 40T, 57T, 32T$) được lựa chọn qua phần mềm Gearotic 3x. Do giới hạn về kích thước mô-đun và số răng cơ khí khả dụng trong quá trình gia công thực tế, tác giả chấp nhận mức sai số tỷ đối là $7,75%$ so với chu kỳ chuẩn $365$ ngày nhằm bảo đảm tính nhỏ gọn và ổn định cơ học của hệ truyền động.

2. Bằng cơ chế kỹ thuật nào mà trục Trái Đất luôn giữ nguyên độ nghiêng 23,5° theo cùng một hướng trong không gian khi quay quanh Mặt Trời?

Trục Trái Đất được lắp đặt nghiêng $23,5^\circ$ trên một cơ cấu bánh răng vi sai đặc biệt có số răng $z=65$. Khi tay cần động cơ quay 1 vòng (Trái Đất quay hết 1 vòng quanh Mặt Trời), bánh răng $65T$ sẽ truyền động làm trục Trái Đất tự xoay ngược chiều đúng 1 vòng quanh chính bệ đỡ của nó. Chuyển động tự xoay ngược chiều này triệt tiêu hoàn toàn góc quay quán tính của hệ thống, giúp trục Trái Đất luôn chỉ cố định về một hướng trong không gian.

3. Cảm biến từ Hall KY-024 trên mô hình đóng vai trò gì và kích hoạt khi nào?

Mô hình sử dụng 2 cảm biến từ trường Hall KY-024 nối vào chân Analog A0 và A1 của Arduino Uno R3, kết hợp với 2 thỏi nam châm vĩnh cửu gắn trên thanh quay quỹ đạo Trái Đất và quỹ đạo Mặt Trăng. Cảm biến được dùng để phát hiện thời điểm xảy ra hiện tượng nguyệt thực toàn phần. Khi Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng cùng đi vào vị trí thẳng hàng, 2 nam châm đồng thời quét qua 2 cảm biến Hall, tín hiệu kích hoạt gửi về Arduino điều khiển ngắt mạch cầu L298 để dừng động cơ, cho phép học sinh quan sát trạng thái thiên văn.

4. Hộp điều khiển của mô hình có bao nhiêu chế độ tốc độ và được vi điều khiển điều chỉnh bằng cách nào?

Hộp điều khiển có 3 mức tốc độ được lập trình sẵn: $20%$ (LOW), $60%$ (MEDIUM) và $100%$ (HIGH). Vi điều khiển Arduino Uno R3 điều khiển các mức này bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) thông qua các chân Digital 6, 7 hoặc 9 đưa xung (tương ứng với các giá trị thanh ghi là 50, 150 và 255) tới chân kích hoạt EnA của module mạch cầu H L298 nối với động cơ DC.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Võ Trần Khoa Nguyên đã chế tạo thành công mô hình động học hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng tích hợp hệ thống điều khiển vi xử lý Arduino Uno R3 phục vụ giảng dạy môn Thiên văn học ở bậc tiểu học và trung học cơ sở. Công trình giải quyết tốt bài toán mô phỏng các hiện tượng tự nhiên phức tạp như sự luân phiên ngày đêm, bốn mùa trong năm, các pha Mặt Trăng và thời điểm nguyệt thực thông qua cơ cấu bánh răng giữ trục nghiêng $23,5^\circ$ và cảm biến từ Hall tự ngắt. Với kịch bản sư phạm thực nghiệm chi tiết cho 2 bài học môn Tự nhiên và Xã hội lớp 3, đề tài là một giải pháp thiết bị dạy học tự làm hoàn chỉnh, có giá trị ứng dụng thực tiễn trong công cuộc đổi mới phương pháp giảng dạy khoa học tự nhiên hiện nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN – CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hiện nay các mô hình thiên văn được sử dụng trên thị trường dạy học chủ yếu là bộ mô hình hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng của nhà sách thiết bị trường học Nguyễn Tri Phương. Khóa luận giáo dục học Hình 1.1: Mô hình thiên văn của nhà sách thiết bị trường học Hệ mô hình trên nhỏ gọn, tuy nhiên trên thực tế chưa quay chính xác về số vòng quay của Trái Đất, Mặt Trăng. Bên cạnh đó mô hình chưa trình bày được các pha và quỹ đạo quay của Mặt Trăng nghiêng khoảng 5°. Hệ mô hình đơn giản được cắm vào nguồn điện 12V-24V, thiếu khả năng tương tác với người sử dụng.

Ngoài ra, tại các trường học hiện nay, giáo viên và học sinh chủ yếu học tập kiến thức thiên văn qua các mô hình tự chế tạo và trang trí, thô sơ, đơn giản, tuy nhiên khó quan sát, chủ yếu cung cấp cho học sinh kiến thức về màu sắc, kích thước, vị trí của các thiên thể trong hệ Mặt Trời.2: Hình ảnh mô hình sáng tạo dạy học tại một cuộc thi tại Hà Nội. Bộ mô hình trong khóa luận của tôi dựa trên ý tưởng xây dựng một hệ cơ truyền động bằng bánh răng, cùng với trung tâm là board mạch vi xử lý điện tử nhằm nhận và phát các tín hiệu khi người sử dụng tương tác với mô hình. Bên cạnh đó mô hình Khóa luận giáo dục học sử dụng thêm các cảm biến nhằm phát hiện tượng đặc biệt xảy ra như nhật thực, nguyệt thực. Sau đây, tôi xin được phép đề cập tới các thiết bị, linh kiện sử dụng trong mô hình là board mạch Arduino, module điều khiển động cơ L298, động cơ DC, màn hình LCD, cảm biến từ Hall, nút nhấn và hệ thống bánh răng truyền chuyển động.

BOARD MẠCH VI XỬ LÝ ARDUINO 1. Tổng quan Arduino là một board mạch vi xử lý được làm sẵn và thiết kế chuyên biệt cho những người chuyên và không chuyên vẫn có thể thực hiện lập trình và thao tác điều khiển một cách dễ dàng với các thiết bị điện tử như đèn, động cơ, các cảm biến,… Arduino ra đời tại Ivrea Interaction Design Institute tại thị trấn Ivrea, nước Ý và được đặt theo tên một vị vua của nước Ý thế kỷ thứ IX [11]. Được chính thức giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ thử nghiệm và học tập cho sinh viên không chuyên, ngày nay nó đã đạt tới quy mô toàn cầu. Hàng ngàn các đồ án, dự án trên khắp thế 7 giới, trong đó có Việt Nam đều sử dụng Arduino như là trái tim hoạt động chính.

Với phần cứng được thiết kế và gia công sẵn bởi nhà sản xuất cùng với ngôn ngữ lập trình bắt nguồn từ C/C++ phổ biến và đơn giản, người dùng dễ dàng lên ý tưởng và chọn những thứ mình cần, ráp các thiết bị, nối dây vào Arduino và lập trình là có thể hoạt động được. Cùng với sự đơn giản và thuận tiện đó, điểm nổi bật Arduino là môi trường phát triển mở với vô vàn thiết bị hỗ trợ của cộng đồng, các thư viện và các phần mềm đi kèm lớn đến mức có thể xem như hệ sinh thái Arduino. Trải qua nhiều lần thay đổi và phát triển từ những mạch điện tử đơn giản sử dụng cổng RS-232 đến ngày nay là sử dụng Usb, mạch Arduino thực sự là một phần không thể thiếu dành cho học sinh, sinh viên, những người đam mê thiết kế mô hình và thiết bị điện tử. Một board mạch Arduino cung cấp cho người dùng sự tương tác đa dạng với: - Các thiết bị hiển thị (đèn, LCD, Oled,…).

Khóa - Các thiết luận bị cảm biến. giáo dục học - Động cơ. - Các module chức năng hỗ trợ.