Khóa luận tốt nghiệp sư phạm khoa học tự nhiên thiết kế và chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều sử dụng trong dạy học chủ đề điện từ của môn khoa học tự nhiên lớp 9

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp sư phạm khoa học tự nhiên thiết kế và chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều sử dụng, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải

• Tác giả: Nguyễn Minh Thiện
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Lâm Duy
• Trường học: Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Sư phạm Khoa học tự nhiên
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Máy Phát Điện Xoay Chiều Trong Dạy Học Khoa Học Tự Nhiên Lớp 9
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Cơ sở của việc thiết kế và chế tạo dụng cụ thí nghiệm sử dụng trong dạy học môn Khoa học tự nhiên
• 1.2. Tổng quan các mô hình máy phát điện xoay chiều sử dụng trong dạy học đã có trên thị trường trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỌC CỤ
• 2.1. Cơ sở thực hiện thiết kế và chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều sử dụng trong dạy học chủ đề điện từ của môn Khoa học tự nhiên
• 2.2. Thiết kế mô hình máy phát điện xoay chiều. Công cụ vẽ sử dụng trong thiết kế. Hình dạng và cấu tạo chung của mô hình
• 2.3. Thiết kế các chi tiết cụ thể của mô hình. Chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều. Thiết bị chế tạo và gia công các chi tiết của mô hình. Quá trình chế tạo, gia công các chi tiết của mô hình. Quá trình lắp ráp hoàn thiện mô hình
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Nguyên lý hoạt động
• 3.2. Kiểm tra tính năng, độ chính xác của học cụ. Kết quả khảo sát lấy ý kiến từ giáo viên về học cụ
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀO DẠY CHỦ ĐỀ ĐIỆN TỪ CỦA MÔN KHOA HỌC TỰ NHIÊN LỚP 9
• 4.1. Kế hoạch bài dạy minh họa sử dụng mô hình máy phát điện xoay chiều
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế mô hình máy phát điện xoay chiều trong dạy học

Thiết kế mô hình máy phát điện xoay chiều là một phần quan trọng trong chương trình dạy học môn Khoa học tự nhiên lớp 9. Mô hình này không chỉ giúp học sinh hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của máy phát điện mà còn khuyến khích sự sáng tạo và tư duy khoa học. Việc áp dụng mô hình này trong giảng dạy sẽ tạo ra môi trường học tập tích cực và hiệu quả.

1.1. Lợi ích của mô hình máy phát điện trong dạy học

Mô hình máy phát điện xoay chiều giúp học sinh tiếp cận kiến thức một cách trực quan. Học sinh có thể quan sát và thực hành, từ đó nâng cao khả năng ghi nhớ và hiểu biết về các khái niệm khoa học.

1.2. Các mô hình máy phát điện hiện có trên thị trường

Trên thị trường hiện có nhiều mô hình máy phát điện xoay chiều, như mô hình của thương hiệu VIETVALUE. Những mô hình này đáp ứng tốt yêu cầu giảng dạy nhưng thường có giá thành cao và kích thước lớn.

II. Vấn đề trong việc áp dụng mô hình máy phát điện trong dạy học

Mặc dù mô hình máy phát điện xoay chiều mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc áp dụng chúng trong dạy học vẫn gặp phải một số thách thức. Các giáo viên thường gặp khó khăn trong việc trang bị đầy đủ dụng cụ thí nghiệm cho học sinh.

2.1. Thiếu hụt dụng cụ thí nghiệm

Nhiều trường học chưa có đủ thiết bị thí nghiệm cần thiết để thực hiện các bài học về điện từ, dẫn đến việc học sinh không thể thực hành đầy đủ.

2.2. Khó khăn trong việc sử dụng mô hình

Giáo viên cần có kỹ năng và kiến thức vững vàng để hướng dẫn học sinh sử dụng mô hình máy phát điện một cách hiệu quả.

III. Phương pháp thiết kế mô hình máy phát điện xoay chiều hiệu quả

Để thiết kế mô hình máy phát điện xoay chiều hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và kỹ thuật hiện đại. Việc lựa chọn vật liệu và quy trình chế tạo cũng rất quan trọng.

3.1. Lựa chọn vật liệu thân thiện với môi trường

Việc sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường không chỉ giúp bảo vệ sức khỏe học sinh mà còn nâng cao ý thức bảo vệ môi trường trong quá trình học tập.

3.2. Quy trình chế tạo mô hình

Quy trình chế tạo mô hình cần được thực hiện một cách khoa học, từ khâu thiết kế đến lắp ráp, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong việc sử dụng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình máy phát điện trong dạy học

Mô hình máy phát điện xoay chiều không chỉ được sử dụng trong lớp học mà còn có thể áp dụng trong các hoạt động ngoại khóa. Điều này giúp học sinh có cơ hội thực hành và trải nghiệm thực tế.

4.1. Thí nghiệm thực tế với mô hình

Học sinh có thể thực hiện các thí nghiệm đơn giản với mô hình máy phát điện để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của điện từ.

4.2. Kết quả khảo sát từ giáo viên

Kết quả khảo sát cho thấy giáo viên đánh giá cao tính ứng dụng của mô hình máy phát điện trong việc giảng dạy môn Khoa học tự nhiên.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của mô hình máy phát điện

Mô hình máy phát điện xoay chiều có tiềm năng lớn trong việc nâng cao chất lượng dạy học môn Khoa học tự nhiên. Việc phát triển và cải tiến mô hình này sẽ giúp giáo viên và học sinh có thêm công cụ hữu ích trong quá trình học tập.

5.1. Đề xuất cải tiến mô hình

Cần nghiên cứu và phát triển thêm các mô hình máy phát điện với tính năng đa dạng hơn, phù hợp với nhu cầu giảng dạy hiện nay.

5.2. Tương lai của giáo dục STEM

Mô hình máy phát điện xoay chiều sẽ góp phần vào việc phát triển giáo dục STEM, giúp học sinh phát triển tư duy sáng tạo và kỹ năng giải quyết vấn đề.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 được xây dựng trên quan điểm phát triển phẩm chất và năng lực của người học thông qua kiến thức và kĩ năng thực hành, vận dụng vào đời sống. Môn Khoa học tự nhiên mang bản chất thực nghiệm, trong đó việc tổ chức dạy học bằng thí nghiệm, thực hành tại phòng bộ môn đóng vai trò phương tiện trực quan cốt lõi nhằm giúp học sinh tiếp cận các kiến thức khoa học trừu tượng.

Tuy nhiên, thực tế triển khai dạy học thí nghiệm trong môn Khoa học tự nhiên nói chung và mạch nội dung "Năng lượng và sự biến đổi" nói riêng tại các trường phổ thông vẫn còn nhiều hạn chế. Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ việc các cơ sở giáo dục chưa được trang bị đầy đủ mô hình thí nghiệm đồng bộ cho tất cả các bài học, các thiết bị thương mại sẵn có trên thị trường có giá thành cao, kích thước cồng kềnh, hoặc giáo viên chưa khai thác hết công năng sư phạm của học cụ.

Chủ đề "Điện từ" thuộc môn Khoa học tự nhiên lớp 9 đặt ra yêu cầu cần đạt về việc hình thành cho học sinh nhận thức về hiện tượng cảm ứng điện từ, nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều và tác dụng của dòng điện xoay chiều. Đồng thời, quá trình dạy học chủ đề này đòi hỏi kết hợp ôn tập năng lực mắc mạch điện đơn giản (đã học ở lớp 8) và giáo dục ý thức bảo vệ môi trường, sử dụng năng lượng tái tạo. Xuất phát từ bối cảnh đó, đề tài khóa luận tập trung vào nhiệm vụ thiết kế, chế tạo một mô hình máy phát điện xoay chiều nhỏ gọn, giá thành thấp, có tính trực quan cao để phục vụ giảng dạy thực nghiệm.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm:

1. Thiết kế và chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều sử dụng trong dạy học chủ đề Điện từ ở môn Khoa học tự nhiên lớp 9, đảm bảo các tiêu chuẩn về sư phạm, khoa học - kĩ thuật, kinh tế và thẩm mĩ.
2. Thực hiện thí nghiệm để học sinh rút ra kết luận: Khi số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn dây dẫn kín biến thiên thì trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng.
3. Thực hiện thí nghiệm để học sinh nêu được nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều (dòng điện luân phiên đổi chiều).
4. Tích hợp ôn tập năng lực mắc mạch điện đơn giản và phát triển phẩm chất yêu nước thông qua thái độ tích cực, chủ động tham gia các hoạt động bảo vệ thiên nhiên.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Quy trình thiết kế, chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều và phương pháp khai thác học cụ trong dạy học chủ đề Điện từ.
• Phạm vi nội dung: Mạch kiến thức chủ đề Điện từ trong chương trình môn Khoa học tự nhiên lớp 9.
• Phạm vi khảo sát: Các mô hình máy phát điện hiện có trên thị trường trong nước và khảo sát thực tế ý kiến đánh giá từ giáo viên tại một số trường trung học cơ sở trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và cơ sở khoa học của đề tài dựa trên:

• Cơ sở lý luận về dạy học thực nghiệm: Vai trò của phương pháp dạy học sử dụng thí nghiệm trong việc nâng cao tính trực quan, rèn luyện kĩ năng thực hành, phát triển năng lực giải quyết vấn đề và kết nối lý thuyết với thực tiễn.
• Hệ thống tiêu chuẩn của thiết bị dạy học tự làm: Bao gồm nhóm tiêu chí về mặt sư phạm (tính khoa học, tính trực quan, độ chính xác), nhóm tiêu chí kinh tế - kĩ thuật - xã hội (vật liệu tiến bộ, độ bền chắc, an toàn, giá thành hợp lý), và nhóm tiêu chí khoa học lao động (kích thước, khối lượng phù hợp với tầm vóc học sinh, dễ lắp ráp, dễ vận hành).
• Cơ sở vật lý cơ bản: Hiện tượng cảm ứng điện từ, Định luật Lenz (Lenzt) về chiều dòng điện cảm ứng, và Quy tắc nắm tay phải dùng để xác định chiều đường sức từ và chiều dòng điện cảm ứng trong cuộn dây.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai:

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích Chương trình GDPT 2018 môn Khoa học tự nhiên, sách giáo khoa lớp 9, các tài liệu hướng dẫn phương pháp dạy học; nghiên cứu tài liệu kỹ thuật về các phần mềm đồ họa và công nghệ gia công số (Paint, Solidworks, Tinkercad, Ultimaker Cura, Lightburn).
• Phương pháp thiết kế và gia công kỹ thuật: Ứng dụng công nghệ in 3D trên vật liệu nhựa và công nghệ cắt laser CO2 trên vật liệu mica trong suốt để gia công các chi tiết chính xác của học cụ.
• Phương pháp thực nghiệm: Vận hành thử nghiệm mô hình học cụ qua nhiều phiên bản cải tiến, kiểm tra tính năng phát điện định tính thông qua hệ thống đèn LED chỉ thị (mắc nối tiếp, mắc song song cùng cực, mắc song song ngược cực).
• Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia: Khảo sát bằng phiếu hỏi lấy ý kiến của 8 giáo viên dạy môn Khoa học tự nhiên tại 5 trường THCS/THPT trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh nhằm đánh giá tính khả thi, độ tiện dụng và hiệu quả sư phạm của học cụ.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu:

• Dữ liệu thông số kỹ thuật, giá thành linh kiện gia công chế tạo mô hình.
• Dữ liệu ghi nhận từ các bước thực nghiệm phát điện của học cụ.
• Kết quả khảo sát định lượng và định tính thu thập từ 8 giáo viên phổ thông tham gia đánh giá học cụ.

Thiết kế và chế tạo học cụ

Mô hình học cụ được thiết kế với cấu trúc cơ - điện trực quan, khung vỏ bao bọc bằng hộp mica trong suốt giúp học sinh quan sát rõ chuyển động quay của khung dây và hoạt động của bộ phận cổ góp tiếp điện bên trong.

Tên chi tiết	Vật liệu / Quy cách kỹ thuật	Nguồn gốc / Phương thức chế tạo	Giá thành ước tính (VNĐ)
Hộp khung bảo vệ	Mica trong suốt, kích thước 154 x 108 x 130 mm	Cắt laser CO2 từ tấm mica dày 5 mm	80.000
Trục quay	Thép, đường kính 3 mm, dài 20 cm	Gia công cơ khí	15.000
Cuộn dây dẫn	Dây đồng đường kính 0,2 mm (khoảng 300 g), quấn 460 vòng	Quấn quanh khung in 3D có lõi sắt	90.000
Lõi sắt khung dây	Khung sắt định hình	Gia công cắt uốn	25.000
Khung quay, bao trục, chân cài, tay quay	Nhựa in 3D	Thiết kế Tinkercad, in 3D qua phần mềm Ultimaker Cura	50.000
Vành khuyên (cổ góp)	Ống đồng dẫn khí máy lạnh	Cắt tiện, cách điện bằng gờ nhựa	20.000
Thanh quét (chổi quét)	Vỏ lon kết hợp lò xo bút bi	Gia công thủ công, gắn chân cài	10.000
Nam châm vĩnh cửu	Nam châm khối 60 x 24 x 10 mm kết hợp nam châm đen	Tận dụng phòng thí nghiệm / bổ sung	35.000
Đèn LED và dây dẫn	1 LED đỏ, 1 LED xanh lá, dây điện, đầu kẹp cá sấu	Linh kiện điện tử	15.000
Tổng chi phí chế tạo			340.000

Quy trình thiết kế và chế tạo:

1. Thiết kế đồ họa: Ý tưởng phác thảo ban đầu trên Paint; tổng thể học cụ được mô hình hóa 3D trên Solidworks; các chi tiết rời (mặt trên/dưới 154x108x5 mm, mặt bên 154x130x5 mm có lỗ luồn dây, mặt trước/sau 104x130x5 mm với các khớp gài 5x5x10 mm, bao trục, khung quay ghép đôi) được thiết kế chi tiết trên Tinkercad.
2. Gia công cắt laser và in 3D: Sử dụng phần mềm Lightburn điều khiển máy cắt laser CO2 để cắt các tấm mica hộp khung; sử dụng phần mềm Ultimaker Cura điều khiển máy in 3D để tạo khung quay, bao trục cách điện, chân cài thanh quét và tay quay siết ốc lục giác.
3. Chế tạo cuộn dây và cổ góp: Khung quay được ghép từ hai nửa ôm lấy lõi sắt, sau đó quấn 460 vòng dây đồng 0,2 mm. Hai vành khuyên bằng đồng được ép vào hai đầu bao trục có rãnh luồn dây và ngăn cách nhau bằng một gờ nhựa. Thanh quét được làm từ lá kim loại vỏ lon nối với lò xo bút bi để duy trì lực tì đàn hồi liên tục lên vành khuyên.

Quá trình cải tiến qua các phiên bản thử nghiệm:

• Hạn chế ở các phiên bản đầu: Trục thép bị trượt so với khung nhựa; trục quay bị dịch chuyển dọc trục do dùng lò xo đệm; thanh quét nguyên miếng tiếp xúc kém chập chờn; từ trường của cặp nam châm đơn chưa đủ mạnh khiến đèn LED chỉ sáng khi quay tay với tốc độ rất nhanh.
• Giải pháp hoàn thiện: Cố định trục quay và khung dây bằng keo 502 kết hợp mút xốp để đảm bảo chuyển động đồng bộ; thay thế lò xo đệm dọc trục bằng hai ống nhựa cứng cắt từ vỏ bút bi hết mực để chống xê dịch phương ngang; cải tiến thanh quét tích hợp lò xo kéo đàn hồi; gắn bổ sung hai khối nam châm đen hai bên thành hộp nhằm tăng cường từ thông, giúp việc quay nhẹ nhàng ở vận tốc vừa phải vẫn sinh ra dòng điện làm sáng rõ đèn LED.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này hệ thống hóa cơ sở lý luận về việc thiết kế và chế tạo dụng cụ thí nghiệm trong dạy học môn Khoa học tự nhiên, phân tích 3 nhóm tiêu chí bắt buộc (sư phạm, kinh tế - kĩ thuật - xã hội, khoa học lao động). Tác giả khảo sát các mô hình máy phát điện xoay chiều hiện có trên thị trường trong nước như:

• Mô hình máy phát điện 1 chiều, 2 chiều của thương hiệu VIETVALUE (mức giá tham khảo khoảng 609.000 VNĐ).
• Bộ thí nghiệm động cơ điện - máy phát điện mini MS59.
• Bộ mô hình máy phát điện xoay chiều quan sát của VIETVALUE. Đánh giá chung chỉ ra rằng các bộ thí nghiệm thương mại tuy đáp ứng được yêu cầu tạo dòng điện xoay chiều nhưng có giá thành cao, kết cấu cồng kềnh, trọng lượng nặng và khó quan sát trọn vẹn chi tiết bên trong.

Chương 2: Thiết kế và chế tạo học cụ

Nội dung chương trình bày toàn bộ quy trình công nghệ từ khâu lựa chọn vật liệu, dự toán giá thành (tổng chi phí 340.000 VNĐ), vẽ thiết kế 2D/3D bằng Solidworks và Tinkercad, đến khâu gia công thực tế bằng máy cắt laser CO2 và máy in 3D. Tác giả mô tả chi tiết kích thước các mặt hộp mica, cấu tạo lõi sắt của khung dây, bao trục nối vành khuyên, hệ thống chổi quét bằng lò xo bút bi và phân tích cụ thể các lỗi kỹ thuật phát sinh ở những phiên bản ban đầu cùng biện pháp cải tiến khắc phục để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu

Chương này tập trung vào hai nội dung cốt lõi:

1. Giải thích nguyên lý hoạt động: Khung dây quay 360° quanh từ trường được chia thành 4 giai đoạn quay (mỗi giai đoạn 90°), lấy điểm mốc khảo sát là ốc tay quay (chấm đỏ) ở hướng 3 giờ tại vị trí chuẩn bị:
   • Giai đoạn 1 (quay từ 3 giờ đến 6 giờ): Số đường sức từ qua khung dây tăng, từ trường cảm ứng chống lại sự tăng từ thông; theo quy tắc nắm tay phải, dòng điện cảm ứng chạy từ đuôi về đầu cuộn dây, làm vành khuyên ngoài đóng vai trò cực dương, vành khuyên trong là cực âm $\rightarrow$ Đèn LED xanh sáng, đèn LED đỏ tắt.
   • Giai đoạn 2 (quay từ 6 giờ đến 9 giờ): Số đường sức từ qua khung dây giảm; dòng điện cảm ứng chạy từ đầu về đuôi cuộn dây, làm vành khuyên trong là cực dương, vành khuyên ngoài là cực âm $\rightarrow$ Đèn LED đỏ sáng, đèn LED xanh tắt.
   • Giai đoạn 3 (quay từ 9 giờ đến 12 giờ): Vành khuyên trong là cực dương, vành khuyên ngoài là cực âm $\rightarrow$ Đèn LED đỏ sáng, đèn LED xanh tắt.
   • Giai đoạn 4 (quay từ 12 giờ về 3 giờ): Vành khuyên ngoài là cực dương, vành khuyên trong là cực âm $\rightarrow$ Đèn LED xanh sáng, đèn LED đỏ tắt. Kết luận: Khi quay liên tục, dòng điện cảm ứng đổi chiều luân phiên qua từng nửa vòng quay.
2. Thực nghiệm và khảo sát: Kiểm tra tính năng bằng 3 thí nghiệm định tính với đèn LED (thí nghiệm mở đầu, thí nghiệm 1 quay từng góc 90°, thí nghiệm 2 quay liên tục) và tổng hợp kết quả khảo sát từ 8 giáo viên THCS.

Chương 4: Ứng dụng mô hình máy phát điện xoay chiều vào dạy chủ đề Điện từ của môn Khoa học tự nhiên lớp 9

Tác giả cung cấp liên kết video hướng dẫn vận hành học cụ và xây dựng hoàn chỉnh Kế hoạch bài dạy (KHBD) 3 tiết bài "Hiện tượng cảm ứng điện từ và nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều" theo tiến trình 4 hoạt động:

• Hoạt động 1: Mở đầu (15 phút) - Học sinh ôn tập năng lực mắc mạch điện đơn giản (nối tiếp, song song cùng cực, song song ngược cực), quay thử nghiệm để nhận biết vấn đề nghiên cứu.
• Hoạt động 2: Hình thành kiến thức mới (80 phút) - Gồm Hoạt động 2.1 tìm hiểu hiện tượng cảm ứng điện từ và điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng thông qua thí nghiệm quay từng nấc 90°; Hoạt động 2.2 tìm hiểu nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều bằng thí nghiệm quay liên tục; Hoạt động 2.3 tìm hiểu cấu tạo và hoạt động của máy phát điện xoay chiều.
• Hoạt động 3: Luyện tập (20 phút) - Kiểm tra trắc nghiệm 15 câu trong 20 phút.
• Hoạt động 4: Vận dụng (20 phút) - Thảo luận nhóm đề xuất giải pháp phát điện mà không cần quay tay (tích hợp tư duy năng lượng tái tạo, bảo vệ môi trường) và giải pháp khắc phục hiện tượng đèn không sáng khi mắc nối tiếp.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật và vận hành:

• Đã chế tạo thành công mô hình máy phát điện xoay chiều với giá thành 340.000 VNĐ, kích thước nhỏ gọn (154 x 108 x 130 mm), vỏ mica trong suốt cho phép quan sát toàn bộ chuyển động cơ học và cấu tạo cổ góp.
• Hệ thống 2 đèn LED xanh - đỏ mắc song song ngược cực phát sáng luân phiên rõ rệt theo chu kỳ quay, chứng minh trực quan hiện tượng cảm ứng điện từ và sự đổi chiều của dòng điện xoay chiều mà không cần thiết bị đo phức tạp.

Kết quả khảo sát đánh giá từ giáo viên ($n = 8$ giáo viên tại các trường THCS Cầu Kiệu, Nguyễn Trung Trực, Độc Lập, Trần Bội Cơ, THPT-THCS Lương Thế Vinh):

Tiêu chí khảo sát	Tỷ lệ giáo viên đồng ý (%)
Tính khả thi khi đưa vào giảng dạy chương trình KHTN	100,0%
Đáp ứng yêu cầu cần đạt: Rút ra điều kiện xuất hiện dòng điện cảm ứng	100,0%
Đáp ứng yêu cầu cần đạt: Nêu nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều	100,0%
Đáp ứng yêu cầu cần đạt: Minh họa tác dụng phát sáng của dòng điện xoay chiều	100,0%
Thao tác dễ sử dụng (75% mất <30 phút; 25% mất từ 30-60 phút để làm quen)	100,0%
Đánh giá tính thẩm mỹ của học cụ (50% Thẩm mỹ cao; 50% Thẩm mỹ khá)	100,0%
Vật liệu thân thiện với môi trường và có khả năng sử dụng lâu dài	100,0%
Học cụ dễ dàng mang theo và di chuyển	100,0%
Mong muốn trang bị học cụ vào giảng dạy khi lưu thông trên thị trường	100,0%
Sự cần thiết của việc dùng hộp mica trong suốt để học sinh dễ quan sát	100,0%
Đánh giá học cụ đã ổn định, không cần cải tiến thêm	87,5%
Đề xuất cải tiến: Gắn thêm cánh quạt/tuabin gió ở mặt trước để tích hợp năng lượng tái tạo	12,5% (1 GV)

Đóng góp của nghiên cứu:

• Bổ sung vào danh mục thiết bị dạy học tự làm môn Khoa học tự nhiên một mô hình máy phát điện xoay chiều có chi phí thấp hơn đáng kể so với các sản phẩm thương mại hiện hành.
• Chuẩn hóa quy trình thiết kế và chế tạo học cụ ứng dụng công nghệ gia công số (in 3D, cắt laser), tạo tài liệu tham khảo kỹ thuật để giáo viên phổ thông có thể tự chủ động chế tạo thiết bị dạy học.
• Đóng góp một Kế hoạch bài dạy 3 tiết hoàn chỉnh theo định hướng đổi mới phương pháp dạy học thực nghiệm của Chương trình GDPT 2018.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Quy mô khảo sát thực tế còn nhỏ, chỉ dừng lại ở 8 giáo viên tại một số trường THCS trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh, chưa tổ chức dạy thực nghiệm trực tiếp trên các lớp học sinh để thu thập dữ liệu định lượng về kết quả học tập.
• Mô hình hiện tại mới chỉ tích hợp cơ cấu phát điện bằng tay quay cơ học, chưa được trang bị cụm cánh quạt tuabin gió ở mặt trước như ý kiến đóng góp của giáo viên khảo sát.

Hướng phát triển tiếp theo:

• Nghiên cứu thiết kế và lắp đặt thêm bộ phận cánh quạt tuabin gió có thể tháo lắp ở mặt trước của mô hình nhằm khai thác nguồn năng lượng gió trong các bài học về năng lượng tái tạo.
• Thiết kế thêm biến thể mô hình máy phát điện có cấu hình nam châm quay trong lòng cuộn dây dẫn đứng yên (stator cuộn dây, rotor nam châm) để đa dạng hóa hình thức thí nghiệm.
• Triển khai thực nghiệm sư phạm đối chứng trên học sinh lớp 9 để đánh giá mức độ phát triển năng lực nhận thức và kĩ năng thực hành.

Giá trị tham khảo

• Đối với sinh viên ngành Sư phạm Khoa học tự nhiên và Sư phạm Vật lí: Tài liệu cung cấp quy trình mẫu về việc kết hợp kiến thức vật lý cơ bản, kỹ năng thiết kế gia công số (in 3D, cắt laser) và phương pháp xây dựng kế hoạch bài dạy thực nghiệm theo Chương trình GDPT 2018.
• Đối với giáo viên giảng dạy môn Khoa học tự nhiên lớp 9: Cung cấp bản vẽ kỹ thuật, thông số vật liệu chi tiết để tự làm đồ dùng dạy học giá rẻ, cùng giáo án 3 tiết học chi tiết có thể áp dụng trực tiếp tại các trường trung học cơ sở.

Câu hỏi thường gặp

1. Học cụ sử dụng phương pháp nào để chứng minh trực quan dòng điện tạo ra là dòng điện luân phiên đổi chiều? Học cụ sử dụng hệ thống chỉ thị gồm 2 đèn LED màu xanh lá và màu đỏ được mắc song song nhưng ngược cực nhau, nối trực tiếp vào hai chổi quét của bộ cổ góp. Khi quay khung dây trong từ trường, ở nửa vòng đầu vành khuyên ngoài là cực dương làm đèn xanh phát sáng, ở nửa vòng tiếp theo vành khuyên trong trở thành cực dương làm đèn đỏ phát sáng. Sự phát sáng luân phiên (đèn này sáng thì đèn kia tắt) chứng minh dòng điện sinh ra liên tục đổi chiều.

2. Các nhược điểm kỹ thuật chính ở phiên bản thử nghiệm đầu tiên là gì và đã được tác giả xử lý như thế nào? Các nhược điểm ban đầu gồm: trục quay thép bị trượt so với khung nhựa; trục bị xê dịch dọc do lò xo đệm; thanh quét nguyên miếng tiếp xúc kém; từ trường yếu khiến đèn chỉ sáng khi quay rất nhanh. Tác giả đã khắc phục bằng cách: dùng keo 502 và mút xốp cố định trục với khung; thay lò xo đệm dọc trục bằng hai đoạn ống vỏ bút bi cứng; cải tiến thanh quét tích hợp lò xo bút bi tạo lực tì đàn hồi lên vành khuyên; và lắp bổ sung hai khối nam châm đen hai bên hộp để tăng từ thông.

3. Thông số kỹ thuật của cuộn dây dẫn và hộp khung bảo vệ của học cụ được chế tạo như thế nào? Cuộn dây dẫn gồm 460 vòng dây đồng có đường kính 0,2 mm (khối lượng khoảng 300 g) quấn quanh khung in 3D có lõi sắt kẹp bên trong. Hộp bảo vệ được gia công từ các tấm mica trong suốt dày 5 mm cắt bằng máy laser CO2 với kích thước phủ bì 154 x 108 x 130 mm, liên kết với nhau bằng các khớp gài kích thước 5 x 5 x 10 mm.

4. Khảo sát lấy ý kiến giáo viên được thực hiện với quy mô mẫu ra sao và ghi nhận kết quả thế nào về thời gian làm quen học cụ? Khảo sát được thực hiện trên 8 giáo viên dạy Khoa học tự nhiên tại 5 trường trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh (THCS Cầu Kiệu: 4 GV; THCS Nguyễn Trung Trực: 1 GV; THCS Độc Lập: 1 GV; THCS Trần Bội Cơ: 1 GV; THPT-THCS Lương Thế Vinh: 1 GV). Kết quả cho thấy 100% giáo viên đánh giá thao tác dễ sử dụng, trong đó 75% giáo viên chỉ mất dưới 30 phút và 25% giáo viên mất từ 30 đến 60 phút để làm quen và sử dụng thành thạo học cụ.

5. Kế hoạch bài dạy minh họa phân bổ thời lượng 3 tiết học cho những hoạt động cụ thể nào? Kế hoạch bài dạy phân bổ 3 tiết (135 phút) cho 4 hoạt động: Hoạt động 1 Mở đầu (15 phút, ôn tập mắc mạch điện); Hoạt động 2 Hình thành kiến thức mới (80 phút, chia thành 3 hoạt động nhánh: tìm hiểu hiện tượng cảm ứng điện từ 25 phút, tìm hiểu nguyên tắc tạo dòng điện xoay chiều 25 phút, tìm hiểu cấu tạo/hoạt động máy phát điện 30 phút); Hoạt động 3 Luyện tập (20 phút, làm bài trắc nghiệm 15 câu); Hoạt động 4 Vận dụng (20 phút, thảo luận giải pháp năng lượng tái tạo).

Kết luận

Khóa luận đã hoàn thành việc thiết kế và chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều phục vụ dạy học chủ đề Điện từ môn Khoa học tự nhiên lớp 9 với chi phí 340.000 VNĐ, ứng dụng công nghệ cắt laser mica và in 3D hiện đại. Mô hình thể hiện trực quan hiện tượng cảm ứng điện từ và nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều thông qua sự phát sáng luân phiên của hệ thống đèn LED chỉ thị. Đánh giá từ 8 giáo viên THCS tại TP. Hồ Chí Minh khẳng định tính khả thi 100%, thao tác đơn giản và giá trị ứng dụng cao của học cụ khi kết hợp với kế hoạch bài dạy 3 tiết được thiết kế đồng bộ theo Chương trình GDPT 2018.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TONG QUAN 1. Cơ sở của việc thiết kế va chế tạo dung cu thí nghiệm sử dung trong day học môn Khoa học tự nhiên Khoa học tự nhiên có bản chất thực nghiệm. Chính vì vậy, phương pháp dạy học sử dụng thí nghiệm là đặc trưng của môn học này. Sử dụng thí nghiệm giúp học sinh tiếp cận nội dung kiến thức một cách trực quan và sinh động, ngoài ra phương pháp nảy còn giúp học sinh phát trién các năng lực, phâm chat theo đúng định hướng đôi mới của giáo dục hiện nay.

Từ đó học sinh có thê rèn luyện được tư duy va các kĩ năng dé vận dụng được vao đời sống thực tế. Day học sứ dụng thí nghiệm trong môn Khoa học tự nhiên mang lại cho học sinh các giá trị nôi bật sau [1]. Tính trực quan, sinh động: Thí nghiệm là phương tiện trực quan giúp học sinh dễ dàng tiếp cận các lý thuyết trừu tượng thông qua việc quan sát trực tiếp các hiện tượng hoặc các quá trình biến đôi khoa học. Điều này giúp học sinh hình dung rõ hơn vẻ lý thuyết, đồng thời còn giúp học xác định các van đề hay nhiệm vụ học tập trong bài.

Kĩ năng thực hành: Thí nghiệm giúp rẻn luyện ki năng, kĩ xảo thực hanh của học sinh: từ cách học sinh sử dụng dụng cụ, thực hiện các bước thí nghiệm, đến VIỆC quan sát hiện tượng, ghi chép lại kết quả và cuối cùng là đưa ra kết luận. Đây là những kĩ nang không chỉ can thiết trong học tập ma còn rất quan trọng trong đời sông thực tế. Năng lực giải quyết vấn đề và tư duy khoa học: Thông qua thí nghiệm, học sinh có cơ hội tìm hiểu, khám phá, đặt câu hỏi vả tìm kiếm câu trả lời. Từ đó, hoạt động nhận thức của học sinh tích cực hơn.

Điều này giúp học sinh rèn luyện tư duy khoa học và phát trién năng lực giải quyết van đề một cách hiệu quả. Kết nói lý thuyết với thực tế: Thí nghiệm có vai trò là phương tiện đảm bảo tính phù hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Thông qua hoạt động thực hành, thí nghiệm, học sinh có thê hiện thực hóa những kiến thức lý thuyết đã học dựa trên các thao tác thực hành. Điều nay góp phan làm cho những lý thuyết đơn thuần trở nên thiết thực và gần gũi với thực tiền.

Bên cạnh các điểm nỗi bật trên, việc sử dụng thí nghiệm cần được bảo đảm an toàn. Khi thực hiện thí nghiệm, việc đảm bảo an toàn cho học sinh là vô cùng quan trọng. Giáo viên cần hướng dẫn học sinh cách sử dụng dụng cụ, hóa chất đúng cách, đồng thời giáo đục học sinh vẻ tầm quan trọng của việc tuân thủ các quy định an toàn trong thực hành. Một thứ không thẻ thiểu khi nói về phương pháp dạy học sử dụng thí nghiệm khi áp dụng ở môn Khoa học tự nhiên đó là dụng cụ thí nghiệm.

Đây là các phương tiện ma giáo viên sử dụng trong hoạt động dạy học, thí nghiệm. Học sinh sẽ thực hiện thao tác lên đó đề quan sát các hiện tượng. các quá trình biến đôi dé ghi nhận lại kết quả và phân tích các kết quá đó dé đưa ra những kết luận về nội dung kiến thức đang tìm hiểu. Dựa vao những dụng cụ thí nghiệm, giáo viên sẽ tô chức các hoạt động học phù hợp dé hoc sinh thực hành nhằm đạt được thành phan năng lực tìm hiểu tự nhiên tương ứng.

Do đó, khi giáo viên tự tạo ra một dụng cụ dạy học thí nghiệm không những phải nghiên cứu kĩ về mục đích sử dụng trong bai giảng, ma còn phải hiểu biết về quy trình thiết kế và chế tạo ra nó, xác định được mục đích về tính năng mà sản phẩm phải đáp ứng được. Ngoài ra, giáo viên cần phải hiểu biết về các vật liệu được sử dụng trong quá trình thực hiện chế tạo. Trong quá trình thiết kế và chế tạo, ta cần chú ý những tiêu chí về sản phẩm dụng cụ thí nghiệm [11]: 1. Các tiêu chí về mặt sư phạm: Dung lượng và chiều sâu của thông tin chứa đựng trong học cụ phải phù hợp với chương trình môn Khoa học tự nhiên; dam bảo tính khoa học và tính chính xác khi sử dụng; đảm báo tính trực quan; đáp ứng được các yêu cầu giáo dục tư tưởng, chỉnh trị, giáo dục lao động, giáo dục thâm mĩ; tạo ra được điều kiện thuận lợi để giáo viên sử dụng các phương pháp dạy học đa đạng và các hình thức dạy học tiên tiền, nâng cao tính độc lập.

tự chủ, sáng tạo ở học sinh. Các tiêu chí về kinh tế - kĩ thuật - xã hội: Sử dụng vật liệu và quy trình kĩ thuật tiễn bộ trong sản xuất, chế tao; đảm bao phù hợp với đặc điểm văn hóa, dân tộc; dam bảo khởi động nhanh, tin cậy, bên chắc; đảm bảo tính thâm mi và kĩ thuật; đơn giản, thuận tiện khi đóng gói, chuyên cho; giá thành hợp lí. Các tiêu chí về khoa học lao động: Phù hợp về kích thước, hình dáng, trọng lượng, điện tích làm việc đối với đặc điểm chức năng và tam vóc của giáo viên va học sinh; đảm bảo an toàn và vệ sinh khi sử dụng: sử dụng đơn giản, thuận tiện, dé lắp rap, điều chỉnh, bật tắt, kiểm tra, theo dõi vận hành; dé đọc, dễ nhận ra các đôi tượng, việc sắp xếp các đối tượng, mảu sắc của phông nên, độ tương phản, độ nét của các chữ cái v. tất cả đều phải thích hợp.

Những yêu tô trên tạo nên cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo dụng cụ thí nghiệm sử dung trong day học môn Khoa học tự nhiên. Tông quan các mô hình máy phát điện xoay chiều sử dụng trong dạy học đã có trên thị trường trong nước Một số bộ thí nghiệm mô hình máy phát điện xoay chiêu đùng trong đạy học đã có trên thị trường như: - Mô hình máy phát điện 1 chiều, 2 chiều của thương hiệu VIETVALUE (Hình 1.1) với mức giá 609. Mô hình máy phát điện 1 chiều, 2 chiều của thương hiệu VIETVALUE [8]. - Bộ thí nghiệm động cơ điện - may phát điện mini MSS9 (Hình 1.

Dong cơ điện - máy phát điện mini MS59 [6]. - Bộ mô hình máy phát điện xoay chiều quan sát của VIETVALUE (Hình 1. Mô hình máy phát điện xoay chiều quan sát của VIETVALUE [9]. Các mô hình máy phát điện này đều đảm bảo tốt các yêu cầu cần đạt trong chủ đề điện từ môn Khoa học tự nhiên 9.

Ngoài ra, chúng có thẻ linh hoạt tạo ra được đòng điện xoay chiều hay dong điện một chiều thy vào cau hình mà ta chọn ở bộ góp điện. Bên cạnh các điểm mạnh kẻ trên, các mô hình này có kích thước và trọng lượng tương đối lớn. cùng với việc giá thanh của mỗi bộ sản phâm Ia khá cao. CHƯƠNG 2: THIET KE VÀ CHE TẠO HỌC CỤ 2.

Cơ sở thực hiện thiết kế và chế tạo mô hình máy phát điện xoay chiều sử dung trong day học chủ đề điện từ của môn Khoa học tự nhiên Trong nội dung đề tài này, tôi sẽ thực thiết kế và chế tạo một mô hình máy phát điện xoay chiều với mục tiêu đảm bảo được việc ứng dụng học cụ vào dạy học thí nghiệm chủ dé Điện từ môn Khoa học tự nhiên 9. Một số tiêu chí của mô hình cần đặt ra trước khi thực hiện dé tài đó lả: học cụ có giá dé tiếp cận hơn những mô hình đã có trên thị trường: có tính thâm mỹ đạt mức khá trở lên; nhỏ gọn và để dàng mang theo; thao tác thực hiện đơn giản và để học cách sử dụng: có sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường va có thé sử dụng lâu dài; dé dang quan sát được hoạt động và hiện tượng khi thực hiện thí nghiệm. Đó là các tiêu chí đề tôi dựa vào nhằm lựa chọn các dụng cụ (vật liệu) và thiết kế chế tạo mô hình. Dụng cụ (vật liệu) Bảng 2.1 thẻ hiện các chỉ tiết/bộ phận của học cụ được mua hoặc tận dụng và xử lí từ những đồ đã có sẵn.

Vật liệu — giá thành của các chỉ tiết trong học cụ. Tên chỉ tiết Vật liệu Thanh trục đường kính 3mm chiều đải 20cm Hộp mica trong suốt (15x10x10cm) Cắt laser Dén led xanh la Đèn led đỏ Dau kep ca sau Lõi sắt của khung dây Lò xo bút bi (chôi quét) Nam cham kich thước Vật liệu từ 60x24x10 mm (phòng thí nghiệm) Nhựa Đồng Vành khuyên (ông dẫn khí của máy lạnh) Tông mô hình 340. Thiết kế mô hình máy phát điện xoay chiều 2. Công cụ vẽ sứ dụng trong thiết kế Dầu tiên, ta sử dụng công cụ paint được tích hợp sẵn trên Windows để vẽ phác thảo ý tưởng sơ khai về học cụ (Hình 2.

Đề có thé hoàn thiện việc thiết kế cấu tạo tổng quan của học cụ và thực hiện việc chỉ tiết hóa bộ phận/chỉ tiết cấu tạo nên mô hình máy phát điện thì chúng ta cần sử dụng các phan mém vẽ 3D như Solidworks và Tinkercad. Hai dén led mắc song song \ Trục quay Hộp mica ngược chiều nỗi với cô góp Nam cham Hình 2. Phác thảo sơ lược về Ý tương thiết ké học eu trên Paint. Hình dạng và cầu tạo chung của mô hình Hình dang và cau tạo chung của học cụ được vẽ trên phần mềm Solidworks như Hình 2.

Tay quay Hộp mica Cuộn dây : trong suốt | Nam châm] = | © bi (bạc đạn) Hai đèn led mắc Bê góp điện gồm rc - Trục quay] song song ngược Cực hai vành khuyên và hai chéi quét dé dan Hình 2. Mô ta hình dang va cầu tạo chung của học cụ. Thiết kế các chỉ tiết cụ thể của mô hình Các chi tiết cụ thé được vẽ bằng phần mềm Tinkercad như sau: - Đầu tiên là việc thiết kế hộp mica (Hình 2.3) gồm các chỉ tiết nhỏ: + Mat trên/dưới được vẽ như Hình 2. + Mặt bên được vẽ như Hình 2.

+ Mat bên có hai lỗ di dây ra từ chéi quét được vẽ như Hình 2. + Mặt trước/sau được vẽ như Hình 2. Mỗi tam nhỏ đều có các khớp gai với kích thước là 5x5x10 mm. Việc thiết kế hộp mica cần phải chú ý về bề rộng của hộp vừa phải, để khi lắp hai nam châm ở hai mặt bên sẽ tạo ra được khoảng cách thích hợp giữa mặt trong của hai nam châm với khung quay trong quá trình quay.

Khoảng cách nay được xem là tôt khi nó lớn hơn vừa đủ so với đường chéo của khung quay dé không xảy ra va chạm trong quá trình hoạt động.