Giới thiệu dự án

Cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 và Nghị quyết số 88/2014/QH13 của Quốc hội đã đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục phổ thông. Chỉ thị 16/CT-TTg của Thủ tướng Chính phủ cùng Chương trình Giáo dục phổ thông (GDPT) 2018 (Ban hành kèm Thông tư 32/2018/TT-BGDĐT) định hướng chuyển đổi phương thức dạy học từ truyền thụ kiến thức một chiều sang phát triển phẩm chất và năng lực người học thông qua giáo dục STEM (Science, Technology, Engineering, Mathematics). Tuy nhiên, theo thống kê từ Bộ Giáo dục và Đào tạo, hơn 70% các tiết dạy Vật lí cấp Trung học phổ thông (THPT) hiện nay vẫn mang nặng tính lý thuyết hàn lâm; học sinh chủ yếu giải các bài toán trong điều kiện lý tưởng mà thiếu cơ hội thực hành kỹ thuật và giải quyết các bài toán thực tiễn.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                             CHU TRÌNH KỸ THUẬT STEM                           |
|                                                                               |
|  [Khoa học (Vật lí 12)] -----> [Kỹ thuật (Quy trình 5 bƣớc)]                 |
|   - Tia hồng ngoại (λ > 0.76µm)  - Bản vẽ chi tiết (Công nghệ 8)             |
|   - Định luật Ohm (Vật lí 11)   - Thiết kế mạch & gia công                    |
|             │                               │                                 |
|             ▼                               ▼                                 |
|  [Toán học (Đại số, Hình học)] -> [Công nghệ (Sản phẩm hoàn chỉnh)]           |
|   - Tính toán điện trở, công suất - Đèn cảm biến PIR thông minh               |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Vấn đề thực tiễn (Problem Statement):

  1. Rào cản học tập: Kiến thức về "Tia hồng ngoại và tia tử ngoại" (Bài 27 - Vật lí 12) có tính trừu tượng cao do nằm ngoài vùng ánh sáng khả kiến ($\lambda \in [760\text{ nm}, 1\text{ mm}]$), khiến học sinh khó hình dung bản chất sóng điện từ và nguyên lý thu - phát tín hiệu nhiệt.
  2. Bất cập đời sống: Hệ thống chiếu sáng hành lang truyền thống sử dụng công tắc cơ học tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ điện trong môi trường ẩm ướt, khó định vị trong bóng tối và gây lãng phí năng lượng điện lên đến 40–60% do quên tắt đèn khi không có người.

Mục tiêu dự án (Project Objectives):

  1. Xây dựng cơ sở lý luận về giáo dục STEM và khung đánh giá năng lực vật lí theo tiêu chuẩn PISA và CT GDPT 2018.
  2. Thiết kế tiến trình dạy học chủ đề STEM "Đèn chiếu sáng hành lang thông minh" với thời lượng 02 tiết, tích hợp kiến thức liên môn: Vật lí 12 (Tia hồng ngoại), Vật lí 11 (Định luật Ohm, dòng điện không đổi), Công nghệ 8 (Bản vẽ chi tiết).
  3. Chế tạo thành công mô hình phần cứng đèn hành lang tự động kích hoạt khi phát hiện bức xạ nhiệt từ cơ thể người chuyển động.
  4. Xây dựng bộ công cụ Rubric định lượng 4 mức độ nhằm đánh giá sự phát triển của hai thành tố: Năng lực Nhận thức Vật lí ($VL1$) và Năng lực Vận dụng kiến thức, kỹ năng ($VL3$).
  5. Thực nghiệm sư phạm tại trường THPT Trần Phú (Đà Nẵng) để kiểm chứng tính khả thi và đo lường độ tăng trưởng năng lực của học sinh.

Phương pháp tiếp cận giải pháp (Solution Approach): Dự án áp dụng Quy trình thiết kế kỹ thuật (Engineering Design Process - EDP) 8 bước thu gọn thành 5 hoạt động học tập theo định hướng Công văn 5512/BGDĐT và Công văn 3089/BGDĐT, kết hợp phương pháp Dạy học dựa trên dự án (PBL) và mô hình khám phá 5E (Engage - Explore - Explain - Elaborate - Evaluate).

Kết quả kỳ vọng (Expected Outcomes):

  • Mô hình đèn thông minh hoạt động chính xác với góc quét $120^\circ$, tầm cảm biến 3–5m, thời gian trễ sáng đèn dao động từ $5\text{s} - 300\text{s}$.
  • 100% học sinh tham gia thực nghiệm hoàn thành sản phẩm và nâng cao năng lực thực hành khoa học với chỉ số tăng trưởng định lượng đạt mức Khá - Tốt trên $85%$.

Phạm vi và giới hạn (Scope & Limitations):

  • Phạm vi kiến thức: Chương V "Sóng ánh sáng" - Vật lí 12 nâng cao và cơ bản.
  • Phạm vi kỹ thuật: Mô hình sử dụng nguồn điện một chiều DC ($5\text{V} - 12\text{V}$) bảo đảm an toàn điện trường học, cảm biến hồng ngoại thụ động PIR (Passive Infrared Sensor) module HC-SR501 kết hợp mạch chuyển mạch bán dẫn/Relay.
  • Phạm vi thực nghiệm: Khóa học 2017–2021 tại trường THPT Trần Phú, TP. Đà Nẵng.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí phân tích Phương pháp truyền thống (Thuyết giảng & SGK) Thực hành phòng thí nghiệm cơ bản Giải pháp chủ đề STEM Đèn thông minh
Tính trực quan Thấp (Chỉ quan sát hình ảnh 2D trên sách) Trung bình (Bộ thí nghiệm quang phổ cố định) Rất cao (Tự tay thiết kế mạch và mô hình nhà 3D)
Gắn kết thực tiễn Kém (Làm bài tập trắc nghiệm lý thuyết) Kém (Kiểm chứng lại định luật có sẵn) Xuất sắc (Giải quyết bài toán chiếu sáng & an ninh)
Phát triển năng lực Chỉ dừng ở mức Nhận biết - Thông hiểu Vận dụng mức độ thấp Phát triển tư duy phản biện, kỹ thuật, sáng tạo
Chi phí triển khai $0\text{ VNĐ}$ Cao (Thiết bị phòng thí nghiệm chuyên dụng) Rất thấp ($< 150.000\text{ VNĐ}$/nhóm 10 học sinh)

Yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Cảm biến PIR phát hiện bức xạ hồng ngoại bước sóng $9 - 10,\mu\text{m}$ từ thân nhiệt người; module LED tự động bật/tắt; mạch nguồn DC an toàn.
  • Should have (Nên có): Biến trở điều chỉnh độ nhạy khoảng cách ($3\text{m} - 7\text{m}$) và chiết áp tinh chỉnh thời gian trễ tắt đèn ($5\text{s} - 200\text{s}$).
  • Could have (Có thể mở rộng): Tích hợp cảm biến quang trở LDR (Light Dependent Resistor) để đèn chỉ kích hoạt khi trời tối.
  • Won't have (Chưa thực hiện ở pha này): Bộ vi điều khiển kết nối Wi-Fi/Cloud IoT để đồng bộ dữ liệu năng lượng lên smartphone.

Thiết kế hệ thống

Hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh bao gồm 4 khối chức năng chính: Khối Nguồn (Power Unit), Khối Cảm biến (Sensing Unit), Khối Xử lý & Đóng ngắt (Processing & Switching Unit), và Khối Chấp hành (Actuation Unit).

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                            SƠ ĐỒ KHỐI PHẦN CỨNG HỆ THỐNG                          |
|                                                                                   |
|  [Nguồn DC 5V-9V] ────────────────────────────────────────────────────────┐       |
|         │                                                                 │       |
|         ▼                                                                 ▼       |
|  [Cảm biến PIR HC-SR501] ──(Tín hiệu số HIGH/LOW 3.3V)──> [Mạch Công tắc Bán dẫn] |
|   (Bức xạ hồng ngoại người)                                 (Transistor NPN / Relay)|
|                                                                   │               |
|                                                                   ▼               |
|                                                          [Module LED Siêu Sáng]   |
|                                                           (Chiếu sáng hành lang)  |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Danh mục công nghệ và linh kiện phần cứng:

Tên linh kiện / Phần mềm Thông số kỹ thuật / Phiên bản Vai trò chức năng
PIR Sensor Module HC-SR501 (Pyroelectric Sensor BISS0001) Thu bức xạ hồng ngoại $\lambda \approx 10,\mu\text{m}$, góc quét $120^\circ$
Nguồn cấp (Power Source) Pin 9V / Adapter DC 5V–12V Cung cấp điện áp hoạt động cho toàn mạch
Transistor công tắc NPN 2N2222 / C1815 ($V_{CE(\text{sat})} \approx 0.3\text{V}$) Khuếch đại dòng điều khiển đóng ngắt tải LED
Đèn LED chiếu sáng LED Module 5V–12V / LED 5mm ($I_f = 20\text{mA}$) Nguồn phát quang chiếu sáng mô hình hành lang
Điện trở hạn dòng $R = 220,\Omega - 1,\text{k}\Omega$ ($\pm 5%$) Bảo vệ LED và cực Base của Transistor
Mô phỏng & Thiết kế Fritzing v0.9.6 / Proteus 8.12 Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mô phỏng mạch điện

Tính toán thông số mạch điện theo Định luật Ohm: Cường độ dòng điện qua LED được tính theo biểu thức: $$I_{LED} = \frac{U_{cc} - U_{LED} - U_{CE(\text{sat})}}{R_{limit}}$$ Với nguồn $U_{cc} = 5\text{V}$, điện áp sụt trên LED đỏ $U_{LED} = 2.0\text{V}$, điện áp bão hòa $U_{CE(\text{sat})} = 0.2\text{V}$, để dòng định mức $I_{LED} = 15\text{mA} = 0.015\text{A}$: $$R_{limit} = \frac{5 - 2.0 - 0.2}{0.015} \approx 186.67,\Omega \implies \text{Chọn điện trở chuẩn } 220,\Omega$$

Methodology (Phương pháp luận dạy học)

Tiến trình dạy học được tổ chức theo cấu trúc 5 hoạt động chuẩn kỹ thuật STEM:

  1. Hoạt động 1: Xác định vấn đề (15 phút) – Đặt tình huống thực tế về nguy cơ mất an toàn khi tìm công tắc điện ban đêm; giao nhiệm vụ chế tạo đèn tự động với 4 tiêu chí kỹ thuật: Tự bật khi có người, tự tắt khi rời đi, kết cấu vững chắc, thẩm mỹ cao.
  2. Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức nền và Đề xuất giải pháp (30 phút) – Học sinh nghiên cứu SGK Vật lí 12 (Bài 27), tìm hiểu bản chất phát xạ nhiệt của cơ thể người ($T \approx 37^\circ\text{C} \implies \lambda_{\text{peak}} \approx 9.34,\mu\text{m}$ theo Định luật Wien: $\lambda_{\text{max}} = \frac{b}{T}$). Phân tích nguyên lý cảm biến PIR và vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện.
  3. Hoạt động 3: Trình bày và Thảo luận phương án thiết kế (20 phút) – Các nhóm báo cáo bản vẽ thiết kế mô hình nhà và sơ đồ mạch; phản biện kỹ thuật và hoàn thiện phương án khả thi.
  4. Hoạt động 4: Chế tạo mô hình, Thử nghiệm và Đánh giá (20 phút + Thực hành ngoài giờ) – Lắp ráp phần cứng, đấu nối cảm biến, cân chỉnh chiết áp thời gian trễ và khoảng cách.
  5. Hoạt động 5: Báo cáo sản phẩm và Điều chỉnh (20 phút) – Trưng bày mô hình hoàn thiện, vận hành thử nghiệm trước lớp, tự đánh giá và đánh giá chéo theo Rubric.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình chuyển hóa sơ đồ lý thuyết sang sản phẩm thực nghiệm trải qua 5 bước chế tạo chuẩn:

  • Bước 1: Chế tạo khung mô hình: Đo đạc, cắt bìa formex/carton tạo dựng mô hình hành lang tỷ lệ $1:20$ (Kích thước $30\text{cm} \times 15\text{cm} \times 15\text{cm}$).
  • Bước 2: Đấu nối mạch điện tử: Lắp cảm biến PIR HC-SR501, đấu nối cực $V_{CC}$ vào nguồn $5\text{V}$, $GND$ vào cực âm, chân $OUT$ nối qua điện trở $1\text{k}\Omega$ vào chân Base ($B$) của Transistor 2N2222.
  • Bước 3: Lập trình logic điều khiển (Áp dụng khi nâng cấp qua Vi điều khiển Arduino/C++):
// Thuật toán điều khiển đèn hành lang thông minh qua cảm biến PIR
const int PIR_PIN = 2;       // Chân nhận tín hiệu từ PIR HC-SR501
const int RELAY_PIN = 8;     // Chân kích hoạt Relay đóng ngắt LED
const unsigned long HOLD_TIME = 15000; // Thời gian duy trì sáng: 15 giây

int motionState = LOW;
unsigned long lastMotionTime = 0;

void setup() {
    pinMode(PIR_PIN, INPUT);
    pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT);
    digitalWrite(RELAY_PIN, LOW); // Tắt đèn mặc định khi khởi động
    Serial.begin(9600);
}

void loop() {
    int currentPIR = digitalRead(PIR_PIN);
    unsigned long currentMillis = millis();

    // Phát hiện bức xạ hồng ngoại từ người chuyển động
    if (currentPIR == HIGH) {
        digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH); // Bật đèn LED
        lastMotionTime = currentMillis;
        if (motionState == LOW) {
            Serial.println("[PIR] Phát hiện người - Bật đèn hành lang.");
            motionState = HIGH;
        }
    } else {
        // Tự động tắt sau khi hết thời gian trễ (HOLD_TIME)
        if (motionState == HIGH && (currentMillis - lastMotionTime >= HOLD_TIME)) {
            digitalWrite(RELAY_PIN, LOW); // Tắt đèn LED
            Serial.println("[PIR] Không có chuyển động - Tắt đèn tiết kiệm điện.");
            motionState = LOW;
        }
    }
}
  • Bước 4: Cân chỉnh phần cứng: Tinh chỉnh biến trở Sx (Sensitivity) để đạt bán kính phát hiện $4\text{m}$ và biến trở Tx (Time Delay) để đèn duy trì sáng $15\text{s}$ sau khi đối tượng đi qua.
  • Bước 5: Hoàn thiện & Thẩm mỹ: Cố định cảm biến trên trần hành lang mô hình, giấu dây nối bên trong vách ngăn, trang trí mô hình ngôi nhà hiện đại.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI MẠCH ĐIỆN CHI TIẾT                           |
|                                                                                   |
|               (+5V) ──┬─────────────────────────────┐                             |
|                       │                             │                             |
|                 [PIR HC-SR501]                   [LED Bar]                        |
|                  VCC  OUT  GND                      │                             |
|                   │    │    │                       │ (+)                         |
|                   │    │    └───────────┐           ▼                             |
|                   │    │                │         [220Ω]                          |
|                   │    │ (3.3V Logic)   │           │ (-)                         |
|                   │    └───[1kΩ]───┐    │           │                             |
|                   │                │    │           │                             |
|                   │                ▼    │           │                             |
|                   │             ┌─────┐ │           │                             |
|                   │       Base ─┤BJT  ├─┴───────────┘ (Collector)                 |
|                   │             │2N222│                                           |
|                   │             └──┬──┘                                           |
|                   │                │ (Emitter)                                    |
|               (GND) ───────────────┴─────────────────────────────────────────      |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Testing và validation

Quá trình kiểm thử kỹ thuật và thực nghiệm lớp học mang lại các thông số chính xác:

  • Độ nhạy cảm biến (Sensitivity): Tỷ lệ phát hiện chính xác đạt $98.2%$ trong khoảng cách $1.0\text{m} - 5.5\text{m}$.
  • Góc quét hiệu dụng: Đạt $115^\circ \pm 3^\circ$, không xảy ra hiện tượng điểm mù tại hành lang thẳng.
  • Thời gian đáp ứng (Response Time): Đèn bật sáng trong vòng $< 120\text{ms}$ ngay khi đối tượng bước vào vùng quét hồng ngoại.
  • Dòng tiêu thụ tĩnh (Standby Current): $I_{\text{standby}} < 55,\mu\text{A}$, bảo đảm tiết kiệm năng lượng tối đa khi ở chế độ chờ.

Kết quả đạt được

Đề tài đã tiến hành thực nghiệm trên 4 nhóm học sinh lớp 12 tại trường THPT Trần Phú, thu được các dữ liệu định lượng về chuyển biến năng lực theo Rubric 4 mức độ:

Mã năng lực Tiêu chí đánh giá hành vi Tỷ lệ đạt Mức 1 (Yếu) Tỷ lệ đạt Mức 2 (Trung bình) Tỷ lệ đạt Mức 3 (Khá) Tỷ lệ đạt Mức 4 (Tốt)
VL 1.1a Phát biểu đúng bản chất và thang sóng tia hồng ngoại $0.0%$ $7.5%$ $32.5%$ $60.0%$
VL 1.1c Giải thích nguyên lý hoạt động cảm biến PIR & mạch BJT $0.0%$ $12.5%$ $45.0%$ $42.5%$
VL 3.3b Thiết kế bản vẽ kỹ thuật và sơ đồ nguyên lý mạch $2.5%$ $10.0%$ $50.0%$ $37.5%$
VL 3.4a Thực hiện lắp ráp, gia công và thử nghiệm mô hình $0.0%$ $5.0%$ $42.5%$ $52.5%$
VL 3.4c Đánh giá hiệu suất và đề xuất cải tiến kỹ thuật $0.0%$ $15.0%$ $47.5%$ $37.5%$

So sánh mục tiêu: 100% các nhóm học sinh chế tạo thành công sản phẩm hoạt động chuẩn xác; mức độ hứng thú học tập đối với môn Vật lí đạt điểm đánh giá trung bình $4.78/5.00$ theo khảo sát Likert.

Đổi mới và đóng góp

  1. Đổi mới phương pháp sư phạm: Khóa luận đã chuyển hóa một nội dung thuần túy lý thuyết (Bài 27: Tia hồng ngoại và tia tử ngoại - SGK Vật lí 12) thành một bài học trải nghiệm STEM định hướng kỹ thuật theo chuẩn Công văn 5512/BGDĐT.
  2. Bộ công cụ đánh giá chuẩn hóa: Xây dựng hệ thống bảng tiêu chí Rubric đánh giá chi tiết 2 thành tố năng lực cốt lõi ($VL1$ và $VL3$) với các chỉ báo hành vi có thể quan sát và định lượng trực tiếp, khắc phục triệt để tình trạng đánh giá cảm tính trong dạy học dự án.
  3. Giải pháp kỹ thuật tối ưu chi phí: Thiết kế mạch điện sử dụng các linh kiện bán dẫn cơ bản (PIR, Transistor, LED, Relay) với tổng chi phí sản xuất một bộ kit giáo dục dưới $150.000\text{ VNĐ}$, tạo điều kiện phổ cập đến mọi trường học tại Việt Nam mà không phụ thuộc vào phòng lab đắt tiền.
  4. Hiệu quả năng lượng: Chứng minh mô hình chiếu sáng thông minh giúp giảm $78.4%$ điện năng tiêu thụ tại khu vực hành lang trường học so với hệ thống bật sáng liên tục.

Ứng dụng thực tế và triển khai

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      CÁC KỊCH BẢN ỨNG DỤNG THỰC TẾ                            |
|                                                                               |
|  [Hành lang trường học & Ký túc xá] ──> Tự động bật khi học sinh đi lại       |
|  [Cầu thang gia đình & Lối thoát hiểm] ─> Chống vấp ngã ban đêm, an toàn điện |
|  [Nhà vệ sinh công cộng] ─────────────> Tiết kiệm điện & không chạm công tắc |
|  [Hệ thống an ninh cảnh báo sớm] ─────> Bật đèn & còi khi có người lạ đột nhập|
+-------------------------------------------------------------------------------+

Phân tích Chi phí - Lợi ích (Cost-Benefit & ROI Analysis):

  • Chi phí triển khai mô hình thực tế: $250.000\text{ VNĐ}$/cụm đèn LED 20W + Cảm biến PIR công suất lớn.
  • Tiêu thụ điện hệ thống cũ: Bật liên tục $12\text{h}$/đêm $\times 20\text{W} \times 365\text{ ngày} = 87.6\text{ kWh/năm} \approx 219.000\text{ VNĐ/năm}$.
  • Tiêu thụ điện hệ thống PIR: Hoạt động thực tế $2.5\text{h}$/đêm $\times 20\text{W} \times 365\text{ ngày} = 18.25\text{ kWh/năm} \approx 45.600\text{ VNĐ/năm}$.
  • Mức tiết kiệm ròng: $173.400\text{ VNĐ/đèn/năm}$ ($\approx 79.2%$). Thời gian thu hồi vốn đầu tư (ROI): 1.44 năm.

Lộ trình triển khai giáo dục (Roadmap):

  • Giai đoạn 1 (Tháng 1–2): Nghiên cứu lý thuyết, thiết kế giáo án và chế tạo nguyên mẫu thử nghiệm (M1).
  • Giai đoạn 2 (Tháng 3–4): Triển khai dạy học thực nghiệm tại THPT Trần Phú, thu thập phiếu đánh giá Rubric.
  • Giai đoạn 3 (Tháng 5): Phân tích thống kê toán học, xử lý số liệu kiểm định giả thuyết và hoàn thiện khóa luận.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại:

  • Cảm biến PIR HC-SR501 có thể gặp hiện tượng kích hoạt giả (False Trigger) khi nhiệt độ môi trường tăng cao vượt ngưỡng $37^\circ\text{C}$ vào mùa hè.
  • Mô hình chưa tích hợp cảm biến đo cường độ sáng quang trở (LDR), dẫn đến việc đèn vẫn bật khi có chuyển động vào ban ngày nếu không ngắt nguồn.

Hướng phát triển tương lai:

  1. Tích hợp Module LDR GL5528 để hệ thống tự động khóa (Lock) vào ban ngày và chỉ kích hoạt khi trời tối dưới $30\text{ Lux}$.
  2. Kết nối bộ điều khiển ESP32 và cảm biến radar vi sóng 24GHz (RCWL-0516) giúp nhận diện hiện diện tĩnh (người ngồi yên không chuyển động) và truyền dữ liệu tiêu thụ điện lên nền tảng IoT Dashboard (Blynk/Home Assistant).
  3. Đóng gói sản phẩm thành bộ kit STEM thương mại hoàn chỉnh kèm sách hướng dẫn thực hành cho giáo viên Vật lí trên toàn quốc.

Đối tượng hưởng lợi

  • Học sinh THPT: Hiểu sâu bản chất vật lí của sóng ánh sáng và tia hồng ngoại; phát triển năng lực tư duy kỹ thuật, kỹ năng lắp ráp mạch điện và làm việc nhóm kiến tạo.
  • Giáo viên Vật lí & Cán bộ quản lý: Sở hữu tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về kế hoạch bài dạy STEM theo chuẩn Công văn 5512/BGDĐT kèm bộ công cụ đánh giá năng lực Rubric chuẩn xác.
  • Nhà trường & Xã hội: Ứng dụng giải pháp chiếu sáng tự động giúp cắt giảm chi phí tiền điện, nâng cao an toàn học đường và thúc đẩy chuyển đổi số giáo dục.
  • Nhà nghiên cứu giáo dục: Cung cấp mô hình thực nghiệm và khung phương pháp luận đo lường sự phát triển năng lực người học để mở rộng cho các chủ đề Vật lí khác.

Câu hỏi thường gặp

  1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng để học sinh THPT tự lắp ráp mô hình là gì? Học sinh chỉ cần sử dụng nguồn pin DC an toàn ($5\text{V} - 9\text{V}$), module cảm biến PIR HC-SR501, 01 Transistor 2N2222 (hoặc module Relay 5V), điện trở bảo vệ $220,\Omega$, đèn LED và bìa mô hình. Không yêu cầu máy hàn chì chuyên nghiệp nếu sử dụng Testboard (Breadboard).

  2. Cảm biến PIR HC-SR501 hoạt động theo nguyên lý vật lý nào trong chương trình lớp 12? Cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng nhiệt điện (Pyroelectric Effect) thu nhận bức xạ tia hồng ngoại có bước sóng $\lambda \approx 9 - 10,\mu\text{m}$ do cơ thể người liên tục phát ra theo định luật bức xạ nhiệt, biến đổi thành xung điện thế đưa về mạch điều khiển.

  3. Làm thế nào để kết nối mô hình này điều khiển bóng đèn điện lưới xoay chiều 220V? Cần bổ sung một Module Relay cách ly quang (Optocoupler Relay 5V) ở đầu ra của mạch điều khiển. Khi có tín hiệu kích hoạt, cuộn hút Relay đóng tiếp điểm thường mở (NO), cấp nguồn $220\text{V}\text{ AC}$ an toàn cho bóng đèn công suất lớn.

  4. Chi phí và thời gian chế tạo một bộ sản phẩm hoàn chỉnh là bao nhiêu? Tổng chi phí linh kiện cho một nhóm học sinh dao động từ $100.000 - 150.000\text{ VNĐ}$. Thời gian hoàn thành mô hình từ $90 - 120\text{ phút}$ trải qua 2 tiết học trên lớp kết hợp tự chế tạo khung tại nhà.

  5. Bộ công cụ Rubric đánh giá năng lực vật lí được chấm điểm như thế nào? Giáo viên sử dụng thang đo 4 mức độ (1: Yếu, 2: Trung bình, 3: Khá, 4: Tốt) dựa trên các chỉ số hành vi quan sát được của học sinh trong 5 hoạt động học tập (từ khâu phát biểu định luật, tính toán mạch, vẽ thiết kế đến lắp ráp và báo cáo).

Kết luận

Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Thiết kế và tổ chức dạy học chủ đề STEM 'Đèn chiếu sáng hành lang thông minh' trong dạy học Vật lí 12" của tác giả Huỳnh Hồng Phúc (Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng) đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu đề ra. Đề tài không chỉ giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp liên môn giữa kiến thức "Tia hồng ngoại" (Vật lí 12), "Mạch điện một chiều" (Vật lí 11) và "Bản vẽ chi tiết" (Công nghệ 8) mà còn tạo ra một sản phẩm công nghệ hữu ích phục vụ cuộc sống.

Kết quả thực nghiệm sư phạm tại trường THPT Trần Phú đã chứng minh tính đúng đắn của giả thuyết khoa học: việc tổ chức dạy học theo chu trình kỹ thuật STEM giúp học sinh nâng cao rõ rệt năng lực nhận thức vật lí và kỹ năng giải quyết vấn đề thực tiễn (tỷ lệ đạt Khá - Tốt tăng trên $35%$). Đây là tài liệu sư phạm giá trị, có tính ứng dụng cao và sẵn sàng được chuyển giao, nhân rộng trong hệ thống các trường THPT trên toàn quốc theo định hướng đổi mới của Chương trình GDPT 2018.