aTrường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên
bTrường Đại học Hoa Lư, tỉnh Ninh Bình
* Liên hệ tác giả Lê Chí Nguyện
Email: lcnguyendhhl@gmail.com
Nhận bài:
11 – 05 – 2018 Chấp nhận đăng:
27 – 08 – 2018 http://jshe.ued.udn.vn/
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH ĐO HỆ SỐ NHIỆT ĐIỆN ĐỘNG CỦA CẶP NHIỆT ĐIỆN TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ 11 NHẰM PHÁT TRIỂN NĂNG LỰC KHOA HỌC CHO HỌC SINH
Nguyễn Văn Khảia, Lê Chí Nguyệnb*
Tóm tắt: Nội dung bài viết trình bày kết quả nghiên cứu về việc sử dụng thí nghiệm có kết nối với máy vi tính đo hệ số nhiệt điện động của cặp nhiệt điện đồng - constantan trong dạy học Vật lí ở trường trung học phổ thông.
Từ khóa:thí nghiệm kết nối máy tính; năng lực khoa học; cặp nhiệt điện; đánh giá năng lực.
1. Mở đầu
Cách mạng Công nghiệp lần thứ 4 dựa trên ba trụ cột chính: kĩ thuật số, công nghệ sinh học, vật lí. Điều này cho thấy, dạy học Vật lí ở trường phổ thông đóng vai trò quan trọng trong việc giúp học sinh phát triển các kiến thức, kĩ năng để thích ứng cuộc sống và làm việc trong môi trường cách mạng Công nghiệp lần thứ 4 và công dân toàn cầu trong tương lai.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các phương tiện kĩ thuật số, thí nghiệm vật lí kết nối máy vi tính (MVT) cũng ngày càng phát triển không chỉ trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học vật lí mà đã và đang được sử dụng nhiều trong các thí nghiệm vật lí ở trường phổ thông. Các thí nghiệm kết nối máy tính đã cho phép thực hiện được nhiều thí nghiệm với các phép đo tín hiệu bé (0.1mV) mà trước kia thí nghiệm truyền thống không thể thực hiện được, đặc biệt có thể nghiên cứu không chỉ định tính mà cả mặt định lượng của các hiện tượng vật lí.
Từ những lí do trên, việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo và sử dụng thí nghiệm kết nối MVT trong dạy học Vật lí ở Việt Nam là rất cần thiết. Nội dung bài viết này
trình bày kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm có kết nối với máy vi tính, thực hành đo hệ số nhiệt điện động của cặp nhiệt điện đồng - constantan (Vật lí 11) và đề xuất một phương án dạy học phát triển năng lực khoa học cho học sinh phổ thông.
2. Thí nghiệm kết nối máy vi tính
Thí nghiệm kết nối MVT là thiết bị thí nghiệm thật trong đó việc thu thập các số liệu đo được, tự động hoá nhờ MVT với phần mềm lập trình bằng ngôn ngữ LapView. Dựa trên các số liệu này, MVT và phần mềm hỗ trợ việc xử lí số liệu, trình bày chúng dưới dạng các bảng, đồ thị, tính toán các đại lượng vật lí, vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng cần đo, hỗ trợ kiểm tra tính đúng đắn của hệ quả suy ra từ các giả thuyết khoa học, phát triển năng lực khoa học (NLKH) cho học sinh. Nguyên lí hoạt động của thí nghiệm kết nối MVT xem Hình 1.
Hình 1. Sơ đồ kết nối thí nghiệm với MVT
- Object: Đối tượng cần đo (dưới dạng các tác động cơ, nhiệt, điện, quang,...).
- Sensor: Bộ phận thu nhận số liệu có nhiệm vụ chuyển đổi các tương tác vật lí dạng cơ, nhiệt, điện, quang,... thành tín hiệu điện. Mỗi phép đo cần một bộ cảm biến phù hợp, vì vậy có nhiều loại bộ cảm biến khác nhau.
- Interface: Có nhiệm vụ số hoá các tín hiệu điện chuyển tới các từ sensor, kết nối bộ thí nghiệm với máy vi tính.
- Computer installed software: Máy tính có cài đặt phần mềm chuyên dụng xử lí các tín hiệu số chuyển tới từ interface như thực hiện các tính toán, lập bảng, vẽ đồ thị.
- Moniter: Màn hình máy tính là nơi hiển thị các kết quả xử lí từ MVT dưới dạng các bảng số liệu, đồ thị, kết quả tính toán,... Các kết quả xử lí từ máy tính có thể được in ra hoặc lưu giữ trong máy vi tính.
3. Năng lực khoa học của học sinh trong học tập vật lí có sử dụng thí nghiệm
Trong nghiên cứu này chúng tôi chọn định nghĩa:
“Năng lực khoa học là khả năng giải thích các hiện tượng có khoa học, đánh giá, thiết kế các điều tra khoa học, phân tích dữ liệu và bằng chứng khoa học” [2, tr.11-12]. Trong đó, NLKH được xác định bởi ba năng lực thành phần:
(1) Giải thích các hiện tượng có khoa học; (2) Thiết kế và đánh giá các điều tra khoa học; (3) Phân thích dữ liệu và bằng chứng khoa học.
Dựa trên nội hàm khái niệm NLKH theo PISA 2015, chúng tôi định nghĩa NLKH của học sinh THPT trong học tập Vật lí có sử dụng thí nghiệm như sau:
“NLKH là khả năng giải thích hiện tượng và phân tích các dữ liệu thu được từ thí nghiệm, thiết kế, thực hiện đánh giá một nghiên cứu Vật lí có khoa học”. NLKH trong học tập môn Vật lí có sử dụng thí nghiệm gồm 3
năng lực thành phần: (1) Năng lực giải thích hiện tượng Vật lí có khoa học; (2) Năng lực thiết kế, thực hiện và đánh giá, một nghiên cứu khoa học Vật lí; (3) Năng lực phân tích các dữ liệu thí nghiệm Vật lí một cách khoa học.
4. Kết quả thử nghiệm thiết bị thí nghiệm Bộ thí nghiệm có kết nối với MVT khảo sát “Hiện tượng nhiệt điện” (Vật lí 11). Được sử dụng theo hai hình thức: Thí nghiệm biểu diễn (sử dụng trong tiến trình xây dựng kiến thức mới), thí nghiệm thực hành (học sinh tiến hành thí nghiệm kiểm tra hệ số nhiệt điện động kiểm tra αT là một hằng số, phụ thuộc vào bản chất kim loại chế tạo cặp nhiệt điện). Kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm này đã được công bố trong bài báo [3]. Dưới đây chúng tôi trích dẫn kết quả chế tạo và thử nghiệm thiết bị gồm:
Hình 2. Bộ thí nghiệm thực hành khảo sát hiện tượng nhiệt điện
a. Dụng cụ thí nghiệm: (Hình 2) - Một cặp nhiệt điện làm mẫu đo.
- Một cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ T2.
- Một bộ khuếch đại điện áp (cảm biến hiệu điện thế) đo E.
đồ thị.
Trên các thiết bị của bộ thí nghiệm thiết kế các rắc cắm kết nối bằng dây USB, giúp học sinh có thể dễ ràng chuyển đổi từ phương án thí nghiệm với các dụng cụ đo truyền thống (vôn kế, ampekế , nhiệt kế...) sang phương án thí nghiệm có kết nối với MVT (xem Hình 3).
Hình 3. Cảm biến nhiệt độ b. Kết quả thử nghiệm
Sử dụng bộ thí nghiệm trong dạy thực nghiệm ở trường THPT cho kết quả như sau:
Hình 4 là kết thí nghiệm của học sinh trường THPT Hoa Lư A (Ninh Bình) làm thực hành thí nghiệm trong học kiến thức mới, với mẫu đo là cặp nhiệt điện loại K (NiCr-Niai), học sinh đo theo chiều giảm nhiệt độ T2 (từ 75,10C đến 55,20 C), nguồn nhiệt T2 dùng một cốc nước đã đun sôi.
Hình 5 là kết quả học sinh thực hành đo hệ số nhiệt điện động (cặp nhiệt điện đồng - constantan), theo chiều tăng nhiệt độ T2 từ nhiệt độ phòng thí nghiệm, đến nhiệt độ 1580C, nguồn nhiệt T2 là dây may so 220v -200W c. Đánh giá kết quả thử nghiệm thiết bị
Khi thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm này, khó khăn lớn nhất là tạo ra nguồn nhiệt (T2) có nhiệt độ lớn hơn 1500C và người thực hiện thí nghiệm có thể điều khiển được sự gia tăng nhiệt độ chậm đều (ổn định nhiệt ở mẫu đo, tránh nhiễu tín hiệu) và phải đo định lượng được Δt0C. Mặt khác, giá trị biến đổi của E theo Δt0C là rất bé (0,3mV). Vì vậy, tín hiệu điện áp được khuếch đại lên 200 lần, các cảm biến phải có độ chính xác cao, sai số cho phép của các thiết bị này vô cùng nhỏ, đó là
thực hiện được. Thí nghiệm có kết nối với MVT còn giúp học sinh quan sát được diễn biến của hiện tượng vật lí trong quá trình thực hiện thí nghiệm (quan sát trên màn hình MVT hoặc qua ảnh chiếu từ Projector, TV…).
Hình 4. Kết quả thí nghiệm khảo sát hiện tượng nhiệt điện
Hình 5. Kết quả thực hành đo hệ số nhiệt điện động 5. Sử dụng thí nghiệm trong dạy học và đánh giá kết quả
5.1. Lôgic tiến của trình dạy và học (Hình 6) Bộ thí nghiệm được chúng tôi sử dụng trong dạy học kiến thức về “hiện tượng nhiệt điện” và thức hành đo hệ số nhiệt điện đông của cặp nhiệt điện đồng - constantan.
Logic của tiến trình dạy học [4] (xem Hình 6 và 7).
Hình 6. Sơ đồ tiến trình dạy học kiến thức “Hiện tượng nhiệt điện”
Hình 7. Lôgic tiến trình dạy và học thực hành đo αT
khoa học 2 1 T −T
+ Nhận biết được muốn đo αT cần phải đo được các giá trị của E tương ứng với t0C.
0,5
Năng lực thiết kế, thực hiện và đánh giá, một nghiên cứu khoa học Vật lí
+ Tìm được nguồn nhiệt lớn hơn 1000C để thay thế cho phương án thí nghiệm với nguồn nhiệt là cốc nước sôi.
2
+ Trình bày được phương án thí nghiệm. 2
+ Vẽ được sơ đồ lắp rắp thí nghiệm có kết nối với MVT. 2 + Lựa chọn đúng thiết bị và lắp rắp được thí nghiệm theo sơ đồ đã
vẽ.
1
+ Thực hiện được các thao tác thu thập số liệu thí nghiệm bằng phần mềm MVT.
0,5
Năng lực phân tích các dữ liệu thí nghiệm Vật lí một cách khoa học.
+ Biết sử dụng số liệu thí nghiệm để tính tỷ số
2 1
E
T −T , lập luận chỉ ra
2 1
T
E T T
= − = hằng số.
1,5
+ Nhận biết được độ lớn αT phụ thuộc vào bản chất kim loại chế tạo ra cặp nhiệt điện.
0,5
Bảng 2. Kết quả đánh giá
Bài kiểm tra Lan Anh Tuấn Anh Xuân Bách Quỳnh Chi Hữu Dũng Nhật Nam
1 5.0 5.5 7.0 4.5 6.0 7.0
2 5.0 6.0 6.0 5.0 8.0 8.0
3 6.0 7.0 8.0 5.0 8.0 9.0
5.2. Đánh giá mức độ phát triển năng lực khoa học của học sinh
Chúng tôi lựa chọn ngẫu nhiên 6 học sinh lớp 11A1, Trường THPT Chu Văn An, Hà Nội tham gia học thực nghiệm. Lớp học thực nghiệm chia thành 2 nhóm, mỗi nhóm 3 học sinh, chúng tôi trực tiếp quan sát thu thập dữ liệu để đánh giá (case study). NLKH của học sinh trong thực hành thí nghiệm được đánh giá theo 3 mức tương ứng với các điểm số: mức 1 (điểm 9-10),
mức 2 (điểm 7-8), mức 3 (điểm 5-6). Kết quả điểm của học sinh được trình bày ở Bảng 2.
Mức độ phát triển NLKH của từng học sinh được biểu diễn dưới dạng đồ thị như Hình 8.
Từ đồ thị biểu diễn kết quả học tập của học sinh (Hình 8) cho thấy: NLKH của học sinh trong quá trình học thực nghiệm có sự phát triển, có một học sinh (Nhật Nam đạt mức 3), hai học sinh (Tuấn Anh, Hữu Dũng) đạt được mức 2. Tuy nhiên, mức độ phát triển năng lực không đồng đều ở tất cả các học sinh. Lan Anh và
Quỳnh Chi tiến bộ chậm, học sinh nam NLKH trong học tập môn Vật lí có sử dụng thí nghiệm phát triển tốt hơn học sinh nữ.
Hình 8. Đồ thị biểu diễn mức độ phát triển NLKH của học sinh
6. Kết luận
Các thí nghiệm kết nối MVT có những ưu điểm sau: Thực hiện được nhiều phép đo tín hiệu bé mà các thí nghiệm với các dụng cụ đo lường truyền thống không thực hiện được; giáo viên và không mất nhiều thời gian để xử lí dữ liệu, nhờ vậy đảm bảo thời gian cho tiến trình dạy học và nâng cao hiệu quả dạy học; các
dữ liệu được lưu trữ để dùng cho các mục đích dạy học khác nhau; các thí nghiệm kết nối MVT có thể được sử dụng dưới dạng thí nghiệm biểu diễn của giáo viên, thí nghiệm thực hành của học sinh. Nhờ việc sử dụng thí nghiệm kết nối MVT mà học sinh được tiếp cận môi trường kĩ thuật số. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy tính khả thi trong dạy học phát triển NLKH cho học sinh trung học phổ thông trong học tập môn Vật lí có sử dụng thí nghiệm, có thể sử dụng thí nghiệm kết nối MVT trong dạy học phát triển NLKH vật lí cho học sinh trung học phổ thông.
Tài liệu tham khảo
[1] Phạm Xuân Quế ( 2007). Ứng dụng công nghệ thông tin trong tổ chức hoạt động nhận thức vật lí tích cực, tự chủ và sáng tạo. NXB Đại học Sư phạm Hà Nội.
[2] OECD (3/2013). PISA 2015 Draft Science Framework. OECD Publishing
[3] Lê Chí Nguyện (2016). Usingcomputer- assistedexperiments in teaching "Thermoelectric phenomena - Physics 11" for develop student's Scientific Literacy. Journal of Educational Equipment, 126, 90-92.
[4] Nguyễn Ngọc Hưng (2012). Dạy học phát hiện và giải quyết vấn đề. Bài giảng chuyên đề cho học viên sau đại học, Trường ĐHSP Hà Nội.
DESIGN, MANUFACTURE AND USE LABORATORY EXPERIMENTS TO MEASURE THE THERMODYNAMIC COEFFICIENTS OF THERMOCOUPLES IN TEACHING PHYSICS 11,
TO DEVELOP SCIENTIFIC COMPETENCE FOR STUDENTS
Abstract: This article presents the results of research on the design computer-assisted experiment for measuring the electrodes of a thermocouple of a copper thermocouple and a teaching project for the development of scientific competence for high school students.
Key words: computer assisted experiment; scientific competence; thermocouples; competence assessment.
