Dạy học các kiến thức về Sự quay đồng bộ và quay không đồng bộ Vật lí Lớp 12 thông qua hoạt động trải nghiệm sáng tạo

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE DOI: 10.18173/2354-1075.2016-0182 Educational Sci., 2016, Vol. 61, No. 8B, pp. 256-263 This paper is available online at DẠY HỌC CÁC KIẾN THỨC VỀ SỰ QUAY ĐỒNG BỘ VÀ QUAY KHÔNG ĐỒNG BỘ VẬT LÍ LỚP 12 THÔNG QUA HOẠT ĐỘNG TRẢI NGHIỆM SÁNG TẠO Nguyễn Quốc Huy1, Bùi Văn Thiện2 1Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2Trường Trung học Phổ thông Chuyên Hoàng Văn Thụ, Hòa Bình Tóm tắt. Sự quay đồng bộ và không đồng bộ là một ứng dụng kĩ thuật rất quan trọng trong đời sống, tuy nhiên lại có nhiều khái niệm trừu tượng, học sinh khó nhớ, khó vận dụng nên khả năng diễn đạt của học sinh còn yếu và lúng túng khi trình bày kiến thức. Vì vậy, việc tổ chức hoạt động trải nghiệm sáng tạo các kiến thức này nhằm góp phần phát huy tính tích cực, tự lực và nâng cao chất lượng kiến thức cho học sinh có khá nhiều thuận lợi. Từ khóa: Sự quay đồng bộ, sự quay không đồng bộ, dạy học các kiến thức về sự quay đồng bộ và không đồng bộ. 1. Mở đầu Những năm gần đây ngành giáo dục và đào tạo đã không ngừng đổi mới, cải cách chương trình và sách giáo khoa (SGK), sách tham khảo về cả nội dung và phương pháp nhằm bồi dưỡng tư duy sáng tạo và nâng cao tính tích cực, tự chủ tìm tòi xây dựng và chiếm lĩnh tri thức cho học sinh (HS). Việc dạy học bộ môn vật lí ở trường trung học phổ thông (THPT) cũng được quan tâm đổi mới. Giáo viên (GV) được trang bị các thiết bị thí nghiệm (TBTN), được hướng dẫn các phương án tiến hành thí nghiệm (TN), được bồi dưỡng cách dạy học theo chương trình SGK mới. Tuy nhiên, việc dạy học vật lí ở trường THPT vẫn chưa được như mong muốn, tình trạng phổ biến của việc dạy và học là GV thuyết trình, thông báo, và hầu như không làm TN, HS tiếp thu một cách thụ động, dạy học vẫn theo kiểu truyền thụ một chiều, không tổ chức hoạt động nhóm [1], nhất là các hoạt động trải nghiệm sáng tạo. Theo chương trình mới thì ngoài giờ học nội khóa còn có giờ học tự chọn, giờ ngoại khóa nhằm bám sát chương trình nâng cao kiến thức, kĩ năng. Do vậy, ngoài việc hướng dẫn HS luyện giải bài tập vật lí, GV có thể hướng dẫn HS thiết kế chế tạo và tiến hành một số TN để thay đổi không khí học tập. Điều đó có tác dụng rất lớn trong việc gây hứng thú học tập cho HS, vì trong dạy học vật lí, hoạt động thực nghiệm của HS đóng vai trò quan trọng trong việc phát huy tính tích cực, tự lực, và phát triển năng lực sáng tạo [2]. Sự quay đồng bộ và quay không đồng bộ (SQĐB & QKĐB) là một ứng dụng kĩ thuật rất quan trọng trong đời sống [3], tuy nhiên lại có nhiều khái niệm trừu tượng, HS khó hình dung về Ngày nhận bài: 10/07/2016. Ngày nhận đăng: 08/09/2016. Liên hệ: Nguyễn Quốc Huy, e-mail: huy_vldhsphn@yahoo.com.vn. 256 Dạy học các kiến thức về “sự quay đồng bộ và quay không đồng bộ”... hiện tượng, khó vận dụng nên khả năng diễn đạt của HS còn yếu và lúng túng khi trình bày kiến thức trong điều kiện thời gian hạn chế. Vì vậy, việc tổ chức hoạt động trải nghiệm sáng tạo các kiến thức này nhằm góp phần phát huy tính tích cực, tự lực và nâng cao chất lượng kiến thức cho HS là rất cần thiết. Xem xét tình hình chung về TBTN minh họa SQĐB & QKĐB để tìm hiểu những khó khăn, nhằm đề ra cách khắc phục, chúng tôi thấy có những vấn đề như sau: * Tình hình nghiên cứu ngoài nước: Một số hãng thiết bị dạy học của Mĩ, Đức, Trung Quốc... đã giới thiệu trên thị trường một số TBTN minh họa SQĐB & QKĐB. Đặc điểm chung của các thiết bị này là bền, đẹp nhưng khá cồng kềnh, đắt tiền. Chính vì vậy, các TBTN này chỉ được dùng làm TN biểu diễn của GV, không tạo điều kiện cho HS được trực tiếp sử dụng trong giai đoạn học tập trên lớp để chiếm lĩnh kiến thức. Vì vậy, các TBTN này chưa thực sự phù hợp với việc dạy học các kiến thức về sự SQĐB & QKĐB theo hướng phát triển hoạt động của HS. Ngoài ra, các TBTN này thường mang tính đơn lẻ và thực hiện được ít phương án TN [4]. * Tình hình nghiên cứu trong nước: Theo danh mục TBTN của Bộ giáo dục cấp cho các trường THPT không có TBTN minh họa SQĐB & QKĐB [5]. Từ những phân tích trên, đặt ra yêu cầu nghiên cứu xây dựng các TBTN mới dùng trong dạy học các kiến thức về SQĐB & QKĐB nhằm đáp ứng được yêu cầu đổi mới dạy học ở nước ta. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Hoạt động trải nghiệm sáng tạo Hoạt động trải nghiệm sáng tạo hình thành và phát triển những phẩm chất, tư tưởng, ý chí, tình cảm, giá trị, kĩ năng sống và những năng lực chung cần có ở con người trong xã hội hiện đại. Nội dung tập trung chủ yếu vào: Kiến thức thực tiễn gắn bó với đời sống, địa phương, cộng đồng, đất nước, mang tính tổng hợp nhiều lĩnh vực giáo dục, nhiều môn học; dễ vận dụng vào thực tế. Được thiết kế thành các chủ điểm mang tính mở, không yêu cầu mối liên hệ chặt chẽ giữa các chủ điểm. Hình thức tổ chức hoạt động trải nghiệm sáng tạo: Đa dạng, phong phú, mềm dẻo, linh hoạt, mở về không gian, thời gian, quy mô, đối tượng và số lượng [6]. 2.2. Dạy học môn vật lí ở trường phổ thông Vật lí là môn khoa học thực nghiệm, với yêu cầu quan trọng của chương trình vật lí phổ thông là coi trọng thực nghiệm, tăng cường các tiết học vật lí có làm TN. Học vật lí qua TN, vật lí không chỉ dừng ở mức độ rèn luyện cho HS kĩ năng thực hiện các thao tác TN mà cần giúp HS sử dụng các TN khám phá kiến thức vật lí. Vì vậy, không chỉ yêu cầu HS tiến hành TN với bộ TN thiết kế sẵn mà cần giúp HS trải nghiệm sáng tạo để hiểu sâu sắc thiết kế của TN, ứng dụng kĩ thuật của TN trong đời sống. Do vậy, việc GV cần có những biện pháp tổ chức học tập thông qua hoạt động trải nghiệm là hết sức cần thiết, để tạo hứng thú học tập cho HS và từ đó HS cũng dễ dàng tiếp thu kiến thức một cách chủ động và hình thành những năng lực cần thiết [2]. 2.3. Cơ sở lí thuyết về sự quay đồng bộ và không đồng bộ [3] - Từ trường quay: Khi quay một nam châm quanh một trục, từ trường do nam châm gây ra có các đường sức từ quay trong không gian. Đó là một từ trường quay. Để tạo ra từ trường quay có hai cách: + Tạo ra từ trường quay bằng cách quay nam châm. 257 Nguyễn Quốc Huy, Bùi Văn Thiện + Tạo ra từ trường quay bằng dòng điện ba pha. - Sự quay đồng bộ và quay không đồng bộ của Rôto trong động cơ điện + Trong động cơ đồng bộ, tốc độ quay của Rôto bằng tốc độ quay của từ trường. + Trong động cơ không đồng bộ, tốc độ quay của Rôto nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường. - Cấu tạo của động cơ điện không đồng bộ + Stato gồm 3 cuộn dây giống hệt nhau bố trí trên một vành tròn, trục của ba cuộn dây đặt lệch nhau góc 120◦. + Rôto là một hình trụ tạo bởi nhiều là thép mỏng ghép cách điện với nhau. - Cấu tạo của động cơ điện đồng bộ + Stato gồm ba cuộn dây được bố trí trên một vành tròn, sao cho trục của ba cuộn dây đặt lệch nhau góc 120◦. Khi hoạt động Stato được cấp nguồn điện ba pha để tạo ra từ trường quay. + Rôto là cuộn dây, khi hoạt động Rôto được cấp nguồn điện không đổi để tạo ra từ trường không đổi. 2.4. Chế tạo TBTN minh họa sự quay đồng bộ và quay không đồng bộ 2.4.1. Các bộ phận của TBTN TBTN được chế tạo (Hình 1) gồm: - Hai bản từ (1) được cấu tạo từ các nam châm đất hiếm. - Rôto (2) là khối vật dẫn rỗng. - Khung dây (3) được quấn bằng dây đồng nhỏ. - Nam châm thử (4) được gắn trên một cốc giấy nhẹ, được đỡ bằng giá khi làm TN. - Động cơ điện một chiều 24 V (5) gắn trên đế (6). Trục của động cơ vuông góc với mặt phẳng đế. - Đĩa tròn (7) được gắn cố định với trục của động cơ. Trên đĩa tròn có chốt để gắn bản từ. Hình 1. TBTN minh họa sự quay đồng bộ và quay không đồng bộ Hình 2. Thí nghiệm sự quay đồng bộ 2.4.2. Các TN được tiến hành với TBTN a. Thí nghiệm 1. Minh họa sự quay đồng bộ - Mục đích TN: 258 Dạy học các kiến thức về “sự quay đồng bộ và quay không đồng bộ”... Minh họa sự quay đồng bộ. - Cơ sở lí thuyết: Khi một nam châm quay xung quanh một trục, từ trường do nam cham gây ra có các đường sức từ quay trong không gian. Đó là một từ trường quay. Nếu đặt một kim nam châm trong một từ trường quay thì kim nam châm quay theo với cùng tốc độ góc với từ trường. - Tiến trình TN: + Lắp bản từ (1) lên đĩa tròn (7) sao cho hai bản từ song song nhau (Hình 2). + Đặt cố định nam châm thử (4) vào trong vùng từ trường của hai bản từ. + Quay đĩa (7) rồi quan sát nam châm thử. b. Thí nghiệm 2. Minh họa sự quay không đồng bộ - Mục đích TN: Minh họa sự quay không đồng bộ. - Cơ sở lí thuyết: Khi một nam châm quay xung quanh một trục, từ trường do nam cham gây ra có các đường sức từ quay trong không gian. Đó là một từ trường quay. Nếu đặt một khung dây trong một từ trường quay thì khung dây sẽ quay theo với tốc độ góc nhỏ hơn tốc độ góc của từ trường. - Tiến trình TN: + Lắp bản từ (1) lên đĩa tròn (7) sao cho hai bản từ song song nhau (Hình 3 hoặc 4). + Đặt cố định roto (2) hoặc khung dây (3) vào trong vùng từ trường của hai bản từ. + Quay đĩa (7) rồi quan sát roto hoặc khung dây. Hình 3. Thí nghiệm sự quay không đồng bộ của khung dây Hình 4. Thí nghiệm sự quay không đồng bộ của rôto 2.5. Xây dựng phương án hướng dẫn học sinh trải nghiệm sáng tạo a. Xây dựng phiếu học tập giúp học sinh chuẩn bị bài mới thông qua việc trả lời câu hỏi HS tìm hiểu SGK để trả lời các câu hỏi sau: Câu hỏi 1: Từ trường quay là gì? Thế nào là sự quay đồng bộ và quay không đồng bộ? Câu hỏi 2: Giải thích sự quay đồng bộ và quay không đồng bộ? Câu hỏi 3: Nêu các bộ phận của thiết bị minh họa sự sự quay đồng bộ và quay không đồng bộ? 259 Nguyễn Quốc Huy, Bùi Văn Thiện b. Soạn giáo án hướng dẫn học sinh trải nghiệm sáng tạo phần kiến thức “Sự quay đồng bộ và quay không đồng bộ” (1 tiết) MỤC TIÊU Kiến thức Kĩ năng Thái độ - Phát biểu được các kiến thức về SQĐB & QKĐB - Giải thích được SQĐB & QKĐB - Xây dựng được mô hình thí nghiệm minh họa SQĐB & QKĐB - Chế tạo được mô hình đơn giản minh họa SQĐB & QKĐB - Tham gia đề xuất các phương án TN kiểm nghiệm SQĐB & QKĐB - Có ý thức chủ động, tích cực tham gia thiết kế mô hình thí nghiệm minh họa SQĐB & QKĐB CHUẨN BỊ Giáo viên Học sinh - Mô hình thí nghiệm minh họa SQĐB & QKĐB mà giáo viên đã chế tạo. - Nam châm thử, các nam châm nano bản, dây đồng, cốc giấy, chỉ, keo 502, vỏ lon bia, các bản gỗ mền mỏng, các tấm thép mỏng có kích thước 10 cm x 10 cm, thanh trụ (gỗ hoặc sắt) có đường kính 0,5 cm. - Ôn lại kiến thức về SQĐB & QKĐB. TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG Hoạt động 1: Nhắc lại các kiến thức về SQĐB & QKĐB (Làm việc chung cả lớp) (5 phút) Giáo viên Học sinh - Yêu cầu HS nhắc lại kiến thức về SQĐB & QKĐB. - Suy nghĩ và trả lời câu hỏi. - Yêu cầu HS vận dụng các kiến thức giải thích SQĐB & QKĐB. - Suy nghĩ và trả lời câu hỏi. - GV tổng kết. Hoạt động 2: Giao nhiệm vụ cho HS thiết kế mô hình thí nghiệm về SQĐB & QKĐB (Làm việc chung cả lớp)(10 phút) Giáo viên Học sinh - Chia lớp thành 3 nhóm. - Đặt vấn đề: Thiết kế mô hình thí nghiệm về SQĐB & QKĐB. - Tiếp nhận nhiệm vụ. Nêu câu hỏi gợi ý: - Để tạo ra SQĐB&QKĐB chúng ta cần có những dụng cụ nào? - Các nhóm thảo luận đưa ra câu trả lời. - Các nhóm làm việc: Phân công nhiệm vụ, thực hiện nhiệm vụ. - Theo dõi HS làm việc nhóm, giúp đỡ kịp thời nếu cần thiết. - Yêu cầu các nhóm báo cáo mẫu thiết kế mô hình thí nghiệm SQĐB & QKĐB. Nhóm cử đại diện báo cáo, các nhóm khác theo dõi, nhận xét và bổ sung vào thiết kế. - Mô hình thí nghiệm minh họa SQĐB & QKĐB: + Bộ phận tạo từ trường quay (nam châm vĩnh cửu quay hoặc dòng điện ba pha chạy trong ba cuộn dây đặt lệch nhau 120o) + Bộ phận quay: khung dây hoặc nam châm thử. 260 Dạy học các kiến thức về “sự quay đồng bộ và quay không đồng bộ”... - Quan sát mô hình thiết kế và đưa ra nhận xét. - Lắng nghe và rút ra kinh nghiệm. Hoạt động 3: Chế tạo mô hình thí nghiệm SQĐB & QKĐB (Làm việc nhóm) (20 phút) Giáo viên Học sinh - Yêu cầu mỗi nhóm chế tạo mô hình thí nghiệm SQĐB & QKĐB dùng nam châm vĩnh cửu. - Chia cho mỗi nhóm vật liệu để tiến hành chế tạo mô hình thí nghiệm SQĐB & QKĐB. - Hướng dẫn HS sử dụng dụng cụ an toàn. - Tiến hành chế tạo theo mẫu đã chọn của nhóm. - Quan sát, bao quát các nhóm chế tạo, giúp đỡ nếu cần thiết. Hoạt động 4: Thu sản phẩm, vận hành máy phát và nhận xét (5 phút) Giáo viên Học sinh - Yêu cầu mỗi nhóm trình bày và vận hành mô hình. - Quan sát. - Cho HS nhận xét các sản phẩm đã chế tạo. - Suy nghĩ và trả lời câu hỏi. - Nhận xét từng sản phẩm. Hoạt động 5: Củng cố kiến thức (5 phút) Giáo viên Học sinh - Cho HS quan sát một mô hình thí nghiệm minh họa SQĐB & QKĐB mà giáo viên đã chế tạo. - Lắng nghe. - Tổng kết và giao nhiệm vụ về nhà. - Lắng nghe. c. Phiếu đánh giá quá trình tham gia hoạt động trải nghiệm sáng tạo của HS Phiếu đánh giá quá trình trao đổi thảo luận, thuyết trình Nội dung Tiêu chí đánh giá Điểm tối đa Mức độ Trung bình Khá Giỏi Xuất sắc Trao đổi thảo luận - Các thành viên trong nhóm đóng góp ý kiến 10 - Có ý tưởng thực hiện công việc 10 - Ý kiến của nhóm thuyết phục cả lớp 10 Kĩ năng thuyết trình - Trình bày đầy đủ, rõ ràng nội dung đã làm và hoạt động của các thiết bị 10 - Phân bố thời gian hợp lí, trình bày đúng thời gian quy định 10 - Giọng nói rõ ràng, lưu loát, truyền cảm 10 - Cuốn hút người nghe tham gia tranh luận, trao đổi các vấn đề liên quan 20 - Trả lời thỏa đáng các câu hỏi chất vấn của khán giả 20 Tổng 100 261 Nguyễn Quốc Huy, Bùi Văn Thiện Phiếu đánh giá các bài báo cáo nhóm Nội dung Tiêu chí đánh giá Điểm tối đa Báo cáo lí thuyết - Nêu được cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị- Trình bày được cách chế tạo thiết bị 20 20 Báo cáo kĩ thuật - Trình bày hợp lí chính xác nguyên tắc cấu tạo của thiết bị - Nêu được ưu nhược điểm của thiết bị - Thiết kế chế tạo có tính khả thi - Có hình ảnh minh họa thiết kế rõ ràng 20 10 20 10 Tổng 100 Phiếu đánh giá quá trình trao đổi thảo luận, thuyết trình Nội dung Tiêu chí đánh giá Điểm tối đa Mức độ Trung bình Khá Giỏi Xuất sắc Trao đổi thảo luận - Các thành viên trong nhóm đóng góp ý kiến 10 - Có ý tưởng thực hiện công việc 10 - Ý kiến của nhóm thuyết phục cả lớp 10 Kĩ năng thuyết trình - Trình bày đầy đủ, rõ ràng nội dung đã làm và hoạt động của các thiết bị 10 - Phân bố thời gian hợp lí, trình bày đúng thời gian quy định 10 - Giọng nói rõ ràng, lưu loát, truyền cảm 10 - Cuốn hút người nghe tham gia tranh luận, trao đổi các vấn đề liên quan 20 - Trả lời thỏa đáng các câu hỏi chất vấn của khán giả 20 Tổng 100 Phiếu đánh sản phẩm Nội dung Tiêu chí đánh giá Điểm tối đa Hình thức - Khai thác, sử dụng các dụng cụ, vật liệu có sẵn, dễ tìm vàrẻ tiền 30 - Có tính thẩm mỹ 20 Ứng dụng - Sản phẩm sử dụng được 30 - Sản phẩm có thể đáp ứng nhu cầu thực tế 20 Tổng 100 3. Kết luận Qua nghiên cứu chúng tôi nhận thấy: - Hiện nay việc dạy học các kiến thức về SQĐB&QKĐB ở trường phổ thông còn gặp nhiều 262 Dạy học các kiến thức về “sự quay đồng bộ và quay không đồng bộ”... khó khăn do thiếu các TBTN. - Qua nghiên cứu, chúng tôi đã thực hiện việc thiết kế, chế tạo thành công 1 mẫu TBTN mới, có thể sử dụng trong dạy học các kiến thức về SQĐB & QKĐB ở trường THPT. TBTN được mô tả chi tiết về cấu tạo, các TN có thể thực hiện được với TBTN. - Xây dựng được phương án hướng dẫn HS trải nghiệm sáng tạo thông qua việc chuẩn bị kiến thức, chế tạo TBTN. Đồng thời, cũng xây dựng được quy trình đánh giá hoạt động trải nghiệm sáng tạo. - Qua việc học tập với các hoạt động trải nghiệm, HS thấy được ý nghĩa của môn học đối với cuộc sống, giá trị thực tiễn của kiến thức trong sách vở. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đức Thâm, Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế, 2002. Phương pháp dạy học vật lí ở trường phổ thông. Nxb Đại học Sư phạm, Hà Nội. [2] Lê Thái Hưng, Nguyễn Thị Hồng Nhung, 2016. Dạy học các kiến thức về máy phát điện xoay chiều vật lí lớp 12 thông qua hoạt động trải nghiệm sáng tạo. Tạp chí Thiết bị giáo dục, Số 129. [3] David Haliday, Robert Rensnick, Jeal Walker, 1999. Cơ sở vật lí - điện học 2. Nxb Giáo dục, Hà Nội. [4] www.pasco.com. [5] Thông tư số 38/2011/TT-BGDĐT ngày 29/8/2011 của Bộ trưởng Bộ giáo dục và Đào tạo. [6] Đường Thị Hà, 2014. Biện pháp tổ chức hoạt động trải nghiệm cho học sinh trong dạy học lịch sử ở trường trung học phổ thông Trần Phú-Hoàn Kiếm. Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Giáo dục, Đại học Quốc gia Hà Nội. ABSTRACT Teaching of knowledge about "the back and back not synchronized synchronized" physics grade 12 operating experience through innovation Nguyen Quoc Huy1, Bui Van Thien2 1Faculty of Physics, Hanoi National University of Education 2Hoang Van Thu High School for Grifted Students, Hoa Binh Rotary synchronous and asynchronous applications are very important in life, however, these are abstract concepts that students find difficult to remember and apply. Therefore, encouraging students to take part in a creative activity promotes a positive attitude, self-reliance and improved knowledge. Keywords: Synchronous rotation, rotation asynchronous, synchronous teaching and rotating the rotary asynchronous. 263