Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ cảm biến gia tốc và lực sử dụng trong dạy học vật lí trung học phổ thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÍ

NGÔ MINH NHỰT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CẢM BIẾN GIA TỐC
VÀ LỰC SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ
TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÍ

NGÔ MINH NHỰT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ CẢM BIẾN
ĐO GIA TỐC VÀ LỰC SỬ DỤNG TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ
TRUNG HỌC PHỔ THÔNG

Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÍ
Mã số: 102
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
ThS. MAI HOÀNG PHƯƠNG

Thành phố Hồ Chí Minh – 2016

LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với sự hỗ trợ, giúp đỡ
dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt
đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp
đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Bằng tất cả lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời
cảm ơn đến quý Thầy Cô Khoa Vật lí Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí
Minh, những người đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báo cho em trong suốt thời
gian em học tại trường.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất của mình đến Thầy Mai Hoàng Phương,
người đã rất nhiệt tình, tận tâm, chu đáo, cung cấp những kiến thức và hướng dẫn em thực
hiện đề tài này. Thầy là người truyền cho em niềm đam mê, yêu thích khám phá Vật lí,
truyền cho em lòng yêu nghề giáo cao quí mà mình đang theo đuổi.
Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Lâm Duy, người đã
tận tình hướng dẫn về mặt kỹ thuật để em hoàn thành tốt luận văn này. Em cũng xin cảm
ơn Thầy Nguyễn Huỳnh Duy Khang và Thầy Nguyễn Tấn Phát, những người đã luôn ở
bên cạnh động viên, hướng dẫn và hỗ trợ những lúc em gặp khó khăn khi thực hiện luận
văn này. Em xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô giảng viên Khoa Vật Lý, trường Đại
học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh – những người đã trang bị cho em kiến thức hữu
ích giúp em hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn
bè – những người đã luôn động viên, chia sẽ, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quí báu
trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn!
TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 04 năm 2016
Sinh viên
Ngô Minh Nhựt


I

MỤC LỤC

MỤC LỤC ....................................................................................................................................................... I
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................................................... VI
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................................................... VII
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................................1
1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu.........................................................................................................1

2.

Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................................................2

3.

Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................................................2

4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................................................2

5.

Nhiệm vụ nghiên cứu .........................................................................................................................3

6.

Những đóng góp của đề tài.................................................................................................................3

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................................................4
1.1.

TÍNH TÍCH CỰC VÀ SÁNG TẠO CỦA HỌC SINH TRONG HỌC TẬP .................................4

1.1.1.

Tính tích cực của HS trong học tập. ...........................................................................................4

1.1.2.

Tính sáng tạo của HS trong học tập. ..........................................................................................4

1.1.3.
Phát huy tính tích cực và năng lực sáng tạo trong dạy học vật lí dựa trên phương pháp dạy học
giải quyết vấn đề ........................................................................................................................................5
1.2.

THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ ................................................................................7

1.2.1.

Thí nghiệm vật lí ....................................................................................................................7

1.2.2.

Vai trò của thí nghiệm trong tiến trình dạy học vật lí ............................................................8

1.2.3.

Quy trình xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học vật lí ............................................9

1.3.

GIỚI THIỆU VỀ BỘ THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH .................................................... 14

1.3.1.

Vi điều khiển Atmega328P ................................................................................................. 14

1.3.2.

Board Arduino ..................................................................................................................... 16

1.3.3.

Chuẩn phát sóng radio ......................................................................................................... 17

1.4.

TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN .................................................................................................. 19

1.4.1.

Cảm biến đo lực .................................................................................................................. 19

1.4.2.

Cảm biến đo gia tốc ............................................................................................................. 20

1.4.3.

Kỹ thuật lập trình bằng ngôn ngữ Labview ......................................................................... 23


II

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG CỦA BỘ THÍ NGHIỆM ................................... 26
2.1.

CẢM BIẾN ĐO LỰC ................................................................................................................. 26

2.1.1.

Yêu cầu chế tạo ................................................................................................................... 26

2.1.2.

Chế tạo ................................................................................................................................ 26

2.2.

CẢM BIẾN ĐO GIA TỐC.......................................................................................................... 29

2.2.1.

Yêu cầu chế tạo ................................................................................................................... 29

2.2.2.

Chuẩn cảm biến ................................................................................................................... 29

2.3.

THIẾT KẾ MẠCH PHÁT SÓNG RADIO TRUYỀN DỮ LIỆU ............................................... 32

2.3.1.

Khối nguồn .......................................................................................................................... 33

2.3.2.

Khối xử lí tín hiệu từ cảm biến............................................................................................ 34

2.3.3.

Vi điều khiển và phát sóng radio truyền dữ liệu ................................................................. 34

2.4.

MẠCH GIAO TIẾP MÁY TÍNH VÀ BỘ THÍ NGHIỆM HOÀN CHỈNH ................................ 35

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ GIAO DIỆN DẠY HỌC .................................................................................... 37
3.1.

THIẾT KẾ GIAO DIỆN DẠY HỌC BẰNG NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH LABVIEW ............... 37

3.1.1.

Đọc dữ liệu từ phần cứng thông qua chuẩn giao tiếp nối tiếp ............................................. 38

3.1.2.

Kiểm tra và xử lí các tương tác người dùng trên giao diện dạy học.................................... 38

3.2.

KẾT QUẢ THIẾT KẾ GIAO DIỆN DẠY HỌC ........................................................................ 38

3.2.1.

Thanh công cụ ..................................................................................................................... 39

3.2.2.

Bảng biểu và đồ thị.............................................................................................................. 40

3.2.3.

Thiết lập các thông số đọc dữ liệu. ...................................................................................... 41

3.2.4.

Các bước thu thập dữ liệu từ phần cứng.............................................................................. 41

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA BỘ THÍ NGHIỆM ......................... 43
4.1.

THÍ NGHIỆM CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ HỌC ............................................................................. 43

4.1.1.

Mục đích thí nghiệm ........................................................................................................... 43

4.1.2.

Các bước tiến hành thí nghiệm. ........................................................................................... 44

4.2. BÀN LUẬN KẾT QUẢ VÀ CÁC Ý TƯỞNG KHAI THÁC BỘ THÍ NGHIỆM TRONG DẠY
HỌC VẬT LÍ .......................................................................................................................................... 56
KẾT LUẬN ................................................................................................................................................. 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................................... 60
PHỤ LỤC .................................................................................................................................................... 62
1.

Chức năng các chân vi điều khiển Atmega328P ............................................................................. 62


III

2.

Chương trình nạp cho arduino uno.................................................................................................. 64

3.

Chương trình nạp vi điều khiển Atmega328P. ................................................................................ 67

IV

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1. 1. Sơ đồ bộ cảm biến kết nối máy tính. ................................................................. 14
Hình 1. 2. Vi điều khiển Atmega328P. .............................................................................. 15
Hình 1. 3. Sơ đồ các chân Atmega328P. ............................................................................ 15
Hình 1. 4. Board Arduino uno. ........................................................................................... 17
Hình 1. 5. Module nRFL01 và sơ đồ các chân. .................................................................. 18
Hình 1. 6. Sơ đồ kết nối module nRFL01 với vi điều khiển Atmega 328P. ...................... 18
Hình 1. 7. Mạch cầu Wheastone và tấm strain gauge. ....................................................... 19
Hình 1. 8. Mạch cầu Wheastone khi các strain gauge bị biến dạng. .................................. 20
Hình 1. 9. Nguyên lý đo gia tốc của cảm biến công nghệ MEMS. .................................... 21
Hình 1. 10. Cảm biến đo gia tốc ADXL335. ...................................................................... 22
Hình 1. 11. Front Panel (a) và Block Diagram (b) của một chương trình.......................... 24
Hình 1. 12. Khối Block Diagram chương trình đọc dữ liệu thông qua cổng COM. .......... 25
Hình 2. 1. Sơ đồ bộ thí nghiệm kết nối máy tính bằng sóng radio. .................................... 26
Hình 2. 2. Cảm biến đo lực (Loadcell). .............................................................................. 26
Hình 2. 3. Sơ đồ nguyên lí mạch khếch đại dùng IC INA125. .......................................... 27
Hình 2. 4. Đường cong chuẩn cảm biến lực là một đoạn thẳng tuyến tính. ....................... 28
Hình 2. 5. Gia tốc trọng trường khi đặt cảm biến xoay theo các hướng khác nhau. .......... 30
Hình 2. 6. Chuẩn cảm biến gia tốc. .................................................................................... 30
Hình 2. 7. Đường cong chuẩn của cảm biến gia tốc theo trục Ox...................................... 31
Hình 2. 8. Đường cong chuẩn của cảm biến gia tốc theo trục Oy...................................... 32
Hình 2. 9. Sơ đồ nguyên lí mạch xử lí tín hiệu cảm biến và phát sóng radio tần số 2.4
GHz. .................................................................................................................................... 33
Hình 2. 10. Sơ đồ kết nối nRFL01 với vi điều khiển. ........................................................ 34
Hình 2. 11. Sơ đồ kết nối nRFL01 với Ardunio uno. ......................................................... 35
Hình 2. 12. Bộ cảm biến đo gia tốc và lực. ........................................................................ 35
Hình 2. 13. Bộ thu sóng radio............................................................................................. 35

Hình 3. 1. Sơ đồ thuật toán chương trình giao diện trên máy tính. .................................... 37
Hình 3. 2. Giao diện dạy học. ............................................................................................. 39
Hình 3. 3. Chức năng tìm hàm tuyến tính. ......................................................................... 40
Hình 3. 4. Hộp thoại xuất file JPEG ................................................................................... 40
Hình 3. 5. Sao chép dữ liệu từ bảng biểu sang chương trình bảng tính Excel. .................. 41


V

Hình 4. 1. Bố trí thí nghiệm 1. ............................................................................................ 45
Hình 4. 2. Đồ thị vận tốc – thời gian (v – t) trong chuyển động thẳng đều. ...................... 46
Hình 4. 3. Bố trí thí nghiệm 2.1.......................................................................................... 47
Hình 4. 4. Đồ thị gia tốc – thời gian (a – t) trong thí nghiệm 2.1....................................... 48
Hình 4. 5. Bố trí thí nghiệm 2.2.......................................................................................... 49
Hình 4. 6. Đồ thị gia tốc – thời gian (a – t) trong thí nghiệm 2.2....................................... 49
Hình 4. 7. Đồ thị lực – thời gian (F – t) trong chuyển động nhanh dần đều. ..................... 50
Hình 4. 8. Thí nghiệm dao động điều hòa. ......................................................................... 51
Hình 4. 9. Đồ thị F – t trong giao động điều hòa................................................................ 51
Hình 4. 10. Đồ thị gia tốc – thời gian (a – t) trong dao động điều hòa. ............................. 52
Hình 4. 11. Đồ thị lực – gia tốc (F – a) trong dao động điều hòa. ..................................... 52
Hình 4. 12. Bố trí thí nghiệm 5. .......................................................................................... 53
Hình 4. 13. Bố trí thí nghiệm va chạm đàn hồi. ................................................................. 55
Hình 4. 14. Đồ thị vận tốc – thời gian (v – t) trong va chạm đàn hồi. ............................... 55


VI

DANH MỤC CÁC BẢNG
1.1.

Các đặc tính nổi bậc của vi điều khiển Atmega328P ……………………………15

1.2.

Chức năng các chân cảm biến ADXL335...………………………………………22

4.1.

So sánh kết quả đo vận tốc bằng bộ cảm biến và phương pháp dùng cổng quang

điện…………………………………………………..…………………………………...46
4.2.

So sánh cảm biến lực đã chế tạo với lực kế lò xo và cảm biến lực của hãng Vernier

…………………………………………………………………….……………………...53


VII

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADC : Analog Digital Converter – chuyển đổi tương tự sang số
DC : Direct Current – dòng điện một chiều
GV : Giáo viên
HS : Học sinh
IC : Integrated Circuit – mạch tích hợp
LabVIEW: Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench - Phòng
thiết bị thí nghiệm ảo
SGK : Sách giáo khoa
THPT : Trung học phổ thông

TN : Thí nghiệm
SPI: Serial Peripheral Interface


1

MỞ ĐẦU
1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu
Vật lí là một môn khoa học thực nghiệm gần gũi và gắn liền với cuộc sống. Do

vậy, việc dạy và thực hành thí nghiệm vật lí đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành
kiến thức, kỹ năng và phát triển tư duy cho học sinh THPT. Tuy nhiên do những điều kiện
khách quan cũng như thiếu thốn về dụng cụ thí nghiệm mà việc đưa thí nghiệm vật lí vào
dạy học hay thực hành thí nghiệm vật lí ở các trường THPT còn nhiều khó khăn và hạn
chế. Đặc biệt là việc sử dụng các bộ thí nghiệm phần Động lực học – Vật lí 10 luôn gặp
khó khăn trong việc xác định các đại lượng như gia tốc, vận tốc và lực tác dụng,… Các
phương pháp truyền thống như dùng cần rung điện, đồng hồ hiện số, lực kế thường cho
kết quả kém chính xác và việc thu nhận xử lí số liệu tốn nhiều thời gian, gây khó khăn
cho việc dạy và học của giáo viên, học sinh.
Hiện nay một số bộ thí nghiệm ghép nối với máy vi tính cùng với các phần mềm
xử lí số liệu thí nghiệm giúp cho việc mà việc đo đạc và xử lí số liệu thí nghiệm trở nên
nhanh chóng và dễ dàng hơn. Cụ thể như các thiết bị ghép nối và các phần mềm tương
ứng của Cassy, Phywe (Đức), Pasco, Vernier (Mỹ), Coach (Hà Lan)… Tuy nhiên, các bộ
thí nghiệm này chủ do các hãng nước ngoài sản xuất nên giá thành tương đối cao, chương
trình xử lí số liệu khó sử dụng nên khó trang bị rộng rãi trong dạy và học Vật lí ở Việt
Nam.
Trong chương trình Vật lí lớp 10, GV thường gặp nhiều khó khăn trong việc giảng
dạy nội dung phần động lực học. Do những khó khăn trong khảo sát các đại lượng tức

thời như lực, gia tốc, vận tốc nên giáo viên thường thuyết trình, diễn giảng và đưa ra công
thức cho học sinh công nhận, chưa chú trọng đến việc tổ chức hoạt động dạy học sử dụng
thí nghiệm để hình thành kiến thức cho học sinh. Những khó khăn trên ảnh hưởng đến
việc phát triển tư duy và tạo niềm tin vững chắc về kiến thức mà học sinh lĩnh hội. Gần
đây, một số tác giả thuộc Đại học Tây Nguyên [1] đã nghiên cứu sử dụng nhiều loại cảm
biến để chế tạo các thiết bị thí nghiệm vật lí phổ thông và ứng dụng trong giảng dạy phần


2

Động lực học – Vật lí 10 THPT. Những công trình của tác giả đã ứng dụng hiệu quả kỹ
thuật ghép nối máy tính cho các bộ thí nghiệm vật lí, nâng cao độ chính xác của các dữ
liệu thu thập cũng như giúp cho việc xử lí số liệu dễ dàng và nhanh chóng hơn. Tuy
nhiên, các bộ thí nghiệm này thường có dây nối từ máy tính đến vật cần khảo sát làm cho
việc bố trí thí nghiệm cồng kềnh, phức tạp, dẫn đến kết việc thu thập số liệu từ cảm biến
kém chính xác.
Từ những lí do trên, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thiết kế,
chế tạo bộ cảm biến đo gia tốc và lực sử dụng trong trong dạy học Vật lí THPT”.
2.

Mục tiêu nghiên cứu
Thiết kế và chế tạo bộ thí nghiệm cảm biến đo lực, cảm biến đo gia tốc và bộ kết

nối với máy vi tính tương thích để tiến hành các thí nghiệm trong dạy học vật lí ở trường
phổ thông theo hướng tăng cường hoạt động nhận thức tích cực và sáng tạo của học sinh.
3.

Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các tài liệu nguyên lý hoạt động của

các loại cảm biến, lý thuyết truyền nhận dữ liệu bằng sóng radio và lý luận phương pháp
dạy học vật lí THPT.
Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia: Nhờ giảng viên hướng dẫn để xây dựng sơ đồ
và cấu tạo bộ thí nghiệm.
Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát đặc tính cũng như hoạt động của của cảm
biến, truyền nhận dữ liệu giữa hai board mạch bằng sóng radio trên testboard, từ đó rút ra
ưu nhược điểm và thiết kế mạch hoàn chỉnh. Làm thí nghiệm khảo sát, sau đó đánh giá sai
số tương đối, so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả lý thuyết và kết quả từ các bộ thí
nghiệm khác, đánh giá độ chính xác của bộ thí nghiệm.
4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu


3

Đối tượng nghiên cứu: Các cảm biến đo lường, kiến thức điện – điện tử cơ bản, vi
điều khiển AVR, ngôn ngữ lập trình Labview, các nội dung kiến thức vật lí THPT có sử
dụng các bộ thí nghiệm ghép nối máy tính.
5.

Nhiệm vụ nghiên cứu
− Nghiên cứu lí luận dạy học hiện đại và việc xây dựng, sử dụng các thiết bị thí
nghiệm theo hướng phát triển hoạt động nhận thức tích cực, sáng tạo của học sinh
trong dạy học vật lí ở trường phổ thông.
− Nghiên cứu các loại cảm biến phục vụ cho việc đo đạc các đại lượng lực và gia
tốc: phạm vi đo đạc, mức độ chính xác, phương thức hoạt động.
− Nghiên cứu kiến thức điện – điện tử: ngôn ngữ lập trình Labview, bảng mạch điện
tử Arduino, vi điều khiển Atmega328P, module truyền nhận dự liệu bằng sóng
radio nRFl01: cách thức hoạt động, cách lập trình cho arduino và vi điều khiển,

giao tiếp giữa hai bảng mạch thông qua sóng radio.
− Thiết kế giao diện dạy học trên máy vi tính.
− Thiết kế và chế tạo được bộ thí nghiệm sử dụng cho phần động lực học.
− Đánh giá bộ thí nghiệm nhằm rút ra được ưu nhược điểm của bộ thí nghiệm, từ đó
đề xuất hướng cải tiến phù hợp.

6.

Những đóng góp của đề tài
− Thiết kế được giao diện dạy học trên máy vi tính.
− Thiết kế, chế tạo được bộ thí nghiệm cảm biến đo lực, gia tốc và bộ kết nối tương
thích.
− Xây dựng được 5 bài thí nghiệm: kiểm chứng định luật I, II, III Newton, kiểm
chứng dao động điều hòa của con lắc lò xo, kiểm chứng va chạm đàn hồi.


4

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1.

TÍNH TÍCH CỰC VÀ SÁNG TẠO CỦA HỌC SINH TRONG HỌC TẬP
1.1.1. Tính tích cực của HS trong học tập.
Khái niệm:
Học tập là một trường hợp riêng của nhận thức, thực hiện dưới sự chỉ đạo, tổ chức

hướng dẫn của GV. Vì vậy, tính tích cực học tập thực chất là tính tích cực nhận thức hay
hoạt động nhận thức tích cực.
Tính tích cực trong hoạt động nhận thức của HS là một hiện tượng sư phạm biểu
hiện ở sự cố gắng hết sức về nhiều mặt trong hoạt động nhận thức của HS nói chung. Tính

tích cực học tập là sự phát triển ở mức độ cao hơn trong tư duy, đòi hỏi một quá trình hoạt
động “bên trong” hết sức căng thẳng với một nghị lực cao của bản thân nhằm đạt được
mục đích là giải quyết vấn đề cụ thể đặt ra.
Các biểu hiện của tính tích cực trong học tập:
Tính tích cực trong hoạt động nhận thức của HS thể hiện ở những hoạt động cơ bắp
nhưng quan trọng hơn là sự biểu hiện ở hoạt động trí tuệ: hai hình thức biểu hiện này
thường đi liền với nhau. Có thể nêu những dấu hiệu của tính tích cực hoạt động trí tuệ như
sau:
− HS khao khát tự nguyện tham gia trả lời câu hỏi của GV, bổ sung câu trả lời của
bạn, thích được phát biểu ý kiến của mình về những vấn đề nêu ra.
− HS hay nêu thắc mắc, đòi hỏi GV phải giải thích cặn kẽ những vấn đề GV trình
bày chưa đủ rõ.
− HS chủ động vận dụng linh hoạt những kiến thức kỹ năng đã học được để nhận ra
vấn đề mới.
− HS mong muốn đóng góp với thầy, với bạn những thông tin mới mẻ lấy từ những
nguồn thông tin khác nhau, có khi vượt ra ngoài phạm vi bài học.
1.1.2. Tính sáng tạo của HS trong học tập.


5

Năng lực sáng tạo là khả năng tạo ra những giá trị mới về tinh thần, vật chất, tìm ra
kiến thức mới, giải pháp mới, công cụ mới, vận dụng thành công những hiểu biết đã có
vào hoàn cảnh mới. Như vậy, sản phẩm của sự sáng tạo không thể suy ra từ cái đã biết
bằng cách suy luận logic hay bắt chước làm theo . Năng lực sáng tạo gắn liền với kỹ năng,
kỹ xảo và vốn hiểu biết của chủ thể.
Trong bất cứ lĩnh vực hoạt động nào, càng thành thạo và có kiến thức sâu rộng thì
càng nhạy bén trong dự đoán, đề ra được nhiều dự đoán, nhiều phương án để lựa chọn,
càng tạo điều kiện cho trực giác phát triển. Bởi vậy, không thể rèn luyện năng lực sáng
tạo tách rời, độc lập với học tập kiến thức về một lĩnh vực nào đó.

1.1.3. Phát huy tính tích cực và năng lực sáng tạo trong dạy học vật lí dựa
trên phương pháp dạy học giải quyết vấn đề [1, tr.8 – 10]
Khái niệm dạy học giải quyết vấn đề:
Dạy học giải quyết vấn đề được hiểu theo nghĩa chung nhất là toàn bộ các hành
động như: tổ chức các tình huống có vấn đề, nêu ra vấn đề, chú ý những điều cần thiết
để HS giải quyết vấn đề, hướng dẫn, điều khiển việc giải quyết vấn đề của HS, kiểm
tra cách giải quyết đó và cuối cùng lãnh đạo quá trình hệ thống hoá và cũng cố kiến
thức thu nhận được.
Dạy học giải quyết vấn đề có tác dụng phát huy hoạt động nhận thức một cách
tích cực của HS, giúp HS chiếm lĩnh được các tri thức khoa học sâu sắc, vững chắc và
vận dụng được các kiến thức đó vào các tình huống cụ thể. Đồng thời đảm bảo sự phát
triển trí tuệ, phát triển năng lực sáng tạo của HS trong quá trình học tập. Trong dạy học
giải quyết vấn đề, khái niệm vấn đề dùng để chỉ một khó khăn, một nhiệm vụ nhận thức
mà người học không thể giải quyết được bằng vốn tri thức, kinh nghiệm sẵn có, nghĩa là
không thể dùng tư duy tái hiện đơn thuần để giải quyết mà phải tìm tòi sáng tạo và khi
giải quyết được thì người học đã thi nhận được kiến thức, kỹ năng mới.


6

Tình huống có vấn đề là tình huống mà khi HS tham gia thì gặp khó khăn, HS ý
thức được vấn đề, mong muốn giải quyết được vấn đề đó và cảm thấy với khả năng
của mình thì hy vọng có thể giải quyết được. Nghĩa là, tình huống đó phải kích thích
được hoạt động nhận thức tích cực của HS: đề xuất vấn đề và giải quyết vấn đề đã đề
xuất.
Các pha của tiến trình dạy học giải quyết vấn đề:
Để phát huy đầy đủ vai trò tích cực của HS trong hoạt động cá nhân và thảo
luận tập thể nhằm giải quyết vấn đề cũng như vai trò của GV trong việc tổ chức, kiểm
tra, định hướng các hoạt động đó thì với mỗi nhiệm vụ nhận thức cần phải được thực
hiện theo các pha:

− Pha thứ nhất: Chuyển giao nhiệm vụ, bất ổn hoá tri thức, phát biểu vấn đề
Trong pha này, GV giao cho HS một nhiệm vụ có tiềm ẩn vấn đề. Dưới sự
hướng dẫn của GV, HS quan tâm đến nhiệm vụ đặt ra, sẵn sàng nhận và tự nguyện
thực hiện nhiệm vụ. Trong quá trình giải quyết nhiệm vụ đó, quan niệm và giải
pháp ban đầu của HS được thử thách và HS ý thức được khó khăn. Lúc này vấn đề
đối với HS xuất hiện, dưới sự hướng dẫn của GV vấn đề đó được chính thức diễn
đạt.
− Pha thứ hai: Học sinh hành động độc lập, tích cực, trao đổi, tìm tòi giải quyết vấn
đề. Sau khi đã phát biểu vấn đề, HS độc lập hoạt động, xoay sở để vượt qua khó
khăn. Trong quá trình đó, khi cần, vẫn phải có sự định hướng của GV. Trong quá
trình tìm tòi giải quyết vấn đề, HS diễn đạt, trao đổi với người khác trong nhóm về
cách giải quyết vấn đề của mình và kết quả thu được, qua đó có thể chỉnh lí, hoàn
thiện tiếp. Dưới sự hướng dẫn của GV, hành động của HS được định hướng phù
hợp với tiến trình nhận thức khoa học và thông qua các tình huống thứ cấp khi cần.
Qua quá trình dạy học, cùng với sự phát triển năng lực giải quyết vấn đề của HS,
các tình huống thứ cấp sẽ giảm dần. Sự định hướng của GV chuyển dần từ định
hướng khái quát chương trình hoá (theo các bước tuỳ theo trình độ của HS) tiệm


7

cận dần đến định hướng tìm tòi sáng tạo, nghĩa là GV chỉ đưa ra cho HS những gợi
ý sao cho HS có thể tự tìm tòi, huy động hoặc xây dựng những kiến thức và cách
thức hoạt động thích hợp để giải quyết nhiệm vụ mà họ đảm nhận. GV cần phải
nắm vững quy luật chung của quá trình nhận thức khoa học, logic hình thành các
kiến thức vật lí, những hành động thường gặp trong quá trình nhận thức vật lí,
những phương pháp nhận thức vật lí phổ biến để hoạch định những hành động,
thao tác cần thiết của HS trong quá trình chiếm lĩnh một kiến thức hay một kỹ năng
xác định.
− Pha thứ ba: Tranh luận, thể chế hoá, vận dụng tri thức mới. Trong pha này, dưới sự

hướng dẫn của GV, HS tranh luận, bảo vệ cái xây dựng được. GV chính xác hoá,
bổ sung, thể chế hóa tri thức mới. HS chính thức ghi nhận tri thức mới và vận
dụng. Tổ chức dạy học theo tiến trình trên, GV đã tạo điều kiện thuận lợi để HS
phát huy sự tích cực hành động xây dựng kiến thức đồng thời cũng phát huy được
vai trò tương tác của tập thể HS đối với quá trình nhận thức của mỗi cá nhân HS.
Tham gia vào quá trình giải quyết vấn đề như vậy, hoạt động của HS đã được định
hướng phỏng theo tiến trình xây dựng kiến thức trong nghiên cứu khoa học. Như
vậy, kiến thức của HS được xây dựng một cách hệ thống và vững chắc, năng lực
sáng tạo của HS từng bước được phát triển.
1.2.

THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ
1.2.1. Thí nghiệm vật lí
Thí nghiệm vật lí trong trường phổ thông là sự phản ánh phương pháp nghiên cứu

khoa học trong việc nghiên cứu các hiện tượng vật lí, vì vậy chúng mang những yếu tố cơ
bản của thí nghiệm khoa học vật lí. Nhờ các thí nghiệm vật lí, học sinh có được những
quan niệm cơ bản về phương pháp thực nghiệm khoa học [3, tr.26].
Thí nghiệm vật lí học tập được hiểu là sự tái tạo nhờ các dụng cụ đặc biệt các hiện
tượng vật lí trên lớp học trong những điều kiện thuận tiện nhất để nghiên cứu chúng. Vì


8

vậy, thí nghiệm vật lí đồng thời là nguồn kiến thức, phương pháp dạy học và là một dạng
trực quan.
Là phương tiện thông tin học tập, thí nghiệm vật lí đồng thời là phương tiện trực
quan chính được sử dụng khi dạy học vật lí, cho phép hình thành ở học sinh những biểu
tượng cụ thể, phản ánh đúng đắn trong ý thức của học sinh các hiện tượng, quá trình và
các định luật liên kết chúng.

Thí nghiệm vật lí nếu được tổ chức đúng sẽ là một phương tiện giáo dục các phẩm
chất cá nhân cho học sinh, như tính kiên trì đạt được mục đích đặt ra, tính thận trọng
trong việc thu nhập các sự kiện và trong công việc sau này. Phát triển ở học sinh các kỹ
năng quan sát và rút ra trong các hiện tượng được nghiên cứu những dấu hiệu bản chất...
1.2.2. Vai trò của thí nghiệm trong tiến trình dạy học vật lí
Thí nghiệm vật lí là cơ sở để xây dựng, chứng minh kiến thức vật lí.
Thí nghiệm là phương tiện kích thích sự hứng thú học tập vật lí, tổ chức quá trình
học tập tích cực, tự chủ và sáng tạo của học sinh. Trong quá trình thí nghiệm, học sinh
phải tiến hành một loạt các hoạt động trí tuệ, thể chất như: thiết kế phương án, kế hoạch
thí nghiệm, lập bảng giá trị đo, chọn dụng cụ bố trí và tiến hành thu thập xử lí kết quả thí
nghiệm,… Chính vì vậy thí nghiệm là phương tiện hữu hiệu để bồi dưỡng năng lực sáng
tạo cho học sinh [1, tr.11].
Thí nghiệm góp phần vào việc phát triển toàn diện của học sinh. Việc sử dụng thí
nghiệm trong dạy học góp phần quan trọng vào việc hoàn thiện những phẩm chất và năng
lực của học sinh, đưa đến sự phát triển toàn diện cho người học. Trước hết, thí nghiệm là
phương tiện nhằm góp phần nâng cao chất lượng kiến thức và rèn luyện kĩ năng, kĩ xảo
vật lí cho HS. Nhờ thí nghiệm HS có thể hiểu sâu hơn bản chất vật lí của các hiện tượng,
định luật, quá trình... được nghiên cứu và do đó có khả năng vận dụng kiến thức vào thực
tiễn của HS sẽ linh hoạt và hiệu quả hơn.


9

Thí nghiệm vật lí có thể sử dụng như phương tiện để đề xuất vấn đề; để cho học
sinh vận dụng, củng cố kiến thức, để kiểm tra kiến thức vật lí của học sinh.
Thí nghiệm là phương tiện góp phần quan trọng vào việc giáo dục kĩ thuật tổng
hợp cho học sinh. Thí nghiệm là phương tiện tổ chức các hình thức làm việc tập thể khác
nhau, bồi dưỡng phẩm chất đạo đức của học sinh. Một số thí nghiệm được phân công cho
một nhóm học tiến hành do vậy đòi hỏi sự phân công phối hợp làm việc tự chủ của mỗi cá
nhân trong tập thể, vì vậy trong quá trình thí nghiệm đã diễn ra một quá trình bồi dưỡng

các phẩm chất đạo đức, xây dựng các chuẩn mực hành động tập thể.
1.2.3. Quy trình xây dựng và sử dụng thí nghiệm trong dạy học vật lí
1.2.3.1. Qui trình xây dựng thí nghiệm
Quá trình xây dựng TN có thể được tiến hành theo các giai đoạn sau:
− Xác định nội dung kiến thức, kỹ năng mà học sinh cần có được trong quá trình
học tập.
− Xác định các TN cần tiến hành trong dạy học nội dung này.
− Tìm hiểu tình hình thực tiễn để xác định được hiện nay đã có những thí nghiệm
nào đã được sử dụng? Việc tiến hành các thí nghiệm này có những ưu nhược
điểm gì? Có đáp ứng được các yêu cầu đã nêu trên không, nhất là yêu cầu đối
với việc dạy học phát huy tính tích cực, phát triển năng lực sáng tạo của học
sinh.
1. Giai đoạn nghiên cứu này đi đến kết luận: một số thí nghiệm đã có sẵn và đáp
ứng được các yêu cầu dạy học; một số khác chưa phát huy được vai trò của
chúng với hoạt động nhận thức của HS khi sử dụng, cần cải tiến hoàn thiện;
không có thí nghiệm nào để tiến hành.
2. Đối với trường hợp cần nghiên cứu cải tiến, hoàn thiện các TN đã có sẵn (nhưng
chưa đáp ứng nhu cầu dạy học) và nghiên cứu thiết kế, chế tạo TN mới thì trong


10

cả hai trường hợp các TN phải đảm bảo được yêu cầu về mặt khoa học – kỹ
thuật và yêu cầu về mặt sư phạm.
3. Xây dựng thử TN, tiến hành nhiều lần các TN nhằm đảm bảo TN thành công.
Sau đó, cần phân tích, đánh giá TN này để điều chỉnh thiết kế sao cho TN có thể
đạt tối đa các yêu cầu về mặt khoa học – kỹ thuật và yêu cầu về mặt sư phạm.
4. Đưa TN đã đề xuất vào thực nghiệm sư phạm để tiếp tục xác định những khó
khăn, hạn chế trong quá trình sử dụng nhằm bổ sung hoàn chỉnh TN.
5. Sản xuất TN mẫu, soạn tài liệu hướng dẫn, trình Bộ giáo dục và đào tạo duyệt

để có thể sản xuất hàng loạt và trang bị cho các trường phổ thông.
1.2.3.2. Quy trình sử dụng TN trong dạy học vật lí [3, tr.29-30]
Giai đoạn 1: TN được sử dụng làm xuất hiện vấn đề cần nghiên cứu.
Trong giai đoạn làm xuất hiện vấn đề cần nghiên cứu ở HS, GV có thể sử dụng TN
theo các bước sau:
Bước 1: GV mô tả hoàn cảnh thực tiễn tạo nên một vấn đề lôi cuốn HS và yêu cầu
HS dự đoán hiện tượng có thể xảy ra.
Bước 2: GV làm một TN hoặc GV cho HS làm một TN đơn giản để HS thấy được
hiện tượng xảy ra không phù hợp với dự đoán của mình.
Bước 3: GV hướng dẫn HS phát biểu vấn đề của bài học. Căn cứ vào trình độ của
HS, vào nội dung bài học mà GV lựa chọn và đưa ra mức độ thích hợp nhằm yêu
cầu HS tự lực phát biểu vấn đề của bài học.
Giai đoạn 2: TN được sử dụng để hỗ trợ việc đề xuất giả thuyết của HS
Trong giai đoạn này TN được sử dụng theo các bước sau:


11

Bước 1: GV yêu cầu HS đề xuất giả thuyết để nêu nguyên nhân của vấn đề đã được
phát biểu ở giai đoạn trước. HS có thể đề xuất giả thuyết dựa trên một số gợi ý
như:
− Dựa vào sự liên tưởng tới một kinh nghiệm đã có.
− Dựa trên sự tương tự.
− Dựa trên sự xuất hiện đồng thời giữa hai hiện tượng mà dự đoán giữa chúng có
mối quan hệ nhân quả.
− Dựa trên nhận xét thấy hai hiện tượng luôn luôn biến đổi đồng thời, cùng tăng
hoặc cùng giảm mà dự đoán về mối quan hệ nhân quả giữa chúng.
− Dựa trên sự thuận nghịch thường thấy của nhiều quá trình.
− Dự đoán về mối quan hệ định lượng.
Bước 2: Nếu HS vẫn không đề xuất được giả thuyết thì GV sẽ tiến hành một TN để

cung cấp thêm cho HS mối liên hệ giữa một số đại lượng trong hiện tượng đang
nghiên cứu, giúp HS khái quát được những kết quả quan sát được để đưa ra dự
đoán.
Giai đoạn 3: TN được sử dụng để kiểm tra giả thuyết hoặc kiểm tra hệ quả được
suy ra từ giả thuyết.
1. Để rút ra hệ quả từ giả thuyết, GV hướng dẫn HS suy luận lý thuyết. Trong giai
đoạn này có thể không cần sử dụng TN.
2. Trong đề xuất phương án TN kiểm tra giả thuyết hoặc hệ quả được suy ra từ giả
thuyết, HS phải suy nghĩ, tìm tòi để tìm ra phương hướng giải quyết vấn đề.
3. Trong giai đoạn này, GV nhất thiết phải sử dụng các TN. Quy trình sử dụng TN
của GV trong giai đoạn này có thể theo các bước sau:


12

Bước 1: GV giúp HS nhận thức rõ điều mà họ cần tiến hành TN kiểm tra và gợi
cho HS nhớ lại những kiến thức, kinh nghiệm có liên quan.
Bước 2: GV tổ chức cho HS đề xuất các phương án TN để kiểm tra giả thuyết hoặc
hệ quả suy ra từ giả thuyết.
Bước 3: GV tổ chức cho HS trao đổi, phân tích tính khả thi của mỗi phương án và
chọn ra phương án có nhiều triển vọng nhất.
Bước 4: GV hướng dẫn HS lựa chọn thiết bị TN, bố trí dụng cụ TN, dự kiến tiến
trình TN. GV bổ sung, điều chỉnh một số chi tiết cần thiết để tăng thêm hiệu quả
của thiết bị TN.
Bước 5: GV tiến hành TN trên thiết bị TN đã thiết kế. Nếu việc tiến hành TN
không đòi hỏi kỹ năng phức tạp thì GV có thể yêu cầu HS tự tiến hành TN, GV chỉ
giúp đỡ HS khi HS gặp khó khăn.
Giai đoạn 4: TN được sử dụng trong giai đoạn vận dụng kiến thức
1. Để HS có thể vận dụng được kiến thức một cách sáng tạo, làm cho kiến thức của
HS trở nên sâu sắc, bền vững, GV có thể giao cho HS những nhiệm vụ đòi hỏi

phải sử dụng TN theo cách sau:
Cách 1: GV giao cho HS nhiệm vụ sử dụng thiết bị TN đã được sử dụng để tiến
hành TN khác hoặc phải sử dụng thiết bị TN có sẵn để tiến hành TN.
Cách 2: GV giao cho HS nhiệm vụ chế tạo dụng cụ TN và tiến hành TN với nó.
2. Trong hai cách sử dụng TN ở giai đoạn vận dụng kiến thức, GV có thể tổ chức
hoạt động của HS dựa theo một số dạng hướng dẫn cụ thể:
− GV cho HS những dụng cụ TN cần thiết, nêu các bước tiến hành TN và yêu cầu
HS tiến hành TN theo các bước này rồi giải thích các kết quả TN.


13

− GV cho HS những dụng cụ cần thiết, nêu các bước tiến hành TN và yêu cầu HS
dự đoán kết quả TN, rồi mới làm TN kiểm tra.
− GV cho HS những dụng cụ TN cần thiết và yêu cầu HS thiết kế tiến trình TN để
đạt được mục đích đề ra.
− HS tự lựa chọn dụng cụ có sẵn, lập tiến trình TN (gồm bố trí, các bước tiến hành
TN, đo kết quả, sử lý kết quả đo) để đạt mục đích đề ra.
Việc sử dụng TN theo cả hai cách đã nêu không đơn thuần chỉ tiến hành TN với
các thiết bị, không phải là sự vận dụng máy móc các kiến thức, kỹ năng đã biết mà phải
có những yếu tố chứa đựng sự sáng tạo của HS, ở một số khâu hoặc ở tất cả các khâu của
việc sử dụng TN: thiết kế phương án TN, lựa chọn các chi tiết để thiết kế TN mong muốn,
tiến hành TN, xử lý kết quả TN thu được.
Trong giai đoạn vận dụng kiến thức, GV có thể lựa chọn cách sử dụng thiết bị TN
trên cơ sở các yêu cầu về nội dung kiến thức, kỹ năng cần đạt được ở HS, trình độ của
HS. Quá trình tổ chức hướng dẫn của GV trong giai đoạn này có thể theo các bước sau:
Bước 1: GV giao cho HS nhiệm vụ sử dụng TN để giải quyết vấn đề đặt ra.
Bước 2: GV tổ chức cho HS thảo luận để lựa chọn, thiết kế, chế tạo dụng cụ TN,
lập kế hoạch TN.
Bước 3: GV hướng dẫn HS tiến hành TN, thu thập và xử lý kết quả TN.

Trong bốn giai đoạn của quy trình sử dụng TN trong dạy học vật lí, TN đóng vai
trò quan trọng nhất ở giai đoạn kiểm tra giả thuyết hoặc kiểm tra hệ quả được suy ra từ
giả thuyết. Việc kiểm tra tính đúng đắn của giả thuyết hoặc kiểm tra hệ quả suy ra từ giả
thuyết đòi hỏi HS (dưới sự hướng dẫn của GV) phải xây dựng được phương án TN đã
xây dựng.


14

Quá trình sử dụng TN theo các giai đoạn này không những tạo và duy trì hứng thú
ở HS, rèn luyện cho HS kỹ năng đưa ra dự đoán và kỹ năng đề xuất phương án TN kiểm
tra mà còn tạo điều kiện rèn luyện kỹ năng thực hành cho HS.
1.3.

GIỚI THIỆU VỀ BỘ THÍ NGHIỆM KẾT NỐI MÁY TÍNH
Để đo được các đại lượng vật lí, ta biến đổi các đại lượng không điện của đối

tượng đo (1) thành các đại lượng điện nhờ các loại cảm biến (2). Tính hiệu từ các cảm
biến sẽ được được xử lí để chuyển từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số thông qua bộ
chuyển đổi ADC của vi điều khiển (3) trên board mạch thứ nhất. Giá trị số này sẽ được
gửi về board mạch thứ 2 thông qua sóng radio tần số 2.4 GHz. Board mạch thứ 2 (5) có
nhiệm vụ xử lí và gửi dữ liệu về máy tính cá nhân thông qua chuẩn giao tiếp USB, nhờ đó
mà tín hiệu hiệu gốc từ đối tượng cần đo được tái tạo lại, cung cấp các thông tin về diễn
biến của hiện tượng cần đo. Thông qua giao diện người dùng trên máy tính cá nhân,
người dùng có thể dễ dàng thực hiện các thao tác thu thập và xử lí số liệu thí nghiệm.
Đối tượng
đo (1)

Cảm
biến

(2)

Vi điều
khiển (3)

Truyền dữ liệu bằng
sóng Radio 2,4 GHz
(4)

Board
Arduino
(5)

Máy tính +
Phần mềm
(6)

Hình 1. 1. Sơ đồ bộ cảm biến kết nối máy tính.
1.3.1. Vi điều khiển Atmega328P
1.3.1.1. Sơ đồ chân
Atmega328P là một vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ
MegaAVR. Đây là loại vi điều khiển AVR 8 bit công suất thấp.


15

Hình 1. 3. Sơ đồ các chân Atmega328P.

Hình 1. 2. Vi điều khiển Atmega328P.

Chức năng các chân vi điều khiển Atmega328P được trình bày ở phụ lục 1.
1.3.1.2. Đặc điểm
Atmega328P là vi điều khiển có tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với
một chu kì lệnh là 200 ns. Bộ nhớ chương trình 32 Kbyte với bộ nhớ dữ liệu 2 Kbyte
RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 1 Kbyte [10, tr.1]. Có tổng cộng 28
chân vào ra khả trình với 6 kênh chuyển đổi ADC, 6 kênh điều chế xung PWM.
Bảng 1.1. Các đặc tính nổi bậc của vi điều khiển Atmega328P.
Đặc điểm
Điện áp hoạt
động

Đặc tín nổi bậc
− Dãy điện thế hoạt động 1.8 V đến 5.5 V.
− Dòng tiêu thụ 25 mA.
− Công suất thấp.

Bộ nhớ chương

− Bộ nhớ FLASH 32 Kbyte với khả năng ghi xóa 1000 lần.

trình, bộ nhớ dữ

− Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa 100,000 lần.

liệu.

− Bộ nhớ dữ liệu 2 Kbyte.
− Tất cả các câu lệnh được thực hiện trong một chu kỳ lệnh.
− Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm.