Thiết kế mô hình mặt trời trái đất mặt trăng phục vụ giảng dạy thiên văn học cho học sinh tiểu học và trung học cơ sở
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.65 MB, 56 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ
VÕ TRẦN KHOA NGUYÊN
THIẾT KẾ MƠ HÌNH
MẶT TRỜI – TRÁI ĐẤT – MẶT TRĂNG
PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THIÊN VĂN HỌC
CHO HỌC SINH TIỂU HỌC
VÀ TRUNG HỌC CƠ SỞ
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
TP. HỒ CHÍ MINH – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ
VÕ TRẦN KHOA NGUYÊN
THIẾT KẾ MƠ HÌNH
MẶT TRỜI – TRÁI ĐẤT – MẶT TRĂNG
PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THIÊN VĂN HỌC
CHO HỌC SINH TIỂU HỌC
VÀ TRUNG HỌC CƠ SỞ
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ
Mã số: 102
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
CN. NGUYỄN TẤN PHÁT
TP. HỒ CHÍ MINH - 2018
i
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy
Nguyễn Tấn Phát, người đã hướng dẫn em xuyên suốt trong q trình thực hiện khóa
luận này. Thầy đã tận tâm, tận tình chia sẻ và chỉ dạy mọi thứ cho em để hồn thành
thật tốt khóa luận.
Em xin gửi lời cảm ơn từ tận đáy lịng đến Thầy Nguyễn Hồng Long đã luôn
giúp đỡ, hỗ trợ ý tưởng và kỹ thuật cho mơ hình của em hoạt động một cách sn sẻ
và tốt nhất.
Bên cạnh đó, em xin gửi lời tri ân đến Thầy Nguyễn Lâm Duy và Thầy Ngô Minh
Nhựt đã luôn động viên, quan tâm, hỗ trợ và tạo động lực giúp em những lúc gặp khó
khăn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cô giảng viên khoa Vật lý và
các khoa của trường Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh đã truyền dạy kiến thức, kinh
nghiệm và bản lĩnh nghề nghiệp cho em trong suốt chặng đường bốn năm đại học,
các phòng ban, tổ bảo vệ đã tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện khóa luận này.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân thương và các bạn
trong phịng thí nghiệm Vật lý đại cương nâng cao đã luôn động viên, giúp đỡ, san
sẻ về mặt vật chất và tinh thần trong suốt quãng thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 4 năm 2018
Sinh viên
Võ Trần Khoa Nguyên
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
MỤC LỤC .................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................v
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .......................................................................................1
II. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI ..........................................................................................2
IV. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................................................3
V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN – CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................5
1.1.
BOARD MẠCH VI XỬ LÝ ARDUINO ............................................6
1.1.1.
Tổng quan ......................................................................................6
1.1.2.
Giới thiệu board mạch Arduino Uno .............................................8
1.2.
CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ CÁC CẢM BIẾN LIÊN QUAN .10
1.2.1.
LCD ..............................................................................................10
1.2.2.
Module giao tiếp I2C cho LCD ...................................................10
1.2.3.
Cảm biến từ Hall sensor KY 024 .................................................11
1.3.
ĐỘNG CƠ DC VÀ MODULE ĐIỀU KHIỂN .................................12
1.3.1.
Động cơ DC một chiều ................................................................12
1.3.2.
Module điều khiển động cơ L298 ................................................13
1.4.
Lý luận dạy học bằng mô hình mơ phỏng .........................................14
iii
1.4.1.
Khái niệm phương tiện trực quan ................................................14
1.4.2.
Phương pháp dạy học trực quan...................................................14
1.4.3.
Phương tiện dạy học.....................................................................15
1.4.4.
Mơ hình mơ phỏng trong dạy học các môn tự nhiên xã hội và dạy
học bộ môn Vật lý .............................................................................................17
CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................20
2.1.
THIẾT KẾ MƠ HÌNH .......................................................................20
2.1.1.
Sơ đồ khối q trình thiết kế và chế tạo .......................................20
2.1.2.
Hệ bánh răng truyền động ............................................................20
2.2.
2.2.1.
CHẾ TẠO MƠ HÌNH VÀ NGUN LÝ HOẠT ĐỘNG................25
Sơ đồ ngun lý hoạt động của bộ mơ hình mơ phỏng hệ Mặt Trời
– Trái Đất – Mặt Trăng: ....................................................................................25
2.2.2.
2.3.
Đánh giá bộ mô hình khóa luận đã thực hiện ..............................27
GỢI Ý CÁCH ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TRONG DẠY HỌC .........28
2.3.1.
Cách thức hoạt động và cách áp dụng mơ hình trong dạy học ....28
2.3.2.
Soạn thảo tiến trình dạy học ở cấp tiểu học một số bài có sử dụng
bộ mơ hình mơ phỏng đã xây dựng...................................................................31
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................46
PHỤ LỤC ..................................................................................................................48
iv
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Các thông số của Arduino Uno R3 [1] ............................................48
Bảng 3.2: Bảng chức năng các chân của LCD [15].........................................48
v
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Mơ hình thiên văn của nhà sách thiết bị trường học .........................5
Hình 1.2: Hình ảnh mơ hình sáng tạo dạy học tại một cuộc thi tại Hà Nội. .....6
Hình 1.3: Một số board mạch Arduino hiện nay ...............................................7
Hình 1.4: Sơ đồ các chân của Arduino Uno [6] ................................................8
Hình 1.5: Sơ đồ khối sử dụng Arduino trong bộ thí nghiệm .............................9
Hình 1.6: Sơ đồ chân LCD 16x2 [15] .............................................................10
Hình 1.7: Module chuyển I2C (a) và màn hình LCD tích hợp I2C (b) ...........11
Hình 1.8: Module cảm biến từ Hall KY 024 ...................................................12
Hình 1.9: Sơ đồ chân IC L298 .........................................................................13
Hình 1.10: Tháp hiệu quả sử dụng phương tiện dạy học [8] ...........................16
Hình 2.1: Tóm tắt q trình thực hiện .............................................................20
Hình 2.2: Giao diện phần mềm Gearotic 3x ....................................................22
Hình 2.3: Sơ đồ hệ truyền động bằng bánh răng sử dụng trong mơ hình .......22
Hình 2.4: Sơ đồ hệ truyền động đầy đủ khi gắn vào motor DC ......................23
Hình 2.5: Sơ đồ khối bộ thí nghiệm ................................................................25
Hình 2.6: Một phần hệ truyền động bằng bánh răng .......................................26
Hình 2.7: Quỹ đạo Mặt Trăng và sơ đồ các pha Mặt Trăng ............................26
Hình 2.8: Mơ hình hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng hồn chình ..............27
Hình 2.9: Hình ảnh hộp điều khiển .................................................................28
Hình 2.10: Mơ hình Trái Đất – Mặt Trăng (a) và mơ hình Mặt Trời (b) ........30
Hình 2.11: 2 cảm biến từ Hall xác định thời điểm nguyệt thực ......................30
1
MỞ ĐẦU
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Đất nước Việt Nam chúng ta đang có những sự chuyển mình tồn diện về kinh
tế, văn hóa và giáo dục nhằm thực hiện được mục tiêu cơng nghiệp hóa – hiện đại
hóa đất nước. Trong thời đại bùng nổ khoa học và thông tin, tri thức thực tiễn và sáng
tạo là một trong những yếu tố then chốt và động lực để phát triển. Do đó, trách nhiệm
rèn luyện và phát triển tương lai đất nước của ngành giáo dục và đào tạo là vô cùng
to lớn. Giáo dục và đào tạo đã và đang có những thay đổi tích cực thơng qua hàng
loạt cải cách và đổi mới. Trong Nghị quyết Hội nghị lần thứ 8 của Ban Chấp hành
Trung ương nêu rõ: “Tiếp tục đổi mới mạnh mẽ phương pháp dạy và học theo hướng
hiện đại, phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và vận dụng kiến thức, kỹ năng
của người học; khắc phục lối truyền thụ áp đặt một chiều, ghi nhớ máy móc. Tập
trung dạy cách học, cách nghĩ, khuyến khích tự học, tạo cơ sở để người học tự cập
nhật và đổi mới tri thức, kỹ năng, phát triển năng lực.” [9]. Trong những năm qua,
Bộ Giáo dục và Đào tạo đã ban hành nhiều đổi mới về nội dung, chương trình, sách
giáo khoa, sách tham khảo, dụng cụ và thiết bị dạy học, tăng cường và phát triển các
phần mềm dạy học tích cực, tăng cường và đổi mới phương pháp dạy học ở các bậc
học khác nhau. Tuy nhiên, việc áp dụng các phương pháp dạy học mới, tích cực vẫn
cịn gặp nhiều hạn chế khi đội ngũ giáo viên vẫn chưa làm quen và được đào tạo bài
bản các phương pháp mới, trang thiết bị dạy học chưa đồng bộ, cịn nhiều khó khăn
và thiếu sót.
Hiện nay, các mơ hình phục vụ giảng dạy ở các cấp học còn rất thiếu thốn và
hạn chế, đặc biệt là ở bộ môn Vật Lý. Việc giảng dạy Vật Lý thông qua các bộ dụng
cụ, mô hình là một trong những phương pháp rất hiệu quả để truyền đạt những kiến
thức khó và trừu tượng cho học sinh, đồng thời góp phần phát huy tư duy sáng tạo,
năng lực tự tìm tịi, khám phá tri thức của người học.
2
Trong chương trình Tự nhiên và Xã hội ở cấp bậc tiểu học cũng như chương
trình Vật Lý ở cấp bậc trung học cơ sở, thiên văn học là một phần kiến thức rất quan
trọng. Tuy nhiên, học sinh chỉ được lĩnh hội các kiến thức ở phần này thông qua đọc
chép, học thuộc lý thuyết hoặc quan sát qua tranh ảnh. Các bộ dụng cụ, mơ hình phục
vụ giảng dạy thiên văn học hiện còn rất hạn chế, chủ yếu là các sản phẩm nước ngồi
nên khơng phù hợp với điều kiện giảng dạy ở nước ta.
Từ những lý do nêu trên, đề tài khóa luận “THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẶT TRỜI
– TRÁI ĐẤT – MẶT TRĂNG PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THIÊN VĂN HỌC CHO
HỌC SINH TIỂU HỌC VÀ TRUNG HỌC CƠ SỞ” hướng đến việc xây dựng mơ
hình Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng là một mơ hình mơ phỏng đơn giản, nhỏ gọn
nhưng được thiết kế với các tỉ lệ phù hợp với mục đích giảng dạy của người giáo
viên. Mơ hình này thể hiện tương đối chính xác tỉ lệ về tốc độ quay, số vòng quay
của Trái Đất quanh Mặt Trời và Mặt Trăng quanh Trái Đất nhờ hệ thống bánh răng
được truyền động từ một động cơ DC điều khiển bởi board mạch vi xử lý Arduino.
Ngồi ra, bộ mơ hình này còn thể hiện rõ trục nghiêng của Trái đất là 23,50, từ đó giải
thích được hiện tượng các mùa trong năm, các pha của Mặt Trăng và hiện tượng
nguyệt thực. Với ưu điểm nhỏ gọn, trực quan, có thể thay đổi được tỉ lệ tốc độ quay
của các thiên thể, bộ mơ hình này là một cơng cụ đắc lực cho các giáo viên trong việc
giảng dạy các kiến thức thiên văn học cho học sinh cấp bậc tiểu học và trung học cơ
sở.
II. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
Xây dựng được mơ hình mơ phỏng chuyển động tương đối của Mặt Trời, Trái
Đất, Mặt Trăng với kích thước, vị trí, khoảng cách và tốc độ quay phù hợp; mơ hình
nhỏ gọn dễ quan sát cho các nhóm học; có hiển thị tốc độ quay lên LCD trong hộp
điều khiển và các nút nhấn giúp người sử dụng dễ thực hiện các thao tác đơn giản.
3
III. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
-
Đối tượng nghiên cứu: Vi điều khiển Arduino và linh kiện điện tử; động cơ
DC; hệ thống truyền chuyển động bằng bánh răng; kiến thức về chuyển động
của hệ Mặt Trời, Trái Đất, Mặt Trăng; các tài liệu liên quan về ứng dụng dạy
học qua các mơ hình mơ phỏng.
-
Phạm vi nghiên cứu: Kiến thức thiên văn học trong chương trình dạy học tự
nhiên xã hội cấp tiểu học; chương trình Vật Lý các cấp trung học.
IV. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
-
Nghiên cứu kiến thức về board mạch vi xử lý Arduino.
-
Nghiên cứu các kiến thức về linh kiện điện – điện tử căn bản.
-
Nghiên cứu về các loại động cơ nói chung và động cơ DC nói riêng nhằm
xây dựng cấu trúc mơ hình. Nghiên cứu mạch điều khiển động cơ L298 để
điều khiển động cơ DC.
-
Mô phỏng và chạy thử bảng mạch điều khiển động cơ trên phần mềm mô
phỏng Proteus 8.
-
Nghiên cứu kỹ về hệ thống truyền động bằng bánh răng trên phần mềm
Gearotic 3x nhằm tạo được hệ thống quay ổn định, chắc chắn và chính xác.
-
Vẽ bảng vẽ và thiết kế hệ thống truyền động bằng bánh răng. Từ đó kết hợp
động cơ DC để thiết kế và lắp đặt mơ hình mơ phỏng.
-
Nghiên cứu các phương pháp dạy học tích cực hiện nay.
-
Đánh giá việc ứng dụng mơ hình trong một tiết dạy tự nhiên xã hội thơng
qua giáo án bài dạy. Nêu rõ tính đổi mới thơng qua việc sử dụng mơ hình
trong việc dạy và học.
-
Đánh giá tổng quan bộ mơ hình mơ phỏng, nêu ưu và nhược điểm. Từ đó đề
xuất cải tiến phù hợp.
4
V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
-
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu và nghiên cứu tài liệu về Điện–
Điện tử, mạch Arduino, động cơ DC, hệ số truyền chuyển động bằng bánh
răng.
-
Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia: Tiếp thu ý kiến từ giảng viên hướng
dẫn, bạn bè, thầy cô trong khoa cũng như thầy cô đang dạy tại các trường để
thiết kế mơ hình.
-
Phương pháp thực nghiệm: Kiểm tra hoạt động của hệ mơ hình.
5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN – CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hiện nay các mơ hình thiên văn được sử dụng trên thị trường dạy học chủ yếu
là bộ mơ hình hệ Mặt Trời – Trái Đất – Mặt Trăng của nhà sách thiết bị trường học
Nguyễn Tri Phương.
Hình 1.1: Mơ hình thiên văn của nhà sách thiết bị trường học
Hệ mơ hình trên nhỏ gọn, tuy nhiên trên thực tế chưa quay chính xác về số vịng
quay của Trái Đất, Mặt Trăng. Bên cạnh đó mơ hình chưa trình bày được các pha và
quỹ đạo quay của Mặt Trăng nghiêng khoảng 5°. Hệ mơ hình đơn giản được cắm vào
nguồn điện 12V-24V, thiếu khả năng tương tác với người sử dụng.
Ngoài ra, tại các trường học hiện nay, giáo viên và học sinh chủ yếu học tập
kiến thức thiên văn qua các mơ hình tự chế tạo và trang trí, thơ sơ, đơn giản, tuy nhiên
khó quan sát, chủ yếu cung cấp cho học sinh kiến thức về màu sắc, kích thước, vị trí
của các thiên thể trong hệ Mặt Trời.
6
Hình 1.2: Hình ảnh mơ hình sáng tạo dạy học tại một cuộc thi tại Hà Nội.
Bộ mơ hình trong khóa luận của tơi dựa trên ý tưởng xây dựng một hệ cơ truyền
động bằng bánh răng, cùng với trung tâm là board mạch vi xử lý điện tử nhằm nhận
và phát các tín hiệu khi người sử dụng tương tác với mơ hình. Bên cạnh đó mơ hình
sử dụng thêm các cảm biến nhằm phát hiện tượng đặc biệt xảy ra như nhật thực,
nguyệt thực.
Sau đây, tôi xin được phép đề cập tới các thiết bị, linh kiện sử dụng trong mơ
hình là board mạch Arduino, module điều khiển động cơ L298, động cơ DC, màn
hình LCD, cảm biến từ Hall, nút nhấn và hệ thống bánh răng truyền chuyển động.
1.1.
BOARD MẠCH VI XỬ LÝ ARDUINO
1.1.1.
Tổng quan
Arduino là một board mạch vi xử lý được làm sẵn và thiết kế chuyên biệt cho
những người chuyên và không chuyên vẫn có thể thực hiện lập trình và thao tác điều
khiển một cách dễ dàng với các thiết bị điện tử như đèn, động cơ, các cảm biến,…
Arduino ra đời tại Ivrea Interaction Design Institute tại thị trấn Ivrea, nước Ý và được
đặt theo tên một vị vua của nước Ý thế kỷ thứ IX [11]. Được chính thức giới thiệu
vào năm 2005 như là một công cụ thử nghiệm và học tập cho sinh viên khơng chun,
ngày nay nó đã đạt tới quy mơ tồn cầu. Hàng ngàn các đồ án, dự án trên khắp thế
7
giới, trong đó có Việt Nam đều sử dụng Arduino như là trái tim hoạt động chính. Với
phần cứng được thiết kế và gia công sẵn bởi nhà sản xuất cùng với ngơn ngữ lập trình
bắt nguồn từ C/C++ phổ biến và đơn giản, người dùng dễ dàng lên ý tưởng và chọn
những thứ mình cần, ráp các thiết bị, nối dây vào Arduino và lập trình là có thể hoạt
động được. Cùng với sự đơn giản và thuận tiện đó, điểm nổi bật Arduino là mơi
trường phát triển mở với vô vàn thiết bị hỗ trợ của cộng đồng, các thư viện và các
phần mềm đi kèm lớn đến mức có thể xem như hệ sinh thái Arduino.
Trải qua nhiều lần thay đổi và phát triển từ những mạch điện tử đơn giản sử
dụng cổng RS-232 đến ngày nay là sử dụng Usb, mạch Arduino thực sự là một phần
không thể thiếu dành cho học sinh, sinh viên, những người đam mê thiết kế mơ hình
và thiết bị điện tử.
Một board mạch Arduino cung cấp cho người dùng sự tương tác đa dạng với:
-
Các thiết bị hiển thị (đèn, LCD, Oled,…).
-
Các thiết bị cảm biến.
-
Động cơ.
-
Các module chức năng hỗ trợ.
Tùy theo kích thước và mục đích sử dụng mà hãng sản xuất đã có hàng loạt các
phiên bản rất đa dạng.
Hình 1.3: Một số board mạch Arduino hiện nay
8
Trong đề tài khóa luận của tơi, tơi sử dụng dịng Arduino cổng Usb hiện nay, đó
là board mạch Arduino Uno.
1.1.2.
Giới thiệu board mạch Arduino Uno
2.1.2.1.
Thông số kỹ thuật
Nhắc tới học lập trình và sử dụng Arduino thì cái tên Uno là một cái tên luôn
được nhắc đến hàng đầu bởi sự đa dụng và phổ biến của nó trong việc đáp ứng tương
đối đầy đủ nhu cầu của người mới học. Arduino Uno mang trong mình vi điều khiển
AVR ATmega 328P sử dụng thạch anh có chu kỳ dao động là 16 MHz [4]. Với vi
điều khiển này, các chân của Arduino Uno có các đặc điểm sau:
-
14 ngõ đầu vào/ra đọc hoặc xuất tín hiệu với mức điện áp từ 0 -5V và
dòng vào ra tối đa mỗi chân là 40 mA (từ 0 -13, trong đó có 6 chân cho
phép xuất xung PWM (3) với độ phân giải 8 bit).
-
6 chân nhận tín hiệu analog (từ A0 – A5).
Trên board mạch cịn có 1 nút reset, 1 cổng Usb, 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack
2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ nguồn bên ngồi.
68mm
50,5mm
Hình 1.4: Sơ đồ các chân của Arduino Uno [6]
9
2.1.2.2.
Chức năng của Arduino trong mơ hình
Với khả năng linh hoạt làm việc với đa dạng các cảm biến và module hỗ trợ,
thiết kế board mạch nhỏ gọn, giá cả phù hợp so với các vi điều khiển khác cũng như
vi máy tính - Raspberry Pi. Bên cạnh đó, mơi trường lập trình mở của Arduino là
Arduino IDE dựa trên nền tảng C/C++ quen thuộc cho những người làm kỹ thuật
cũng như học sinh, sinh viên.
Đề tài xoay quanh việc điều khiển tốc độ, ngắt/mở động cơ DC qua nút nhấn,
từ đó kéo theo việc quay của hệ cơ, hiển thị tốc độ quay lên màn hình LCD. Arduino
đóng vai trò trung tâm trong việc thực hiện những nhiệm vụ trên:
-
Sử dụng các chân digital 2, 3, 4, 5 làm nút nhấn.
-
Sử dụng các chân 6, 7, 9 có xung PWM nối vào module mạch công suất
L298 thực hiện việc điều khiển tốc độ quay động cơ DC.
-
Sử dụng chân analog A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C LCD.
-
2 cảm biến từ Hall sử dụng 2 chân analog là A0 và A1.
NÚT NHẤN
CẢM BIẾN
TỪ HALL
BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM
ARDUINO UNO R3
MẠCH
CẦU H
L298
HIỂN THỊ MÀN
HÌNH LCD
ĐIỀU
KHIỂN
ĐỘNG CƠ
DC
Hình 1.5: Sơ đồ khối sử dụng Arduino trong bộ thí nghiệm
10
1.2.
CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ CÁC CẢM BIẾN LIÊN QUAN
1.2.1.
LCD
Trong lập trình, màn hình đóng vai trị là cầu nối giao tiếp giữa người và thế
giới điện tử. Các loại màn hình phổ biến hiện nay là LCD, Oled, led,…trong đó LCD
được sử dụng rộng rãi do giá thành rẻ, dễ lập trình, bên cạnh đó việc hiển thị các ký
tự rất đa dạng, có thể làm hình động và hơn thế nữa. Màn hình LCD 16x2 là màn hình
có 16 ơ mỗi 2 hàng, mỗi một ơ có 40 pixel.
44mm
122mm
Hình 1.6: Sơ đồ chân LCD 16x2 [15]
1.2.2.
Module giao tiếp I2C cho LCD
Khi nối trực tiếp các chân LCD vào board Arduino cần tối thiểu 6 chân cắm RS,
RW, D4, D5, D6, D7, bên cạnh đó cịn thêm các dây điều chỉnh độ tương phản, dây
cắm nguồn vào LCD. Do đó, để đơn giản hóa cách kết nối LCD, module điều khiển
LCD với giao tiếp I2C ra đời với một số đặc tính tối ưu sau:
11
-
Giảm số dây cắm vào LCD còn 4 dây.
-
Điều khiển LCD dễ dàng qua giao tiếp I2C.
-
Tích hợp biến trở nhằm điều chỉnh độ tương phản của màn hình (từ 0250).
(a)
(b)
Hình 1.7: Module chuyển I2C (a) và màn hình LCD tích hợp I2C (b)
1.2.3.
Cảm biến từ Hall sensor KY 024
Module cảm ứng từ Hall sensor KY 024 là một cảm biến nhận biết từ trường
ngoài như nam châm, dây dẫn có dịng điện chạy qua… theo ngun tắc hiệu ứng
Hall [3]. Thiết bị có 4 đầu ra, một chân nối đất, một chân nối vào nguồn, 2 chân tín
hiệu analog và digital. Thông qua chip A3141, khi gặp vật cản có gắn nam châm hay
có từ trường mạnh, module KY 024 sẽ nhận biết từ trường và in tín hiệu analog hoặc
tín hiệu digital của giá trị hiệu điện thế Hall truyền tới vi điều khiển nhằm xử lý thông
tin.
Trong mơ hình của tơi sử dụng 2 cảm biến từ Hall nhằm nhận biết hiện tượng
nguyệt thực.
12
Hình 1.8: Module cảm biến từ Hall KY 024
1.3.
ĐỘNG CƠ DC VÀ MODULE ĐIỀU KHIỂN
1.3.1.
Động cơ DC một chiều
Động cơ DC (direct-current motor) là một thiết bị dùng để biến đổi năng lượng
dòng điện một chiều thành năng lượng cơ học. Để làm rotor quay liên tục và đúng
chiều, một bộ cổ góp điện và chổi than sẽ chuyển mạch dịng điện sau mỗi vị trí ứng
với 1/2 chu kỳ [2]. Thông thường để điều khiển tốc độ động cơ DC, người ta sẽ điều
chỉnh điện áp đưa vào bằng nhiều cách khác nhau [5]. Và kỹ thuật để thay đổi điện
áp đưa vào được thường hay sử dụng đó là phương pháp điều xung-PWM.
Trong mơ hình đề tài khóa luận này, động cơ được sử dụng là động cơ DC một
chiều có gắn hộp giảm tốc. Hộp giảm tốc là một hệ thống bánh răng truyền động.
Việc gắn thêm một hộp giảm tốc sẽ giúp cho động cơ có tốc độ quay chậm hơn so
với những động cơ DC bình thường khác, thêm vào đó là tăng lực kéo cơ học nhằm
giúp học sinh quan sát dễ dàng ở tốc độ vừa phải, mơ hình quay được mịn và chính
xác hơn.
13
Module điều khiển động cơ L298
1.3.2.
Nhằm điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ, mơ hình cịn sử dụng module
chuyên dụng cho động cơ DC là module L298. Được sử dụng rộng rãi do dễ lập trình
và điều khiển, chi phí thấp, IC L298 là mạch cầu đơi có khả năng hoạt động ở điện
thế cao, dòng cao [12]. L298 có hai chân enable nhằm cho phép hoặc khơng có phép
mạch cầu hoạt động độc lập với tín hiệu vào. Module L298 có thể điều khiển được 2
động cơ DC, dòng tối đa mỗi động cơ là 2A hoặc 1 động cơ stepper [12].
43mm
43mm
Hình 1.9: Sơ đồ chân IC L298
L298 gồm các chân:
-
12V power và 5V power là các chân cấp nguồn trực tiếp đến động cơ.
-
GND là chân nối đất của nguồn cấp đến động cơ.
-
A enable (EnA) và B enable (EnB) là các chân lấy tín hiệu PWM từ
Arduino để điều khiển tốc độ động cơ.
-
Input In1-4 là các chân tín hiệu digital từ Arduino đến L298.
14
-
Output A và Output B dùng để nối vào 2 động cơ DC hoặc một động cơ
stepper.
1.4.
Lý luận dạy học bằng mơ hình mơ phỏng
Khái niệm phương tiện trực quan
1.4.1.
Phương tiện trực quan là những công cụ mà giáo viên và học sinh sử dụng trong
quá trình dạy học nhằm tạo ra những biểu tượng, hình thành những khái niệm cho
học sinh thông qua sự tri giác trực tiếp bằng các giác quan của các em [13].
Phương pháp dạy học trực quan
1.4.2.
Dạy học trực quan (hay cịn gọi là trình bày trực quan) là phương pháp dạy học
sử dụng những phương tiện trực quan, phương tiện kỹ thuật dạy học trước, trong và
sau khi nắm tài liệu mới, khi ôn tập, khi củng cố, hệ thống hóa và kiểm tra tri thức,
kỹ năng, kỹ xảo [14].
Phương pháp dạy học trực quan được thể hiện dưới hình thức là minh họa và
trình bày [14]:
-
Minh họa thường trưng bày những đồ dùng trực quan có tính chất minh
họa như bản mẫu, bản đồ, bức tranh, tranh chân dung, hình vẽ trên
bảng,...
-
Trình bày thường gắn liền với việc trình bày thí nghiệm, những thiết bị
kĩ thuật, chiếu phim đèn chiếu, phim điện ảnh, băng video. Trình bày thí
nghiệm là trình bày mơ hình đại diện cho hiện thực khách quan được lựa
chọn cẩn thận về mặt sư phạm. Nó là cơ sở, là điểm xuất phát cho quá
trình nhận thức - học tập của học sinh, là cầu nối giữa lí thuyết và thực
tiễn. Thơng qua sự trình bày của giáo viên mà học sinh không chỉ lĩnh
hội dễ dàng tri thức mà còn giúp họ học tập được những thao tác mẫu
của giáo viên, từ đó hình thành kĩ năng, kĩ xảo,...
15
Ưu điểm của phương pháp dạy học trực quan là:
-
Giúp học sinh hình thành các khái niệm trên cơ sở quan sát trực tiếp các
hiện vật đang học hay đồ dùng trực quan minh họa sự vật.
-
Giúp học sinh hiểu sâu, nhớ kỹ, đặc biệt là tri thức về hình ảnh trực quan
và kinh nghiệm thường được lưu rất sâu trong não bộ. Bên cạnh đó đồ
dùng dạy học trực quan giúp học sinh tăng khả năng nhận xét và quan
sát sự vật, tăng trí tưởng tượng, tư duy và ngơn ngữ [13].
Phương tiện dạy học
1.4.3.
Phương tiện dạy học (cịn gọi là đồ dùng dạy học, thiết bị dạy học) là những
công cụ giáo viên và học sinh sử dụng trong q trình dạy học nhằm đạt được mục
đích dạy học. Những công cụ này giúp giáo viên tổ chức, điều khiển q trình dạy
học thơng qua các hoạt động nhằm nâng cao hiệu quả của việc dạy – học, giúp học
sinh lĩnh hội khái niệm, định luật,… hình thành các tri thức, kỹ năng, kỹ xảo, thái độ
cần thiết [13]. Từ đây ta thấy được phương tiện dạy học là cầu nối giữa người dạy và
người học. Thông qua đó, nội dung, mục đích và tri thức từ người dạy được người
học tiếp thu một cách trực quan và sống động, làm cho chất lượng học tập được nâng
cao rõ rệt.
Các loại phương tiện dạy học chủ yếu trong nhà trường hiện nay:
-
Mẫu vật thật (đồ vật đời sống hằng ngày, thực vật, động vật, khống
sản,..); các vật mơ phỏng (tranh ảnh, mơ hình, hình vẽ, phim,…).
-
Mơ hình thí nghiệm và thiết bị thí nghiệm.
-
Thiết bị đa phương tiện (máy vi tính, máy chiếu, phịng nghe nhìn,…).
16
Q trình hình thành
kinh nghiệm
Ký hiệu
Biểu tượng
Giả cách
Thật
Chữ viết
Tiếng nói
Ký hiệu
Sơ đồ
Khái quát trừu tượng
Ảnh tĩnh
Ảnh động
Phim kết hợp âm thanh
Mơ phỏng
Đóng vai
Hình ảnh biểu
tượng trực quan
Hoạt động
gián tiếp
Thí nghiệm
Đối tượng, quá trình, hiện tượng thật
Hoạt động
trực tiếp
Hiệu quả sử dụng phương tiện dạy học
Hình 1.10: Tháp hiệu quả sử dụng phương tiện dạy học [8]
Hình trên được gọi là tháp hiệu quả sử dụng phương tiện dạy học. Trục đứng
của tháp miêu tả việc hình thành kinh nghiệm từ hành động trực tiếp tới gián tiếp, sau
đó tới biểu tượng và cuối cùng là trừu tượng, tức là đi từ cụ thể đến trừu tượng. Trục
ngang miêu tả sự lĩnh hội của học sinh bằng các phương tiện dạy học tương ứng. Khi
trình bày một vấn đề, ban đầu nên đưa mẫu thật, đối tượng hay thí nghiệm, là phương
pháp hiệu quả nhất giúp học sinh hình dung vấn đề đang tiếp thu. Khi trình bày bằng
lời nói, chữ viết sẽ giảm mức độ tiếp thu của học sinh. Do đó chỉ nên sử dụng phương
17
tiện ký hiệu sau khi đã có các khái niệm, biểu tượng tương quan sẽ giúp học sinh nắm
chắc vấn đề đang được học. Khi dạy học, nên áp dụng đa dạng các phương tiện dạy
học sẽ là cách tốt nhất đảm bảo tính giáo dục cao [8].
Việc sử dụng hiệu quả các phương tiện dạy học trong phương pháp dạy học trực
quan đóng vai trị hết sức cần thiết:
-
Giúp học sinh hiểu bài và nhớ nội dung bài học tốt hơn. Bên cạnh đó phát
huy năng lực tư duy, quan sát và khả năng kết luận vấn đề.
-
Cụ thể hóa và đơn giản những kiến thức trừu tượng, mơ hình hoặc thiết
bị phức tạp.
-
Giáo viên có thể sử dụng các phương tiện dạy học trực quan nhằm giúp
tiết học trở nên sinh động, gần gũi với học sinh hơn. Qua đó học sinh vừa
học được kiến thức trong nhà trường vừa kết hợp và giải quyết các nội
dung thực tiễn.
1.4.4.
Mơ hình mơ phỏng trong dạy học các mơn tự nhiên xã hội và dạy học
bộ môn Vật lý
1.4.4.1. Mô hình
Một trong những cách nhằm thực hiện phương pháp dạy học trực quan, phát
huy năng lực sáng tạo và tự học của học sinh là sử dụng mơ hình khi dạy học. Khái
niệm về mơ hình được sử dụng với các định nghĩa rất khác nhau, theo định nghĩa của
V.A.Stôphơ trong vật lý học, ta có :
“Mơ hình là một hệ thống được hình dung trong óc hay được thực hiện một cách
vật chất, hệ thống đó phản ánh những thuộc tính bản chất của đối tượng nghiên cứu
hoặc tái tạo nó, bởi vậy việc nghiên cứu mơ hình sẽ cung cấp cho ta những thông tin
mới về đối tượng” .
Do đó mơ hình chỉ phản ánh một số tính chất của đối tượng. Đối với cùng một
đối tượng, ta có thể có nhiều mơ hình khác nhau, tùy thuộc vào tính chất phản ánh
hay tư duy của người xây dựng mơ hình đó. Vì vậy, mơ hình khơng đồng nhất với
18
đối tượng mà chỉ là một công cụ nghiên cứu đối tượng [10]. Trong vật lý, mơ hình có
ba chức năng chính sau:
-
Mơ tả sự vật, hiện tượng
-
Giải thích các tính chất và hiện tượng có liên quan đến đối tượng.
-
Tiên đốn các tính chất và hiện tượng mới.
1.4.4.2. Các loại mơ hình sử dụng trong vật lý
▪ Mơ hình vật chất:
Mơ hình vật chất là mơ hình bằng vật thể, trên đó phản ánh những đặc trưng cơ
bản về mặt cơ học, hình học, vật lý học, chức năng học,… của đối tượng nghiên cứu.
Loại mơ hình này có chức năng mô tả và quan sát là chủ yếu, được sử dụng trong giai
đoạn đầu của quá trình nhận thức cũng như quá trình dạy học khi cần cho học sinh đi
từ những cái cụ thể và chân thực.
▪ Mơ hình lý tưởng
Mơ hình lý tưởng là mơ hình trừu tượng. Trên mơ hình này, người ta thường chỉ
áp dụng những thao tác tư duy lý thuyết. Các mô hình lý thuyết thường có rất nhiều
loại, tùy theo mức độ trừu tượng khác nhau, bao gồm: mơ hình ký hiệu, mơ hình biểu
tượng. Loại mơ hình này được sử dụng trong quá trình hình thành nhận thức cao nhất
của học sinh.
1.4.4.1. Phương pháp mơ hình trong dạy học vật lý
Việc giảng dạy bộ môn tự nhiên và xã hội cấp tiểu học, bộ môn vật lý cấp trung
học không chỉ giới hạn trong việc chỉ truyền tải kiến thức hàn lâm cũng như các cơng
thức tính tốn cho học sinh, điều quan trọng khơng kém là hình thành cho học sinh
năng lực tư duy sáng tạo, ham học hỏi, tìm tịi cái mới, nhận xét và đánh giá từ sơ
lược tới chuyên sâu về bản chất sự vật hiện tượng trong tự nhiên. Do đó việc tổ chức
hoạt động dạy – học ngày nay càng cần phải hướng tới việc dẫn dắt cho học sinh học
tập theo cách sáng tạo và tìm tịi của các nhà khoa học. Thơng qua đó, học sinh vừa
