Hướng dẫn học sinh ứng dụng môn vật lí – công nghệ vào nghiên cứu khoa học kỹ thuật cấp THCS

HƯỚNG DẪN HỌC SINH ỨNG DỤNG MÔN VẬT LÍ –CÔNG NGHỆ VÀO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KỸ THUẬT CẤP THCS
I. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Lý do chọn đề tài:
 Vật lý kỹ thuật và khoa học công nghệ là hai bộ môn kết nối chặt chẽ giữa lý thuyết và thực tiễn. Việc giúp học sinh nắm bắt được lý thuyết vận dụng vào thực tế và phạm vi ứng dụng cũng như các khái niệm cơ bản về kỹ thuật.Là giáo viên dạy môn vật lí – công nghệ chúng tôi đã giúp các em hiểu sâu hơn về lý thuyết và vận dụng sáng tạo các thiết bị sẵn có vào thực tế. Để phát huy sự sáng tạo của các em chúng tôi có một số kinh nghiệm có thể ghi nhận để nhân rộng tạo thành phong trào nhằm nâng cao chất lượng giáo dục ngày càng hiệu quả hơn.
Với học sinh cấp THCS bắt đầu học theo những bộ môn riêng biệt mỗi em có những năng khiếu riêng, có những đam mê riêng, chúng tôi đã sớm phát hiện những sở trường của những em có năng khiếu, giúp các em phát huy sở trường của mình và đã có những thành công nhất định.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 
Học sinh từ lớp 6 đến lớp 9 ở các trường phổ thông cấp THCS.
Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu: 
Phát hiện và bồi dưỡng năng khiếu bộ môn vật lý kỹ thuật và khoa học công nghệ đối với học sinh cấp THCS. 
Phương pháp nghiên cứu: 
 Từ lý luận vận dụng thực tiễn. 
Dự báo những đóng góp mới của đề tài: 
Từ xưa giáo dục đã chú trọng : “học đi đôi với hành” và lý thuyết kết hợp thực tiễn. Bộ môn vật lý kỹ thuật khoa học công nghệ có vai trò quan trọng trong việc xây dựng công nghiệp hóa, hiện đại hóa đât nước. Việt nam trong giai đoạn xây dựng nền kinh tế hội nhập rất cần nguồn nhân lực có trình độ KHKT cao. Việc giáo dục thế hệ trẻ thành những người có tầm có tâm là rất cần thiết. Do đó việc phát huy nguồn nhân lực bồi dưỡng nhân tài là một trong những biện pháp thiết thực nhằm nâng cao chất lượng giáo dục toàn diện. 
 II. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ:
Cơ sở khoa học: 
Cơ sở lý luận: Ở cấp THCS học sinh được học kiến thức kỹ năng thông qua các bộ môn riêng biệt, mỗi bộ môn có những đặc trưng riêng của nó. Riêng bộ môn vật lý kỹ thuật và khoa học công nghệ nó có mối liên hệ mật thiết giữa lý thuyết và thực hành. Học sinh khi học vật lý hiểu được cấu tạo hoạt động, tác dụng của mỗi loại máy từng chi tiết khi vận dụng vào thực tế cuộc sống có những nét riêng theo yêu cầu của công việc mà làm. Mỗi học sinh có những sở trường năng khiếu chuyên biệt, làm thầy cô khi giảng dạy biết phát hiện những học sinh có những khả năng đặc thù thì định hướng và tạo mọi điều kiện giúp các em phát triển khả năng của mình. “ Một hạt giống tốt được gieo vào mảnh đất màu mỡ thì chắc sẽ có mùa bội thu”.
Cơ sở thực tiễn:
 Thực tiễn cho thấy những học sinh có đam mê học hỏi nếu được giúp đỡ đúng cách thì các em phát huy tốt tố chất của mình và làm nên những điều kỳ diệu. Khi dạy học môn vật lý và công nghệ nhiều giáo viên cảm thấy khó khăn vì sử dụng thiết bị dạy học, nhiều học sinh cảm thấy khó hiểu vì vận dụng nhiều vào thực tiễn, với điều kiện vật chất vốn đã thiếu lại hao mòn theo năm tháng nên đã khó lại càng khó hơn. Riêng chúng tôi khi dạy học những kiến thức kỹ năng liên quan đến thực tế chúng tôi rất chú trọng tìm tòi những dụng cụ có sẵn trong cuộc sống đời thường đưa vào giảng dạy, hướng cho các em tìm hiểu những máy móc những thiết bị thông dụng trong cuộc sống như những đồ chơi, những điều khiển, những chi tiết máy, những động cơ nhỏ thường thấy trong cuộc sống, những nguồn điện như dinamo xe đạp, pin, ắc qui người ta lắp đặt ở chỗ nào có tác dụng gì? Tại sao lại làm như thế? Chúng tôi đã biến những cái khó thành cái mục tiêu học hỏi của học trò và cùng với học trò từ cái đã có làm nên điều cần có. 
Thực trạng của việc dạy học môn vật lý và công nghệ ở các trường THCS hiện nay:
 Cách dạy học của môn vật lý và công nghệ là từ thí nghiệm rút ra kết luận, như vậy muốn có kết luận phải có thực nghiệm, nhưng thực tế cho thấy hầu hết các trường rất khó thực hiện qui trình dạy học theo kiểu đó và thường dạy “chay”, có nhiều nguyên nhân của nó chắc mọi người đã hiểu tôi không đề cập ở đề tài này. Để khắc phục tình trạng này chúng tôi đã áp dụng một số cách dạy làm cho học sinh hiểu được bản chất kiến thức cần có theo mục tiêu bài học và cách luyện kỹ năng bằng cách hướng dẫn học sinh tìm hiểu ở nhà nếu điều kiện nhà trường không đáp ứng được. Những em sáng tạo biết làm theo lời giáo viên hướng dẫn thì thành công, không những nắm được kiến thức mà còn sáng tạo được những công cụ lao động hữu ích mà chưa ai làm được, những em thường thường thì cũng biết vận hành máy móc êm ái. Số em có khả năng tư duy trừu tượng thì giải quyết được nhiều vấn đề về bài tập khó khi thi học sinh giỏi vật lý các cấp huyện, tỉnh. Do đó khi học vật lý - công nghệ nhiều em rất đam mê và hứng thú,biết vận dụng kiến thức đã học vào nghiên cứu khoa học.Những năm gần năm đây học sinh chúng tôi tham gia cuộc thi khoa học kỹ thuật các cấp đã đạt kết quả cao. 
3. Các giải pháp đã thực hiện:
a. Bộ môn vật lý: 
Là giáo viên vật lý, khi dạy học cần nắm vững mạch kiến thức kỹ năng của từng chuyên đề, từ cơ bản đến nâng cao theo mạch phát triển biện chứng. Muốn vậy giáo viên phải am hiểu chuyên sâu nội dung từng cấp học, hệ thống hóa thành mạch kiến thức từ dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp, phải biết mạch kiến thức bắt nguồn từ đâu và sẽ được phát triển như thế nào. 
Với mỗi nội dung cần sử dụng phương pháp dạy học thích hợp, môn vật lý rất cần áp dụng công nghệ thông tin váo bài giảng, vì các thí nghiệm ảo trong bài dạy bằng máy chiếu có tác dụng rất lớn trong việc nắm bắt kiến thức, việc cập nhật thông tin và ứng dụng kỹ thuật vào thực tế rất cần.
Khi bồi dưỡng học sinh phải có nguồn tài liệu phù hợp đối tượng theo từng cấp độ. Hướng dẫn học sinh cách học, cách nghiên cứu, cách vận dụng vào thực tế. 
Khi dạy những vấn đề liên quan đến thực tế cho các em tìm hiểu về nguồn gốc cấu tạo, hoạt động, vị trí lắp đặt, những tác dụng và tác hại của mỗi loại máy với từng chi tiết. Phải xây dựng cho các em thói quen tự học, tự nghiên cứu. Qua đó các em có thói quen suy nghĩ và làm việc theo cách làm hiệu quả nhất. Mỗi dạng bài tập các em phải được làm quen và tìm hướng phát triển theo kiểu nếu biến đổi theo hướng nào bài toán sẽ hay hơn khó hơn.
 Bồi dưỡng theo 4 chuyên đề: Cơ, nhiệt, điện, quang. Mỗi chuyên đề có phần lý thuyết, các kiểu bài tập: Định tính, định lượng, bài tập thực nghiệm. 
Phải có kế hoạch cho các em vào phòng thực hành để tìm hiểu nội dung và phương pháp thực nghiệm. Cho các em tham quan những máy móc có ở địa phương như trạm biến thế, các loai động cơ điện, động cơ nhiệt. Các loại máy nhiệt điện, thủy điện, pin mặt trời, các loại máy cơ đơn giản tác dụng các ứng dụng trong các thiết bị máy móc.
Trong một số tiết dạy dành thời gian cho các em thảo luận thoải mái các vấn đề liên quan đến vật lý và công nghệ trong đời sống và kỹ thuật. Với môn vật lý có hàng vạn câu hỏi vì sao?
Sau mỗi chuyên đề có bài kiểm tra hệ thống, có đáp án biểu điểm cụ thể giúp các em lượng hóa nội dung và cách làm bài
b.Bộ môn khoa học công nghệ:
* Dạy kiến thức cơ bản hệ thống bộ môn, phát hiện học sinh có năng khiếu về khoa học kỹ thuật, hướng dẫn các em phương pháp nghiên cứu, định hướng và chọn đề tài phù hợp để nghiên cứu.
* Lên kế hoạch thực hiện. 
* Lựa chọn các chi tiết cần thiết, lắp dặt ở đâu, kích cở bao nhiêu, thông số kỹ thuật như thế nào để vận hành được.
* Các chi tiết máy móc có thể lấy ở đâu? Lắp đặt như thế nào cho phù hợp. Cần gia cố thêm những phụ kiện gì?
* Cần thêm bớt điều chỉnh như thế nào cho phù hợp với đè tài khoa học của mình.
* Bám sát các hoạt động của học sinh kịp thời giải quyết những bế tắc để đề tài nghiên cứu khoa học thành công.
 Sau đây là một đề tài khoa học mà chúng tôi đã hướng dẫn học sinh nghiên cứu đạt giải nhất cấp tỉnh và được dự thi cấp quốc gia năm 2015 về đề tài : “MÔ HÌNH THIẾT BỊ CỨU HỎA ĐA CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA”:
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ TĨNH
PHÒNG GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HƯƠNG KHÊ
TRƯỜNG THCS PHÚ GIA
MÔ HÌNH
THIẾT BỊ CỨU HỎA ĐA CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
Lĩnh vực: KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ CƠ KHÍ
Tác giả: TRẦN BẢO LONG
Hà Tĩnh, Tháng 1 Năm 2015
Phần 1: PHẦN CHUNG
I. Lý do chọn dự án:
Những năm gần đây, xảy ra nhiều vụ hỏa hoạn cháy nổ khắp nơi rất nghiêm trọng đã làm thiệt hại đến tài sản và tính mạng của con người. Việc chữa cháy gặp nhiều khó khăn, đặc biệt đối với những vụ cháy có nhiều hóa chất độc hại. Từ những nguyên nhân đó, tác giả luôn trăn trở mình phải nghiên cứu, chế tạo ra một thiết bị để dùng vào việc chữa cháy thay cho con người trực tiếp vào cứu hỏa và có hiệu quả cao trong việc cứu hỏa. Từ suy nghĩ đó tác giả đã có ý tưởng nghiên cứu chế tạo ra mô hình “Thiết bị cứu hoả đa chức năng điều khiển từ xa”. Có các công dụng: Cứu hỏa, bốc dỡ hàng hóa, tưới tiêu và phun thuốc hóa học cho cây trồng.
II. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của dự án.
 - Ý nghĩa khoa học:
Nghiên cứu ứng dụng tự động hóa để chế tạo ra mô hình “thiết bị cứu hỏa đa chức năng điều khiển từ xa” phục vụ trong việc cưú hỏa, cẩu – bốc dở hàng, tưới tiêu và phun thuốc hóa học cho cây trồng.
- Ý nghĩa thực tiễn: 
Thay thế cho con người trực tiếp vào cứu hoả và tránh được rủi ro cho những người lính cứu hoả, những đám cháy có nhiều hóa chất độc hại. 
III. Mục tiêu nghiên cứu.
- Mục đích: 
Nghiên cứu sử dụng thiết bị để thay thế con người cứu hỏa, cẩu hàng, phục vụ tưới tiêu và phun thuốc hoá học cho cây trồng.
- Mục tiêu: 
+ Mục tiêu chung: 
Chế tạo được mô hình “Thiết bị cứu hoả đa chức năng điều khiển từ xa” 
+ Mục tiêu cụ thể: Nghiên cứu và chế tạo thành công mô hình“Thiết bị cứu hoả đa chức năng điều khiển từ xa”. Từ đó tiếp tục hoàn thiện thiết bị sau khi hoàn thành mô hình dự án, đưa vào thực nghiệm.
IV. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu: 
 Thời gian: tiến hành từ tháng 3 năm 2014 đến tháng 12 năm 2014
 Nguồn lực: Kinh phí hỗ trợ của nhà trường nơi em đang học và sự ủng hộ của gia đình.
 Mô hình “thiết bị cứu hỏa đa chức năng điều khiển từ xa” sử dụng chủ yếu các vật liệu về điện, điện tử và cơ khí có trong nhà hay những bộ phận được tháo lấy từ những sản phẩm không còn sử dụng nữa.
V. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm
 - Nghiên cứu lý thuyết: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy bơm nước, các động cơ, sự di chuyển và mạch đảo chiều của các vi mạch
 - Xây dựng thành mô hình.
 - Thử nghiệm và rút ra kết luận
VI. Nội dung nghiên cứu cụ thể:
 - Nghiên cứu kích thước thiết bị, cần cẩu, bánh lái
 - Nghiên cứu hoạt động tỷ số truyền của các bánh răng động cơ, các chức năng hoạt động như cần cẩu, xoay, di chuyển, lùi - tới, rẻ trái - rẻ phải
 - Nghiên cứu hệ thống điều khiển bánh lái, hệ thống phun nước
 - Nghiên cứu hệ mạch đèn led, còi hú
 - Nghiên cứu vật liệu để lắp ráp thiết bị.
 - Chế tạo mạch đảo chiều của bộ điều khiển từ xa.
 - Nghiên cứu cách lắp máy bơm và hệ thống phun nước, chuyển động của động cơ bánh răng
 Gồm các chi tiết như sau: 	
+ 8 động cơ 1W – 6v ( lấy từ lò thổi)
+ 1 máy bơm nước loại 6v ( lấy từ máy mát xa đầu)
+ 1 vòi phun nước (lấy từ dây chuyền dịch)
+ 2 pin điện thoại ( lithium) Nokia 3,7 v
+ 4 bộ điều khiển từ xa HF 6v (27MHz – 49 MHz)
+ 1 bộ đảo chiều.
+ 12 công tắc điều khiển.
+ 30 bánh răng các loại
+ 1 bình chứa nước dung tích 500 ml
+ 4 bánh xe (đường kính 50mm)
+ Hai trục lắp bánh xe và hai cầu xe
+ Bộ quay camera thu nhận hình ảnh.
+ Một số mẫu gỗ tự nhiên, các đinh vít và ốc vít
 Phần 2: MỘT SỐ KẾT QUẢ CHÍNH
I. Sản phẩm của quá trình nghiên cứu: 
1. Cấu tạo của thiết bị:
A. Thân thiết bị
- Dài 30cm, rộng 20cm, cao 10cm làm bằng chất liệu gỗ
- Máy gồm 8 động cơ điện công suất 1W, có 4 bánh (dùng để thiết bị di chuyển, rẽ trái, rẽ phải)
- Hai công tắc nguồn (một của đèn LED, một của hệ thống các động cơ)
- 1 hệ thống cần cẩu, trục quay và vòi phun nước
- 1 bộ sạc điện
- 4 ăng ten để nhận tín hiệu từ điều khiển từ xa
- 1 bộ nguồn bằng pin điện thoại cung cấp năng lượng cho các mô tơ hoạt động
- 1 hệ thống đèn LED báo hiệu và còi rú cứu hỏa
- 1 hệ thống máy bơm hút nước và phun nước.
- Camera thu nhận hình ảnh khi thiết bị hoạt động.
 B. Bộ điều khiển từ xa:
- 1 bộ nguồn điện 6v
- 1 hệ vi mạch điều khiển từ xa
- 1 công tắc nguồn chính
- 10 công tắc điều khiển từ xa
- Bộ sạc điện “để sạc khi hết năng lượng”
- 3 ăng ten “ để phát tín hiệu cho thiết bị”
- Màn hình Camera “quan sát các hoạt động của thiết bị”
C. Họat động của thiết bị cứu hoả đa chức năng
 Đóng công tắc nguồn ở thân thiết bị để khởi động các mô tơ, dùng bộ điều khiển từ xa điều khiển thiết bị hoạt động theo ý muốn của người điều khiển chẳng hạn chạy lui, chạy tới, rẽ trái, rẽ phải và phun nước cứu hoả hay cẩu chở hàng hoá, tưới tiêu
Chạy thử nghiệm: (video)
- Sơ đồ bộ điều khiển từ xa.
Công tắc 1: Gạt sang A nâng cần cẩu lên, gạt sang B hạ cần cẩu xuống;
Công tắc 2: Gạt sang A cho cần cẩu kẹp xuống, gạt sang B cho cần cẩu kẹp lên;
Công tắc 3: Gạt sang A quay cần cẩu sang trái, gạt sang B cho cần cẩu sang phải;
Công tắc 4: Gạt sang A kẹp nhóm lại, gạt sang B cần kẹp mở ra;
Công tắc 5: Gạt sang A đầu kìm kẹp quay sang trái, gạt sang B đầu kìm kẹp quay sang phải;
Nhấn công tắc 6, 9 bánh bên trái , phải chạy tới;
Nhấn công tắc 7, 8 bánh bên trái, phải chạy lùi;
Công tắc 10: Bơm, phun nước.
Lưu ý: 
Nhớ bật công tắc ở thân thiết bị và điều khiển từ xa;
Trong khi vận hành nên thao tác cẩn thận vì tốc độ quay của hệ thống cần cẩu trên thiết bị hoạt động rất nhanh.	
II- Quá trình chạy thử - Kết quả và thảo luận: 
Quá trình chạy thử:
 Sau khi hoàn thiện mô hình dự án : “Thiết bị cứu hoả đa chức năng điều khiển từ xa” em đã cho chạy thử: 
	* Lần 1: 29/12/2014 ở gia đình em ông Trần Thanh Sơn xóm 4 xã Hương Long – Hương Khê – Hà Tĩnh. 
Động cơ điều khiển 4 bánh hoạt động tốt
Hệ thống cần cẩu hoạt động linh hoạt
Hệ thống phun nước cao hoạt động tốt
Bộ điều khiển truyền và nhận sóng điện từ hoạt động tốt trong phạm vi 20m.
Chưa hoàn thiện được hệ thống Camera
Hình ảnh hoạt động
Lần 2: 06/01/2015 tại trường THCS Phú Gia – xã Phú Gia - huyện Hương Khê - tỉnh Hà Tĩnh. 
 - Trước sự chứng kiến của Ban giám hiệu nhà trường, thầy cô giáo và các bạn học sinh, mô hình thiết bị cứu hỏa đa chức năng thực nghiệm các chức năng hoạt động tốt 
- Hệ thống Camera vẫn chưa hoạt động được
Kết quả và thảo luận: 
Dựa vào kết quả nghiên cứu tác giả đã chế tạo thành công mô hình: “Thiết bị cứu hoả đa chức năng điều khiển từ xa” với các thông số kỹ thuật đã phù hợp với thiết kê 
 Phần 3: KẾT LUẬN KHOA HỌC
 - Dự án khoa học kỹ thuật, mô hình “Thiết bị cứu hoả đa chức năng điều khiển từ xa”. Tác giả đã nghiên cứu và lắp ráp thành công với cấu tạo, các thông số kỷ thuật và nguyên lý hoạt động phù hợp với thiết kế chế tạo. Mô hình thiết bị có các công dụng: cứu hỏa, cẩu - bốc dở hàng hóa, tưới tiêu và phun thuốc hóa học cho cây trồng. Tất cả các chức năng khi thực nghiệm hoạt động rất linh hoạt và cho hiệu quả cao
 - Hi vọng dự án được ứng dụng vào thực tiễn sẽ mang lại hiệu quả thiết thực cao trong cuộc sống
4.Những tác động giúp đề tài đạt kết quả:
 Điều đầu tiên phải kể đến là sự ham học hỏi ham hiểu biết,đam mê về khoa học của học sinh, đó là hệ quả của sự thổi hồn ngọn lửa đam mê của giáo viên qua các bài học. Tiếp đến là sự tận tụy đầy nhiệt huyết của giáo viên, và dĩ nhiên điểm thành công của học trò là sự kết tinh của kiến thức lẫn phương pháp của thầy bao năm chắt lọc miệt mài nghĩ suy trăn trở. Và không thể thiếu sự quan tâm của ban giám hiệu, của gia đình học sinh, các thành viên trong hội đồng nhà trường, các mạnh thường quân, đã khích lệ động viên về tinh thần về vật chất để thầy trò có điều kiện nghiên cứu.
 Sự kết hợp giữa 2 bộ môn vật lý kỹ thuật và khoa học công nghệ đã tạo điều kiện giúp các em có thành trì về kiến thức được vận dụng thực tế và thăng hoa thành những đề tài sáng tạo khoa học trẻ ở những cấp độ đáng trân trọng. 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ:
Ý nghĩa của đề tài: 
 Muốn có được trò giỏi tất yếu thầy phải chuyên sâu về kiến thức, áp dụng các phương pháp dạy học linh hoạt sáng tạo, tận tụy với học sinh, có sức thu phục lòng người, là tấm gương sáng về khả năng tự học và sáng tạo. Qua đó dễ thấy rằng sự thành công của đề tài góp phần nâng cao chất lượng học sinh đặc biệt là chất lượng mũi nhọn. Góp phần đáng kể trong công cuộc xây dựng công nghiệp hóa hiện đại hóa của đất nước. 
 2.Kiến nghị: 
 Cần coi trọng cách dạy học gắn liền thực tiễn, coi trọng bộ môn kỹ thuật bởi nó giúp cho con người biết lao động và lao động thật sự sáng tạo. 
 Phải tạo nhiều cơ hội cho các em tiếp cận thực tiễn với cuộc sống. Bởi trăm nghe không bằng một thấy, trăm thấy không bằng được làm. 
- Cách điều chỉnh sửa đổi một số vấn đề trong cách tổ chức hoạt động phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi hiệu quả: phát hiện nhân tố, định hướng nuôi dưỡng từ những năm lớp 6 đầu cấp, học chuyên đề nào chuyên sâu chuyên đề đó, vừa rèn kỹ năng, vừa tích lũy kiến thức lâu dần mới phát triển được. Học sinh giỏi là học sinh từ cơ bản biết phát huy sáng tạo thành nhân tố mới có lợi hơn. Cũng vấn đề đó nhiều người không làm được nhưng người giỏi có ý tưởng là làm được. Tình huống có vấn đề là có cách để giải quyết vấn đề nhạy bén hiệu quả. Mong rằng những học sinh có khả năng sớm được phát hiện được bồi dưỡng đúng cách sẽ giúp ích nhiều cho nhân loại. Người xưa đã nói: “một người lo bằng cả kho người làm.” Chúng ta đừng để lãng phí nguồn nhân lực chất xám đó là thiệt lớn nhất trong các thiệt hại thấy được.
 Một vấn đề nữa đề xuất với chuyên môn nên có cách đầu tư là chọn giáo viên có nhiệt huyết để bồi dưỡng học sinh giỏi, học sinh đam mê nghiên cứu khoa học.
 	Rất mong được sự góp ý về đề tài để sự nghiệp trồng người ngày càng ý nghĩa hơn. Xin cảm ơn.
 Ngày 12 tháng 3 năm 2015