Sáng kiến kinh nghiệm Khai thác và sử dụng có hiệu quả bộ STEM năng lượng tái tạo - Chuyên đề Vật lí 10

 SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
 TRƯỜNG THPT THANH CHƯƠNG 1 
 ĐỀ TÀI: 
KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG CÓ HIỆU QUẢ 
 BỘ STEM “NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO” 
 LĨNH VỰC: VẬT LÍ 
 Tác giả 1: Trần Đình Hùng 
 Tác giả 2: Nguyễn Thế Trung 
 Tổ: Vật lí – Hoá học – CN 
 SĐT liên hệ: 0977.666.077; 0912.228.928 
 Năm thực hiện 2023 
 PHẦN I. ĐẶT VẤN ĐỀ 
1. Lí do chọn đề tài 
 Giáo dục stem đang trở thành một xu hướng giáo dục mang tính tất yếu trên thế 
giới. Hình thức giáo dục này đóng vai trò là đòn bẩy để thực hiện mục tiêu giáo dục 
năng lực cho các công dân tương lai đáp ứng nhu cầu của nền khoa học công nghệ 4.0 
trong thế kỉ XXI. 
 Việt Nam đang chú trọng triển khai giáo dục stem trong chương trình giáo dục 
phổ thông, giúp học sinh hướng tới các hoạt động trải nghiệm và vận dụng kiến thức 
để tạo ra sản phẩm hoặc giải quyết các vấn đề thực tế trong cuộc sống. Đặc biệt, chỉ 
thị số 16/CT-TTg ngày 04 tháng 5 năm 2017 và quyết định số 522/QĐ-TTg ngày 14 
tháng 5 năm 2018 của Thủ tướng Chính phủ đã yêu cầu tăng cường năng lực tiếp 
cận cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, thúc đẩy triển khai giáo dục về khoa 
học, công nghệ, kĩ thuật và toán học trong chương trình giáo dục phổ thông, tổ chức 
hoạt động giáo dục tích hợp khoa học - công nghệ - kĩ thuật - toán phù hợp với xu 
hướng nghành nghề của từng quốc gia, đáp ứng thị trường lao động, chuẩn bị điều 
kiện đào tạo nhân lực đáp ứng yêu cầu của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ IV. 
 Môn Vật lí là một trong các môn học khoa học có tính đặc thù riêng, trong môn 
học Vật lí các kết luận về lí thuyết phải được thực tiễn tự nhiên kiểm chứng. Vì vậy 
giáo dục stem rất thích hợp khi áp dụng trong học tập và giảng dạy môn Vật lí ở phổ 
thông trong cả hai quy trình quy trình khoa học (câu hỏi - giả thuyết - kiểm chứng - 
kết luận) quy trình kĩ thuật (Xác định vấn đề - Nghiên cứu kiến thức nền - Đề xuất 
các giải pháp/thiết kế - Lựa chọn giải pháp/thiết kế - Chế tạo mô hình (nguyên mẫu) 
- Thử nghiệm và đánh giá - Chia sẻ và thảo luận - Điều chỉnh thiết kế) hai quy trình 
này tiếp nối nhau, khép kín thành chu trình sáng tạo khoa học - kĩ thuật theo mô hình 
"xoáy ốc" mà cứ sau mỗi chu trình thì lượng kiến thức khoa học tăng lên và cùng 
với nó là công nghệ phát triển ở trình độ cao hơn. 
 Trong năm học vừa qua trường THPT Thanh Chương 1 được cấp một phòng học 
stem hiện đại, đầy đủ các trang thiết bị của các lĩnh vực. Với mục đích giúp học sinh 
trường THPT Thanh Chương 1 tiếp cận với các bộ stem gắn liền với nội dung các 
chủ đề học tập nên nhóm chúng tôi lựa chọn đề tài “Khai thác và sử dụng có hiệu 
quả bộ stem năng lượng tái tạo” để làm nội dụng nghiên cứu và vận dụng vào 
chuyên đề học tập Vật lí 10 theo chương trình GDPT 2018. 
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 
 Đối tượng: Học sinh lớp 10 trường THPT Thanh Chương 1 
 Phạm vi nghiên cứu: Khai thác và sử dụng bộ STEM “Năng lượng tái tạo” tại 
phòng học stem của trường THPT Thanh Chương 1 
 Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 9/2022 đến tháng 4/2023. 
3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 
3.1. Mục đích nghiên cứu: 
 Việc đưa giáo dục stem vào trường trung học mang lại nhiều ý nghĩa, phù hợp 
với định hướng đổi mới giáo dục phổ thông. Cụ thể là: 
 1 PHẦN NỘI DUNG 
1. Cơ sở lí luận 
1.1. Khái niệm về giáo dục STEM 
 Stem là viết tắt của từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), 
Engineering (Kĩ thuật), Mathematics (Toán học). Giáo dục STEM về bản chất được 
hiểu trang bị cho người học những kiến thức và kĩ năng cần thiết liên quan đến các 
lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học. Các kiến thức và kĩ năng này 
phải được tích hợp, lồng ghép và bổ trợ cho nhau, giúp HS không chỉ hiểu về nguyên 
lí mà còn có thể thực hành và tạo ra các sản phẩm trong cuộc sống hằng ngày. 
1.2. Giáo dục STEM trong dạy học môn Vật lí 
 Môn Vật lí là một trong các môn học khoa học tự nhiên do vậy nó có tính ứng 
dụng thực tiễn cao, trong môn học này các kết luận về lí thuyết được rút ra từ thực 
nghiệm hay nó phải được nghiệm đúng trong thực tiễn tự nhiên. Vì vậy giáo dục 
stem rất thích hợp khi áp dụng trong học tập và giảng dạy môn Vật lí ở phổ thông. 
 Quy trình chung dạy học môn Vật lí theo định hướng giáo dục stem rất phù hợp 
với quy trình 5 bước thu gọn từ quy trình kĩ thuật 8 bước cụ thể như hình trên. 
 Thực tế các trường THPT trong tỉnh Nghệ An cũng như ở cả nước đa số đang có 
hai ban chính là ban Khoa học tự nhiên và ban Khoa học xã hội. Do vậy trong quá 
trình xây dựng chủ đề ta có thể song song đồng thời lựa chọn hai chủ đề tương đồng 
ở đó cùng mục tiêu cho học sinh tiếp nhận kiến thức vật lí phát triển các năng lực 
bản thân nhưng với nhiệm vụ khác nhau mức độ yêu cầu tiêu chí khác nhau để đảm 
bảo dạy học phù hợp với năng lực và trình độ của học sinh. Khi chọn chủ đề của bài 
học, cần xác định vấn đề cần giải quyết để giao cho học sinh thực hiện sao cho khi 
giải quyết vấn đề đó, học sinh phải học được những kiến thức, kĩ năng cần dạy trong 
 3 2.1.1. Những khó khăn của GV khi dạy học stem ở trường THPT 
 Hình 1. Biểu đồ thống kê về khó khăn của GV về dạy học stem ở trường THPT 
2.1.2. Mức độ cần thiết dạy học Vật lí theo định hướng giáo dục stem 
Hình 2. Biểu đồ thống kê sự cần thiết dạy học môn Vật lí theo định hướng giáo dục stem 
2.1.3. Mức độ thường xuyên đưa stem và dạy học Vật lý 
 Hình 3. Biểu đồ thống kê về mức độ thường xuyên đưa stem vào dạy học Vật lí 
 5 Như vậy thông qua khảo sát GV và HS chúng tôi nhận thấy nhìn chung các GV 
đều thấy được tầm quan trọng và sự cần thiết của dạy học môn Vật lí theo định 
hướng stem, tuy nhiên vấn đề vẫn là triển khai, tổ chức dạy học theo định hướng 
stem như thế nào cho hiệu quả và phù hợp với điều kiện dạy học ở trường phổ thông. 
Mặc dù một số GV đã thực hiện, nhưng vẫn còn lúng túng, hạn chế. Nhiều GV cho 
biết, trong dạy học Vật lý chỉ tập trung truyền thụ kiến thức mà chưa chú trọng, chủ 
động trang bị cho HS kiến thức môn Vật lý cũng như các môn KHTN, Công nghệ 
và Toán theo định hướng stem. Đối với các em HS, việc đưa stem vào dạy học là rất 
cần thiết bởi những hiệu quả mà nó mang lại trong giáo dục là to lớn. Một mặt thực 
hiện được những mục tiêu của GDPT đó là phát triển các năng lực cốt lõi của HS và 
năng lực đặc thù của môn học, mặt khác nó tác động tích cực đến thái độ, tâm lý 
người dạy bởi sự hứng thú, niềm đam mê, yêu thích khoa học của các em. 
2.2. Nguyên nhân và khó khăn của thực trạng dạy học Vật lí ở trường THPT 
theo định hướng stem 
 Mặc dù việc tiếp cận chương trình GDPT mới đã tạo điều kiện thuận lợi hơn để 
có thể triển khai giáo dục stem, tuy nhiên với khung chương trình hiện hành, GV 
vẫn còn gặp khó khăn trong việc tổ chức các nội dung, chủ đề sao cho vừa đảm bảo 
được yêu cầu của khung chương trình vừa phải phát huy tính sáng tạo của HS. Vì 
vậy khi triển khai chương trình GDPT mới cần phải có hướng dẫn về những chủ đề 
stem trong các môn, lĩnh vực học tập để tạo thuận lợi cho GV tổ chức dạy học. 
 Tâm lí ngại tìm hiểu, ngại sáng tạo cùng với trình độ GV chưa đáp ứng được yêu 
cầu. Phần lớn GV chưa có nhận thức đầy đủ về giáo dục stem và có những hướng 
suy nghĩ giáo dục stem cao xa, khó thực hiện. GV THPT được đào tạo đơn môn, do 
đó gặp khó khăn khi triển khai dạy học theo hướng liên ngành như giáo dục stem. 
Bên cạnh đó, GV còn ngại học hỏi, ngại chia sẻ với đồng nghiệp, nên chưa có sự 
phối hợp tốt giữa GV các bộ môn trong dạy học stem. 
 Hình thức kiểm tra, đánh giá hiện nay vẫn còn là rào cản. Môn Công nghệ và Tin 
học là hai môn thành tố của giáo dục stem nhưng vẫn chưa có vị trí chỗ đứng đúng 
nghĩa. Hơn nữa việc kiểm tra, đánh giá hiện nay ở trường phổ thông cụ thể là kì thi 
trung học phổ thông quốc gia được tổ chức theo hình thức làm bài thi trắc nghiệm 
kiểm tra kiến thức, kĩ năng, trong khi kiểm tra, đánh giá theo mô hình giáo dục stem 
là đánh giá thông qua sản phẩm, đánh giá quá trình. Vì vậy trên thực tế, việc triển 
khai giáo dục stem vẫn phải hạn chế ở các lớp cuối cấp để dành thời gian cho em ôn 
thi. Còn các khối lớp khác không nặng nề về thi cử thì đảm bảo học để thi hết kì cho 
nên việc học theo sách giáo khoa (SGK), luyện giải bài tập vẫn là một hoạt động 
chính của HS. GV chỉ dành một phần thời gian cho hoạt động stem (ngoại khóa, hoạt 
động ngoài giờ lên lớp hoặc một số tiết tự chọn) là chủ yếu. 
 Điều kiện cơ sở vật chất chưa đáp ứng được yêu cầu đề ra. Sĩ số mỗi lớp học quá 
đông cũng gây khó khăn cho tổ chức hoạt động, cản trở việc đổi mới phương pháp 
dạy học của GV, việc chưa có phòng học stem riêng, trong khi phòng thực hành bộ 
môn chưa phù hợp để HS có không gian hoạt động, làm việc nhóm, nghiên cứu, thí 
nghiệm cũng là một khó khăn. 
 7 - Bài 26. Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng 
 - Bài 27. Hiệu suất 
 Chuyên đề 3. Vật lí với bảo vệ môi trường (Sách chuyên đề học tập Vật lí 10) 
 - Bài 7. Sự cần thiết phải bảo vệ môi trường 
 - Bài 10. Năng lượng tái tạo và một số công nghệ thu năng lượng tái tạo 
3.2. Các giải pháp dạy học stem chủ đề “Năng lượng tái tạo” bằng bộ stem sẵn 
có ở đơn vị 
 Để thực hiện giải pháp dạy học stem chủ đề “Năng lượng tái tạo” chúng tôi đã 
xây dựng 8 bài học và sau mỗi bài học các học sinh đều được làm một bài thu 
hoạch (có trong phụ lục kèm theo) 
3.2.1. Bài 1: Năng lượng tái tạo và một số công nghệ thu năng lượng tái tạo 
Mục tiêu bài học: 
 Hệ thống Năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng thuỷ năng chứa 
đựng nhiều khái niệm và ý tưởng mới khác nhau. Nó là một hệ thống liên quan đến 
năng lượng và mặt trời, năng lượng gió và năng lượng thuỷ năng. 
Sau bài học này, em sẽ có thể: 
 - Định nghĩa Năng lượng và các thuật ngữ liên quan khác như Công suất và Công. 
 - Nhận biết các dạng năng lượng và nguồn năng lượng khác nhau 
 - Mô tả hệ thống năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng thuỷ năng. 
1.1. Năng lượng, công và công suất 
1.1.1 Năng lượng 
 Mọi hiện tượng xảy ra trong tự nhiên đều cần có năng lượng dưới các dạng khác 
nhau như: Cơ năng, nhiệt năng, điện năng, quang năng, năng lượng âm thanh, năng 
lượng hạt nhân. 
 Năng lượng có thể chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác hoặc từ vật này sang 
vật khác và luôn được bảo toàn. 
1.1.2. Công 
 Dưới tác dụng của lực �⃗ làm một vật dịch chuyển một đoạn �⃗. Công của lực �⃗ 
được tính theo biểu thức 
 � = �⃗. �⃗ = �. �. cos (�⃗, �⃗) 
 Đơn vị của công trong hệ SI (đơn vị đo lường quốc tế) là Jun (J): 1 (J) =1 (N).1 (m) 
1.1.3. Công suất 
 Công suất là một đại lượng cho biết công được thực hiện trong một khoảng thời 
 
gian: � = = �. � 
 
  
 Đơn vị đo công suất trong hệ SI là Oát (W): 1 � = 
  
 9 Những tác động về mặt môi trường sinh thái cùng những tiến bộ về khoa học 
công nghệ đã làm tăng việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng 
thuỷ triều, năng lượng mặt trời, địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng sinh khối,... 
Nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch và 
năng lượng hạt nhân. So với các nguồn năng lượng khác, năng lượng tái tạo có nhiều 
ưu điểm hơn vì tránh được hậu quả có hại đến môi trường. 
1.4. Các loại năng lượng tái tạo 
 Năng lượng tái tạo đang dần thay thế năng lượng không tái tạo từ các nguồn tài 
nguyên thiên nhiên không tái tạo. Một số loại năng lượng tái tạo như sau: 
 - Năng lượng mặt trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện 
từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất. Con người sẽ tiếp tục nhận được dòng năng 
lượng này cho đến khi phản ứng nhiệt hạch trên Mặt Trời hết nhiên liệu, ước tính 
vào khoảng 5 tỉ năm nữa. 
 - Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất 
và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt Trái Đất. 
 - Thế năng của nước được dự trữ tại các đập nước dùng để chạy máy phát điện 
của các công trình thuỷ điện. Một cách tận dụng năng lượng dòng chảy của sông 
suối có trước khi thuỷ điện ra đời là cối xay nước. Dòng chảy của biển cũng có thể 
khai thác để sản xuất điện. 
 - Dòng không khí, hay gió, có thể sinh ra điện khi làm quay tuabin gió. Năng 
lượng gió cũng gây ra chuyển động sóng trên mặt biển. Chuyển động này có thể 
được tận dụng trong các nhà máy điện dùng sóng biển. 
 - Đại dương trên Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn hơn không khí và do đó thay 
đổi nhiệt độ chậm hơn không khí khi hấp thụ cùng nhiệt lượng của Mặt Trời. Đại 
dương nóng hơn không khí vào ban đêm và lạnh hơn không khí vào ban ngày. Sự 
chênh lệch nhiệt độ này có thể được khai thác để chạy các động cơ nhiệt trong các 
nhà máy điện dùng nhiệt lượng của biển. 
 - Nhiên liệu sinh học có thể tồn tại ở cả ba trạng thái rắn, lỏng, khí, được phân 
chia thành bốn thế hệ: nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất được chế tạo từ các sản 
phẩm dùng trong thực phẩm, ví dụ đường, tinh bột, dầu ăn...; nhiên liệu sinh học thế 
hệ thứ hai được sản xuất từ nhiều loại sinh khối ligloxenlulozơ (sinh khối gỗ), phụ 
phẩm nông, lâm nghiệp; nhiên liệu sinh học thế hệ thứ ba lấy từ các nguồn vi tảo, 
chứa hàm lượng sinh khối và dầu lớn; và nhiên liệu sinh học thế hệ thứ tư được sản 
xuất mà không yêu cầu phá huỷ sinh khối. 
1.5. Một số công nghệ cơ bản thu được năng lượng tái tạo 
1.5.1. Thuỷ điện 
 Máy phát điện có khả năng chuyển cơ năng thành điện năng nhờ hiện tượng cảm 
ứng điện từ. 
 Nhà máy thuỷ điện khai thác động năng của dòng nước để tạo ra điện. Đa số các 
nhà máy thuỷ điện tích nước tại các đập nước từ sông hoặc là do con người tạo ra, 
cho dòng nước chảy từ trên cao xuống thông qua các ống và làm quay tuabin máy 
 11