Giáo Án Stem Chủ Đề Thiết Kế Đèn Vườn Thông Minh.pdf

CHỦ ĐỀ THIẾT KẾ ĐÈN VƯỜN THÔNG MINH Nhóm giáo viên thực hiện TẠO NGUỒN 1 Tên chủ đề THIẾT KẾ ĐÈN VƯỜN THÔNG MINH (Số tiết 03 tiết – Lớp 12) 2 Mô tả chủ đề Nhà thông minh là kết quả của sự phát triển c[.]

CHỦ ĐỀ THIẾT KẾ ĐÈN VƯỜN THÔNG MINH

Nhóm giáo viên thực hiện: TẠO NGUỒN

1 Tên chủ đề: THIẾT KẾ ĐÈN VƯỜN THÔNG MINH

(Số tiết: 03 tiết – Lớp 12)

2 Mô tả chủ đề

Nhà thông minh là kết quả của sự phát triển công nghệ, khoa học kĩ thuật ngày càng tiên tiến Với giải pháp nhà thông minh mọi vật dụng, thiết bị trong nhà sẽ được bạn quan sát, điều khiển tự động dễ dàng Trong chủ đề này, HS sẽ thực hiện một phần nhỏ của nhà thông minh đó là thiết kế và lắp đặt được hệ thống đèn chiếu sáng sân vườn được đóng ngắt một cách tự động

Theo đó, HS phải tìm hiểu và chiếm lĩnh các kiến thức mới:

+ Chất quang dẫn

+ Hiện tượng quang điện

+ Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của quang điện trở (Bài 31 – Vật lí lớp 12);

Đồng thời, HS phải vận dụng các kiến thức cũ của các bài học:

+ Mạch điện, điện năng công suất điện

+ Chất bán dẫn

Kiến thức có liên quan trong môn Công nghệ 12

+ Các linh kiện bán dẫn

+ Mạch điều khiển tự động

3 Mục tiêu:

Sau khi hoàn thành chủ đề này, học sinh có khả năng:

a Kiến thức, kĩ năng:

– Mô tả được cấu tạo và nguyên tắc hoạt động quang điện trở; phát biểu được hiện tượng quang điện trong là gì?

– Mô tả được cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của tranzito;

– Nắm được nguyên lí mạch điện tử điều khiển tự động bằng quang điện trở;

– Vận dụng được các kiến thức trong chủ đề và kiến thức đã biết, thiết kế và chế tạo được mạch điều khiển hệ thống đèn vườn thông minh bằng quang điện trở

– Vẽ được mạch nguyên lí của hệ thống điều khiển tự động, và phương án thiết kế

– Trình bày, bảo vệ được ý kiến của mình và phản biện ý kiến của người khác;

– Hợp tác trong nhóm để cùng thực hiện nhiệm vụ học tập

b Phát triển phẩm chất:

– Có thái độ tích cực, hợp tác trong làm việc nhóm;

– Yêu thích, say mê nghiên cứu khoa học;

– Có ý thức bảo vệ môi trường

c Phát triển năng lực:

– Năng lực khoa học tự nhiên

– Năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo;

– Năng lực giao tiếp và hợp tác nhóm để thống nhất bản thiết kế và phân công thực hiện từng phần nhiệm vụ cụ thể

4 Thiết bị:

GV sẽ hướng dẫn HS sử dụng một số thiết bị sau khi học chủ đề:

– Đồng hồ đo điện;

– Một số nguyên vật liệu như: tranzito, pin điện hóa, điện trở, dây dẫn điện, đèn led

5 Tiến trình dạy học:

Hoạt động 1: XÁC ĐỊNH YÊU CẦU THIẾT KẾ

ĐÈN VƯỜN THÔNG MINH

(Tiết 1 – 45 phút)

A Mục đích:

Học sinh trình bày được kiến thức về chất quang dẫn, hiện tượng quang điện trong, quang điện trở, tranzito, mạch điện tử điều khiển; Tiếp nhận được nhiệm vụ thiết kế đèn vườn thông minh và hiểu rõ các tiêu chí đánh giá sản phẩm

B Nội dung:

– HS trình bày chất quang dẫn, hiện tượng quang điện trong, quang điện trở, tranzito, mạch điện tử điều khiển (đã được giao tìm hiểu trước ở nhà)

– GV tổ chức cho HS làm thí nghiệm khám phá kiến thức để xác định khả năng dùng quang điện trở để đóng ngắt mạch điện tử đơn giản

– Từ thí nghiệm khám phá kiến thức, GV giao nhiệm vụ cho HS thực hiện dự án Thiết

kế hệ thống đèn vườn thông minh sử dụng quang điện trở đóng ngắt mạch tự động khi được chiếu sáng và không được chiếu sáng

– GV thống nhất với HS về kế hoạch triển khai dự án và tiêu chí đánh giá sản phẩm của dự án

C Dự kiến sản phẩm hoạt động của học sinh:

Kết thúc hoạt động, HS cần đạt được các sản phẩm sau:

– Bản ghi chép kiến thức mới về khả năng điều khiển tự động của quang điện trở và tranzito

– Bảng mô tả nhiệm vụ của dự án và nhiệm vụ các thành viên; thời gian thực hiện dự

án và các yêu cầu của sản phẩm trong dự án

D Cách thức tổ chức hoạt động:

Bước 1 HS làm thí nghiệm khám phá kiến thức

GV đặt vấn đề giới thiệu thí nghiệm: có cách nào để đóng ngắt mạch điện tự động bằng quang điện trở

– GV chia HS thành các nhóm từ 6–8 học sinh (Dành thời gian cho các nhóm bầu nhóm trưởng, thư kí)

– GV nêu mục đích và hướng dẫn tiến hành thí nghiệm

Mục đích: Tiến hành thí nghiệm để nghiên cứu nguyên lí hoạt động của quang điện

trở

GV phát nguyên liệu và phiếu hướng dẫn/phiếu học tập làm thí nghiệm cho các nhóm

để các nhóm tự tiến hành thí nghiệm:

Nguyên vật liệu: Mỗi nhóm HS sẽ nhận được một số vật liệu và dụng

cụ sau:

+ 1 viên Pin 9V

+ 1 khóa k

+ 1 biến trở 100Ω

+ 2 đoạn dây điện có màu khác nhau

+ 1 đèn led

+ 1 quang điện trở

+ 1 nắp đậy có thể ngăn ánh sáng hoàn toàn

Phiếu hướng dẫn làm thí nghiệm:

+ Nối các nguyên liệu thành mạch điện kín theo sơ đồ (GV cho sẵn)

+ HS đóng khóa k trong hai trường hợp: quang điện trở để hở và quang điện trở được đậy nắp, quan sát đèn led và nhận xét

– HS làm thí nghiệm theo nhóm, GV quan sát hỗ trợ nếu cần

– Đại diện HS các nhóm trình bày kết quả thí nghiệm và kết luận

- GV đặt vấn đề: có thể sử dụng linh kiện gì để đèn phát sáng khi trời tối, và tắt khi trời sáng

– GV nhận xét, chốt kiến thức: có thể sử dụng quang trở để đóng ngắt mạch điện tự động, và dùng tranzito để điều khiển tự động điều khiển đèn phát sáng khi trời tối, và tắt khi trời sáng

Bước 2 Giao nhiệm vụ cho HS và xác lập yêu cầu của sản phẩm

Trên cơ sở GV đã giao nhiệm vụ cho HS về nhà tìm hiểu thông tin về chất quang dẫn, hiện tượng quang điện trong, quang điện trở, tranzito, mạch điện tử điều khiển, GV đặt câu hỏi để HS trả lời:

Trình bày các nội dung sau:

+ Chất quang dẫn là gì?

+ Trình bày hiện tượng quang điện trong, nêu được điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện trong ?

+ Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của: quang điện trở, tranzito, mạch điện tử điều

khiển

GV nêu nhiệm vụ: Căn cứ vào kết quả thí nghiệm vừa tiến hành, các nhóm sẽ thực hiện dự án “Thiết kế đèn vườn thông minh”

Sản phẩm cần đạt được các yêu cầu như sau:

✓ Hệ thống điện phải được điều khiển tự động bằng mạch điện sử dụng quang điện trở và tranzito

✓ Đèn phải phát sáng khi trời tối và tắt khi trời sáng

✓ Mạch điện điều khiển nhỏ gọn, dễ lắp đặt, độ nhạy, độ bền và tính thẩm mỹ cao

✓ Chi phí làm tiết kiệm

Bước 3 GV thống nhất kế hoạch triển khai

Hoạt động 1: Xác định yêu cầu chế tạo

hệ thống đèn vườn thông minh

Tiết 1

Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức 1 tuần (HS tự học ở nhà

nền và đề xuất thiết kế hệ thống đèn sân

vườn thông minh

theo nhóm)

Hoạt động 3: Trình bày kiến thức nền

và bảo vệ phương án thiết kế hệ thống

đèn sân vườn thông minh

Tiết 2

Hoạt động 4: Thiết kế mô hình và thử

nghiệm

1 tuần (HS tự làm ở nhà theo nhóm)

Hoạt động 5: Trình bày sản phẩm và

thảo luận

Tiết 3

Trong đó, GV nêu rõ nhiệm vụ ở nhà của hoạt động 2:

– Nghiên cứu kiến thức liên quan:

+ Chất quang dẫn là gì?

+ Trình bày hiện tượng quang điện trong, nêu được điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện trong?

+ Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của: quang điện trở, tranzito, mạch điện tử điều

khiển

–Tiến hành thí nghiệm về việc đóng ngắt mạch điện bằng nhiều cách khác nhau: dùng tay, dùng cảm biến,

– Tiến hành thí nghiệm các phương án

–Vẽ bản vẽ mạch điện và bản thiết kế sản phẩm để báo cáo trong buổi học kế tiếp – Các tiêu chí đánh giá bài trình bày, bản vẽ mạch điện và bản thiết kế sản phẩm được

sử dụng theo Phiếu đánh giá số 2

Yêu cầu đối với bản thiết kế sản phẩm

1 Sử dụng quang điên trở để đóng, ngắt mạch đèn sân vườn như thế nào?

2 Chọn cách lắp ghép các linh kiện như thế nào để có thể thắp sáng đèn LED 3V khi trời tối, đèn không sáng khi trời sáng?

3 Các linh kiện điện tử được gắn theo sơ đồ như thế nào?

GV cần nhấn mạnh: Khi báo cáo phương án thiết kế sản phẩm học sinh phải vận dụng kiến thức nền để giải thích, trình bày nguyên lí hoạt động của sản phẩm Vì vậy, tiêu chí này có trọng số điểm lớn nhất

Hoạt động 2: NGHIÊN CỨU VỀ QUANG ĐIỆN TRỞ VÀ ĐỀ XUẤT

GIẢI PHÁP THIẾT KẾ ĐÈN VƯỜN THÔNG MINH

(HS làm việc ở nhà – 1 tuần)

a Mục đích

Học sinh tự học được kiến thức liên quan thông qua việc nghiên cứu tài liệu về các kiến thức chất quang dẫn, hiện tượng quang điện trong, nêu được điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện trong? Trình bày được cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của: quang điện

trở, tranzito, mạch điện tử điều khiển và làm các thí nghiệm để hiểu cách ngắt mạch điện

và bản vẽ kĩ thuật … từ đó thiết kế được mạch điện và bản vẽ kĩ thuật cho đèn vườn thông minh

b Nội dung

Học sinh tự học và làm việc nhóm thảo luận thống nhất các kiến thức liên quan, làm thí nghiệm, vẽ bản thiết kế mạch điện và sản phẩm

GV đôn đốc, hỗ trợ tài liệu, giải đáp thắc mắc cho các nhóm khi cần thiết

c Dự kiến sản phẩm hoạt động của học sinh:

Kết thúc hoạt động, HS cần đạt được các sản phẩm sau:

– Bài ghi của cá nhân về các kiến thức nền liên quan

+ Khái niệm chất quang dẫn

+ Hiện tượng quang điện trong, nêu được các ứng dụng của hiện tượng quang điện trong

+ Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của: quang điện trở, trazitor, mạch điện tử điều khiển

+ Ứng dụng của quang điện trở trong thực tế

– Bản vẽ mạch điện và bản thiết kế sản phẩm đèn vườn thông minh (trình bày trên giấy A0 hoặc bài trình chiếu powerpoint);

– Bài thuyết trình về bản vẽ và bản thiết kế

d Cách thức tổ chức hoạt động:

Các câu hỏi gợi ý việc tìm tòi khám phá:

1 Hãy kể một số chất bán dẫn và cho biết tính chất đặc biệt của chúng?

2 Hãy quan sát hiện tượng xảy ra khi chiếu chùm ánh sáng vào chất bán dẫn Si Hãy giải thích hiện tượng xảy ra?

3 Chất quang dẫn là gì?

4 Hiện tượng quang điện trong? Điều kiện xảy ra hiện tượng quang điện trong?

5 Quang điện trở? Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

6 Nêu một số ứng ứng của quang điện trở trong tực tế

7 Cấu tạo, phân loại của trazitor?

- Em hãy cho biết cấu tạo của tranzito?

- Em hãy cho biết các loại Tranzito?

- Em hãy cho biết trên sơ đồ các mạch điện tranzito được ký hiệu như thế nào? Giải thích ký hiệu có đặc điểm gì đặc biệt liên quan đến cấu tạo và hoạt động của tranzito

8 Em hãy cho biết trong sơ đồ mạch điện gồm những linh kiện nào?

9 Em hãy cho biết mạch điện tử là gì? Em hãy cho biết các loại mạch điện tử trong thực tế mà em biết

10 Làm thế nào tạo được công tắc đóng, ngắt mạch điện tử động?

Các nhiệm vụ có thể giao cho học sinh:

– Các thành viên trong nhóm đọc bài 31trong sách giáo khoa Vật lí lớp 12, bài 4, 13 sách giáo khoa Công nghệ 12

Trong đó cần xác định được các kiến thức trọng tâm như sau

1 Chất quang dẫn

- Chất quang dẫn là chất dẫn điện kém (điện trở rất lớn, độ dẫn điện rất thấp) khi

không bị chiếu sáng và dẫn điện tốt (điện trở nhỏ, độ dẫn điện cao) khi được chiếu sáng thích hợp

- Các chất quang dẫn điển hình là gecmani (Ge), silic (Si), CdS (cađimi sunfua),

- Các chất quang dẫn thường là chất bán dẫn

2 Hiện tượng quang điện trong

- Là hiện tượng ánh sáng giải phóng các electrôn liên kết biến chúng thành các

electrôn dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá trình dẫn điện

- Chú ý rằng các electrôn dẫn chỉ chuyển động bên trong khối chất bán dẫn mà

không bị bứt ra ngoài như hiện tượng quang điện ngoài Đây là lý do mà người ta gọi hiện

tượng này là hiện tượng quang điện trong

- Điều kiện để xảy ra hiện tượng quang điện trong

+ Năng lượng phô tôn của ánh sáng kích thích phải lớn hơn hoặc bằng năng lượng kích hoạt A ( là năng lượng cần thiết để giải phóng electrôn liên kết thành các electrôn dẫn):

+ Bước sóng của ánh sáng kích thích phải nhỏ hơn hoặc bằng một bước sóng giới hạn đối với mỗi chất bán dẫn, bước sóng giới hạn này được gọi là giới hạn quang dẫn

Hiện tượng quang điện trong xảy ra

+ Giới hạn quang dẫn của đa số các chất bán dẫn đều ở trong miền hồng ngoại,

do đó, chỉ cần dùng ánh sáng kích thích là ánh sáng thấy được là đủ để xảy ra hiện tượng quang dẫn

3 Quang điện trở

- Khái niệm: Quang điện trở là điện trở làm bằng chất

quang dẫn

- Cấu tạo: gồm một sợi dây bằng chất quang dẫn gắn trên

một đế cách điện

- Hoạt động: chiếu ánh sáng

vào quang điện trở thì điện trở của

nó giảm từ vài MΩ đến vài chục Ω

làm cho quang điện trở dẫn điện tốt

khi bị chiếu sáng

- Ứng dụng:

+ Chuyển mạch (switch sytems), cảm biến ánh sáng/tối của môi trường

+ Quang trở thường kết hợp với điện trở trong cầu chia áp dùng làm thiết bị đo mức sáng

+ Thường dùng trong các máy đo cường độ sáng, dùng trong các thiết bị điều khiển theo tác động của ánh sáng, dùng rất nhiều trong các thiết bị phim ảnh Và……vv…

4 Cấu tạo và phân loại của Tranzito

- Cấu tạo:

+ Tranzito gồm 2 lớp tiếp giáp P-N trong vỏ bọc nhựa hoặc kim loại

+ Các dây dẫn ra được gọi là các điện cực

C

E

E

C

E

E

- Phân loại và kí hiệu: N-P-N, P-N-P

Loại P-N-P

Loại N-P-N

5 Khái niệm, Phân loại mạch điện tử

- Khái niệm: MĐT là mạch điện mắc phối hợp giữa các linh kiện điện tử để thực hiện một chức năng nào đó trong kỹ thuật điện tử

Khái niệm về mạch điện tử điều khiển: Những mạch điện tử thực hiện chức năng điều khiển được coi là mạch điện tử điều khiển

`Công dụng: Điều khiển tín hiệu, Tự động hóa các máy móc, thiết bị, Điều khiển các thiết bị điện dân dụng, Điều khiển trò chơi, giải trí

– HS làm việc nhóm:

● Chia sẻ với các thành viên khác trong nhóm về kiến thức đã tìm hiểu được Ghi tóm tắt lại các kiến thức vào vở cá nhân

● Tiến hành thí nghiệm về việc đóng ngắt mạch điện bằng nhiều cách khác nhau: dùng tay, dùng cảm biến, (Tiến hành lại thí nghiệm như ở hoạt động 1)

● Vẽ các bản vẽ mạch điện của đèn vườn thông minh, thiết kế sản phẩm, kiểu dáng

đèn Trình bày bản thiết kế trên giấy A0 hoặc bài trình chiếu Powerpoint

● Chuẩn bị bài trình bày bản thiết kế, giải thích nguyên lí hoạt động của đèn vườn thông minh

– GV đôn đốc các nhóm thực hiện nhiệm vụ và hỗ trợ nếu cần

Hoạt động 3: TRÌNH BÀY VÀ BẢO VỆ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

ĐÈN VƯỜN THÔNG MINH

(Tiết 2 – 45 phút)

N P N Cực C Cực E

Cực B

P N P Cực C Cực E

Cực B

a Mục đích:

Học sinh trình bày được phương án thiết kế đèn vườn thông minh (bản vẽ mạch điện

và bản thiết kế sản phẩm) và sử dụng các kiến thức nền để giải thích nguyên lí hoạt động của đèn và phương án thiết kế mà nhóm đã lựa chọn

b Nội dung:

– GV tổ chức cho HS từng nhóm trình bày phương án thiết kế đèn vườn thông minh; – GV tổ chức hoạt động thảo luận cho từng thiết kế: các nhóm khác và GV nêu câu hỏi làm rõ, phản biện và góp ý cho bản thiết kế; nhóm trình bày trả lời câu hỏi, lập luận, bảo

vệ quan điểm hoặc ghi nhận ý kiến góp ý phù hợp để hoàn thiện bản thiết kế;

– GV chuẩn hoá các kiến thức liên quan cho HS; yêu cầu HS ghi lại các kiến thức vào

vở và chỉnh sửa phương án thiết kế (nếu có)

c Dự kiến sản phẩm hoạt động của học sinh:

Kết thúc hoạt động, HS cần đạt được sản phẩm là bản thiết kế hoàn chỉnh cho việc chế tạo đèn vườn thông minh

d Cách thức tổ chức hoạt động:

Bước 1: Lần lượt từng nhóm trình bày phương án thiết kế trong 5 phút Các nhóm còn

lại chú ý nghe

Bước 2:GV tổ chức cho các nhóm còn lại nêu câu hỏi, nhận xét về phương án thiết kế

của nhóm bạn; nhóm trình bày trả lời, bảo vệ, thu nhận góp ý, đưa ra sửa chữa phù hợp

Bước 3: GV nhận xét, tổng kết và chuẩn hoá các kiến thức liên quan, chốt lại các vấn

đề cần chú ý, chỉnh sửa của các nhóm

Bước 4: GV giao nhiệm vụ cho các nhóm về nhà triển khai chế tạo sản phẩm theo bản

thiết kế

Dự kiến một thiết kế tham khảo: