Sáng kiến kinh nghiệm THPT: Khai thác và sử dụng có hiệu quả bộ STEM năng lượng tái tạo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

5
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu sáng kiến nhằm phân tích trình bày về giáo dục stem; Giáo dục stem trong dạy học Vật lí; Tổ chức các hoạt động học tập cho học sinh theo hình thức giáo dục stem với chủ đề năng lượng tái tạo tương ứng với chuyên đề học tập Vật lí 10.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sáng kiến kinh nghiệm THPT: Khai thác và sử dụng có hiệu quả bộ STEM năng lượng tái tạo

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ĐỀ TÀI: KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG CÓ HIỆU QUẢ BỘ STEM “NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO” LĨNH VỰC: VẬT LÍ
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
MỤC LỤC Trang PHẦN I. ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Lí do chọn đề tài 1 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1 3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 1 4. Đóng góp của đề tài 2 PHẦN II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1. Cơ sở lí luận 1.1. Khái niệm về giáo dục stem 3 1.2. Giáo dục stem trong dạy học môn Vật lí 3 2. Cở sở thực tiễn của dạy học Vật lí theo định hướng stem ở một số trường THPT 2.1. Thực trạng tổ chức dạy học môn Vật lý theo định hướng stem ở một số trường 4 THPT trên địa bàn huyện Thanh Chương, Đô Lương và Anh Sơn. 2.2. Nguyên nhân và khó khăn của thực trạng dạy học Vật lí ở trường THPT theo 7 định hướng stem 3. Xây dựng và thực hiện một số chủ đề dạy học stem phần năng lượng tái tạo Vật lí 10 THPT 3.1. Mô tả chủ đề 8 3.2. Các giải pháp dạy học stem chủ đề “Năng lượng tái tạo” bằng bộ stem sẵn có ở 9 đơn vị 3.3. Chế tạo, thử nghiệm và trình bày sản phẩm stem năng lượng mặt trời, năng 40 lượng gió và năng lượng thuỷ năng 4. Kết quả thực nghiệm sư phạm 43 5. Khảo sát tính cấp thiết và khả thi của đề tài 44 6. Một số kết quả đạt được khi tổ chức dạy học chủ đề stem chủ đề năng lượng 46 tái tạo Vật lí 10 THPT PHẦN III. KẾT LUẬN 1. Kết luận 47 2. Kiến nghị đề xuất 47 Tài liệu tham khảo 49
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
– Đảm bảo giáo dục toàn diện – Nâng cao hứng thú học tập các môn học stem – Hình thành và phát triển năng lực, phẩm chất cho học sinh – Kết nối trường học với cộng đồng – Hướng nghiệp, phân luồng 3.2. Nhiệm vụ nghiên cứu: - Phân tích trình bày về giáo dục stem - Giáo dục stem trong dạy học Vật lí - Tổ chức các hoạt động học tập cho học sinh theo hình thức giáo dục stem với chủ đề năng lượng tái tạo tương ứng với chuyên đề học tập Vật lí 10. 4. Đóng góp mới của đề tài - Điều tra được thực trạng dạy học Vật lý theo định hướng stem ở một số trường THPT trên địa bàn huyện Thanh Chương, Đô Lương và Anh Sơn, phân tích các nguyên nhân, khó khăn, đưa ra hướng khắc phục, giải pháp để nâng cao chất lượng dạy học các môn học stem, áp dụng thực nghiệm có hiệu quả tại trường THPT Thanh Chương 1. - Xây dựng hệ thống các chủ đề dạy học stem chủ đề năng lượng tái tạo tương ứng với chuyên đề học tập Vật lí 10 nhằm phát triển năng lực cho HS. - Tổ chức dạy học một số chủ đề stem chuyên đề năng lượng tái tạo Vật lí 10 tại trường phổ thông phù hợp với điều kiện dạy học của nhà trường và thu được những kết quả thiết thực nhằm nâng cao chất lượng dạy học bộ môn Vật lý và các môn học stem, đưa giáo dục stem vào trường học, góp phần vào phong trào thi đua đổi mới sáng tạo trong dạy học đáp ứng với yêu cầu chương trình GDPT tổng thể. 2
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
chương trình môn học đã được lựa chọn (đối với stem kiến tạo) hoặc vận dụng những kiến thức, kỹ năng đã biết (đối với stem vận dụng) để xây dựng bài học. Ví dụ chuyên đề học tập “Năng lượng tái tạo – Vật lí lớp 10” chúng tôi đã lựa chọn chủ đề và giao nhiệm vụ cho học sinh thực hiện trong các chủ đề cụ thể là: “Khai thác và sử dụng có hiệu quả bộ stem năng lượng tái tạo” Thiết kế, chế tạo một số sản phẩm về chủ đề năng lượng tái tạo như là năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng thuỷ năng. 2. Cở sở thực tiễn của dạy học Vật lí theo định hướng stem ở một số trường THPT 2.1.Thực trạng tổ chức dạy học môn Vật lí theo định hướng stem ở một số trường THPT trên địa bàn huyện Thanh Chương và Đô Lương và Anh Sơn. Từ năm học 2014-2015, giáo dục stem đã được Bộ GD-ĐT đưa vào một số văn bản hướng dẫn khuyến khích triển khai ở các nhà trường, đặc biệt sau khi Thủ tướng ban hành Chỉ thị 16/CT-TTg ngày 04/5/2017 về việc tăng cường năng lực tiếp cận cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4, Bộ GD-ĐT đã triển khai thí điểm và đến nay giáo dục stem đã được triển khai đồng loạt trên phạm vi toàn quốc. Riêng ở tỉnh ta, giáo dục stem đã được Sở GD&ĐT đưa vào hướng dẫn nhiệm vụ năm học ở bậc học Tiểu học và Trung học từ năm học 2017 - 2018. Thực tế triển khai cho thấy, giáo dục stem được tổ chức trong nhà trường thường tập trung qua các hình thức: dạy học tích hợp theo định hướng giáo dục stem, sinh hoạt câu lạc bộ stem, các cuộc thi, các hoạt động trải nghiệm sáng tạo, phối hợp tổ chức các hoạt động stem giữa nhà trường và các cơ sở dạy nghề, ngày hội stem…. Qua đây cho thấy, giáo dục stem đã có được những kết quả bước đầu, tạo tiền đề thuận lợi cho bước triển khai tiếp theo mang tính đại trà và hiệu quả khi thời gian thực hiện chương trình GDPT mới chỉ còn không đầy một năm nữa.Tuy nhiên, theo điều tra ở một số trường phổ thông trên địa bàn huyện Thanh Chương, Đô Lương và Anh Sơn, thực tế triển khai vẫn còn gặp nhiều khó khăn, bất cập. Để tiến hành tìm hiểu về thực trạng dạy học stem trong dạy học Vật lý ở trường THPT tôi đã tiến hành khảo sát bằng phiếu điều tra đối với GV và HS với mục đích thu thập thông tin, phân tích khó khăn, thuận lợi của thực trạng dạy học stem môn Vật lí ở trường phổ thông. Nội dung khảo sát: Tìm hiểu nhận thức, hiểu biết, quá trình tổ chức dạy học stem môn Vật lý các GV ở các trường THPT. Đối tượng khảo sát: 20 GV dạy Vật lý ở các trường THPT trên địa bàn huyện Thanh Chương, Đô Lương và Anh Sơn: Trường THPT Thanh Chương 1, THPT Đặng Thúc Hứa, THPT Đô Lương 1, THPT Đô Lương 3, THPT Anh Sơn 1 và 281 HS ở các trường trường trên. Thời gian khảo sát: Từ tháng 10/2022 đến tháng 12/2022. Phiếu khảo sát GV và HS (có trong Phụ lục 01 và 02 kèm theo). Sau khi thu thập, phân tích, tổng hợp qua các phiếu điều tra, kết quả cho thấy như sau: 4
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
2.1.4. Thống kê số HS hiểu biết về dạy học stem Hình 4. Biểu đồ thống kê về hiểu biết dạy học stem của HS 2.1.5. Thống kê sự hứng thú của HS khi tham gia hoạt động stem Hình 5. Biểu đồ thống kê về sự hứng thú tham gia hoạt động stem của HS 2.1.6. Thống kê số HS được học Vật lí theo định hướng giáo dục stem Hình 6. Biểu đồ thống kê số lượng HS đã được học các chủ đề môn Vật lí theo định hướng giáo dục stem 6
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
Trên cơ sở phân tích các nguyên nhân, khó khăn đã đề cập ở trên, chúng tôi thấy muốn tổ chức dạy học stem có hiệu quả, thành công việc đầu tiên GV phải dành nhiều thời gian đọc, nghiên cứu, tìm hiểu về các tài liệu chuyên sâu stem. Từ đó, căn cứ vào điều kiều kiện dạy học cụ thể ở mỗi nhà trường thực hiện các hoạt động chuyên môn: trao đổi ý kiến với đồng nghiệp, thống nhất xây dựng các chủ đề stem của mỗi phân môn, tổ chức các hoạt động dạy học phù hợp. Không nhất thiết đặt nặng vấn đề tạo ra các sản phẩm stem phức tạp, có tính kĩ thuật cao mà điều quan trọng trong dạy học là tạo cho HS một thói quen thường xuyên ứng dụng các kiến thức lý thuyết, các nguyên lý đã học vào thực tiễn để quá trình học là một quá trình kiến tạo, phát triển năng lực. Sau khi học được mỗi chủ đề stem các em đạt được những phẩm chất, năng lực mà GV đã đề ra. Trong quá trình dạy học nên khuyến khích các em sử dụng các nguồn nguyên vật liệu sẵn có, quen thuộc, rẻ tiền, có thể tận dụng những phế phẩm để tạo ra những sản phẩm thân thiện với môi trường, giáo dục ý thức trách nhiệm các em với cộng đồng, môi trường tự nhiên. Các sản phẩm stem có thể không mới đối với nhân loại nhưng lại có tính mới đối với HS nên kích thích được sự tò mò, hứng thú trong quá trình học của HS. Nhìn nhận vấn đề như vậy GV có thể dễ dàng, thoải mái hơn trong tiếp cận dạy học các bộ môn KHTN theo phương thức stem. Trong đề tài này, với mục đích đưa giáo dục stem vào trường học để nâng cao chất lượng dạy học bộ môn, chúng tôi xin trình bày giải pháp thực hiện dưới đây. 3. Khai thác và sử dụng có hiệu quả bộ stem năng lượng tái tạo 3.1. Mô tả chủ đề Theo chương trình GDPT 2018, trong sách chuyên đề học tập Vật lí 10 có chủ đề “Năng lượng tái tạo và một số công nghệ thu năng lượng tái tạo” thuộc chuyên đề “Vật lí với giáo dục bảo vệ môi trường”. Khi học chuyên đề này học sinh hiểu được các tác nhân huỷ hoại môi trường sống, các chất gây ô nhiễm môi trường, tác động của việc sử dụng năng lượng hiện nay đối với môi trường, kinh tế, khí hậu Việt Nam và từ đó hiểu được tầm quan trọng của việc bảo vệ môi trường. Việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo có ý nghĩa rất to lớn trong việc giải quyết vấn đề năng lượng cho con người cũng như bảo vệ được môi trường sống ngày càng tốt đẹp hơn. Cũng qua chuyên đề này học sinh nắm được một số công nghệ thu năng lượng tái tạo và từ đó biết cách làm các sản phẩm stem thu năng lượng tái tạo phục vụ cho quá trình học tập và biết vận dụng vào thực tế cuộc sống Trong chủ đề này, ngoài khai thác và sử dụng bộ stem có sẵn về năng lượng tái tạo mà học sinh còn thực hiện dự án thiết kế và chế tạo được các hệ thống năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng nước từ những nguồn vật liệu dễ kiếm, an toàn đối với người sử dụng. Ở chủ đề này, HS phải tìm hiểu và vận dụng được kiến thức + Chương IV. Năng lượng, công, côgn suất (Sách Vật lí 10) - Bài 23. Năng lượng. Công cơ học - Bài 24. Công suất - Bài 25. Động năng, thế năng 8
- 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 ⃗ 𝐹 𝑆 𝐹 được tính theo biểu thức 𝐴 = ⃗ . ⃗ = 𝐹. 𝑆. cos (𝐹 , ⃗) 𝐹 𝑆 ⃗ 𝑆 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: 𝑃 = " = 𝐹. 𝑣 # % Đơn vị đo công suất trong hệ SI là Oát (W): 1 𝑊 = # & 9
1.1.4. Hiệu suất 'ă)* +ượ)* .ó í.1 7 8 Hiệu suất = 'ă)* +ượ)* 23à) 51ầ) → 𝐻 = 7!" = 8!" #$ #$ 1.2. Năng lượng tái tạo và năng lượng không tái tạo Năng lượng tái tạo hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn năng lượng vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thuỷ triều, sóng và địa nhiệt. Năng lượng được khai thác từ các nguồn tài nguyên như than đá, dầu mỏ, hạt nhân,... không thể được bổ sung, làm lại trong một thời gian ngắn được coi là năng lượng không tái tạo. Hiện nay, hầu hết các quốc gia phát triển phụ thuộc vào nguồn năng lượng không tái tạo. Sơ đồ phân loại nguồn năng lượng tái tạo và không tái tạo 1.3. Vai trò của năng lượng tái tạo Trong thời đại cách mạng khoa học kĩ thuật, sự phát triển của ngành công nghiệp năng lượng có ảnh hưởng rất lớn đến trình độ, cơ cấu và sự phân bố của nền kinh tế. Nhiều thế kỉ qua, mức tiêu dùng than, dầu mỏ, khí đốt của nhân loại tăng lên nhanh chóng và dần cạn kiệt. Đồng thời việc sử dụng các nhiên liệu hoá thạch như than, dầu mỏ, khí đốt, đá cháy,... thậm chí như củi, gỗ đã gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Tài nguyên năng lượng của thế giới rất phong phú và đa dạng. Ngoài nguồn năng lượng truyền thống đã biết, con người đã phát hiện và đưa vào sử dụng các nguồn năng lượng mới. Năng lượng hạt nhân có nhiều lợi thế, hiệu suất cao, ít phụ thuộc vào vị trí địa lí. Tuy nhiên độ không an toàn và rủi ro là khá lớn. Vệc vận hành đòi hỏi điều kiện chuyên môn ngặt nghèo, yêu cầu đội ngũ chuyên gia có trình độ chuyên môn cao cũng như sự khó khăn trong giải pháp xử lí sự cố và chất thải. 10
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
điện Lợi ích lớn nhất của thuỷ điện là không sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Các nhà máy thuỷ điện cũng có tuổi thọ lớn hơn các nhà máy nhiệt điện. Chi phí nhân công cũng thấp bởi vì các nhà máy này được tự động hoá cao và có ít người làm việc tại chỗ khi vận hành thông thường. Trên thực tế, việc sử dụng nước tích trữ cũng gây khó khăn cho nông nghiệp. Các dự án nhà máy thuỷ điện lớn có thể phá vỡ sự cân bằng của hệ sinh thái xung quanh. Sơ đồ nguyên lí nhà máy thuỷ điện 1.5.2. Công nghệ nhiên liệu sinh học Năng lượng sinh học là năng lượng bắt nguồn từ quá trình chuyển đổi sinh khối, trong đó sinh khối có thể được sử dụng trực tiếp như nhiên liệu hoặc được xử lí thành các chất lỏng và chất khí. Sinh khối là các chất hữu cơ dễ phân huỷ có nguồn gốc từ thực vật hay động vật như gỗ và các cây trồng nông nghiệp, chất thải hữu cơ từ động vật. Chu trình sản xuất bioga Nhiên liệu sinh học thu được nhờ chuyển hoá sinh khối nhiên liệu ở dạng lỏng hoặc khí. Một số nhiên liệu sinh học như: ethanol (một loại rượu) được làm bằng quá trình lên men đường hoặc tinh bột từ các loại cây trồng như ngô, mía, ngũ cốc,... 12
nó thường được sử dụng như là chất phụ gia cho xăng. Dầu diesel sinh học được sản xuất từ dầu hoặc chất béo qua sử dụng. Khí sinh học (biogas) như là methane được tạo ra bởi quá trình phân huỷ chất thải của động vật, chất hữu cơ ở bãi rác,... 1.5.3. Công nghệ thu năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời là quá trình chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành các dạng năng lượng có thể sử dụng. Quang điện mặt trời, điện nhiệt mặt trời, sưởi ấm và làm mát bằng năng lượng mặt trời cũng được tạo ra nhờ các công nghệ năng lượng mặt trời. Một số công nghệ thu năng lượng mặt trời trực tiếp như sau: - Bếp năng lượng mặt trời là một thiết bị dùng gương cầu lõm hay thấu kính để hội tụ ánh nắng vào điểm cần đun nấu. Các bếp năng lượng mặt trời có thể đạt công suất vài trăm W và nhiệt độ tới 200°C (hình bên). - Máy nước nóng năng lượng mặt trời dựa trên nguyên lí đối lưu nhiệt tự nhiên và hiệu ứng lồng kính giúp biến đổi quang năng thành nhiệt năng. Đầu tiên cho nước đi vào các ống chân không, khi có ánh nắng mặt trời, ống thuỷ tinh nóng lên truyền nhiệt cho nước bên trong ống (hình bên). Theo nguyên lí đối lưu nhiệt, nước nóng hơn di chuyển lên trên bồn chứa và nước lạnh di chuyển xuống dưới ống chân không và tiếp tục được làm nóng. Quá trình lặp lại cho đến khi nhiệt độ nước trong cả bình chứa và trong ống bằng nhau. Hệ thống quang điện mặt trời là hệ thống biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng. Bộ phận quan trọng của hệ thống quang điện mặt trời là pin quang điện mặt trời. Đó là một thiết bị bán dẫn được sử dụng để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành dòng điện. Pin quang điện mặt trời được kết nối với nhau, với công suất từ 50 W đến 200 W. 1.5.4. Công nghệ thu năng lượng gió Năng lượng gió là động năng của gió được khai thác để sản xuất điện thông gió. Các tuabin gió hoạt động sẽ có tác dụng chuyển năng lượng của gió (cơ năng) thành điện năng. Tuabin gió được đặt trên trụ cao để đón năng lượng gió giúp tốc độ quay của tuabin nhanh hơn và ít bị 13
các luồng gió bất thường. Khi có gió, cánh quạt sẽ quay làm quay tuabin máy phát điện, nhờ đó tạo ra điện năng (hình bên) Kích thước của các loại tuabin gió được thiết kế rất khác nhau. Chiều dài của các cánh quạt là yếu tố để xác định lượng điện mà tuabin gió có thể tạo ra. Nhiều loại mô hình tuabin điện gió vẫn đang được tiếp tục phát triển. Năng lượng gió xuất hiện trên khắp thế giới và có thể góp phần làm đa dạng nguồn năng lượng, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch. 1.5.5. Năng lượng đại dương Nguồn năng lượng từ các đại dương bao gồm: - Năng lượng thuỷ triều: năng lượng tiềm năng liên quan tới các triều cường có thể được khai thác bằng cách xây dựng đập hoặc các công trình xây dựng khác ngang qua cửa sông để tạo thành dòng nước có thể làm quay tuabin máy phát điện. Các dòng thuỷ triều: động năng của các dòng thuỷ triều có thể được sử dụng để làm quay tuabin máy phát điện. - Năng lượng sóng: động năng và thế năng của sóng đại dương có thể được khai thác để sản xuất điện. - Năng lượng nhiệt đại dương: nhiệt độ giữa bề mặt nước biển và nước sâu có sự chênh lệch, có thể được khai thác để chuyển đổi năng lượng nhiệt đại dương thành điện năng. Tuy nhiên, hiện nay chưa có công nghệ nào về năng lượng đại dương được triển khai rộng rãi do chi phí đầu tư xây dựng tốn kém. 1.5.6. Công nghệ thu năng lượng địa nhiệt Năng lượng địa nhiệt từ các nguồn đá nóng, nước nóng ngầm dưới đất như núi lửa, suối nước nóng, hồ nước nóng,... Việc sử dụng những suối nước nóng được biết đến từ thời cổ đại, việc sử dụng địa nhiệt cho mục đích công nghiệp được bắt đầu vào đầu thế kỉ XIX ở Italia. Vào cuối thế kỉ XIX, hệ thống cung cấp nước nóng đầu tiên đã hoạt động ở Mỹ, sau đó là Iceland vào những năm 1920. Vào thế kỉ XX, việc sử dụng năng lượng địa nhiệt để sản xuất điện đã đạt được những thành công nhất định (hình bên). Chú ý: Học sinh hoàn thành Phiếu thu hoạch số 1 (có trong phụ lục 03 kèm theo). 3.2.2. Bài 2: Các hệ thống năng lượng tái tạo EITP-3701; EITP-3702; EITP-3703 Mục tiêu bài học: Mục tiêu của bài học này là giới thiệu cho bạn các phần khác nhau của hệ thống EITP-3701; EITP-3702; EITP-3703 và hướng dẫn bạn cách sử dụng hệ thống, để bạn có thể tiến hành các thí nghiệm được đưa ra trong năm bài học tiếp theo. 14
Sau bài học này, em sẽ có thể: - Nhận biết các bộ phận khác nhau của các hệ thống. - Mô tả chức năng của từng bộ phận. - Liệt kê các biện pháp an toàn cần thực hiện khi làm việc với các hệ thống. 2.1. Hệ thống năng lượng tái tạo 2.1.1. Các thành phần của hệ thống năng lượng mặt trời + Đèn mô phỏng mặt trời: Đèn mô phỏng ánh sáng tự nhiên và sức nóng của mặt trời. Đèn có thể dịch chuyển bằng tay cầm gắn liền với nó. Có thể di chuyển đèn bằng cách thay đổi góc giữa nó và pin mặt trời (có 5 góc là: 0, 15, 30, 45 và 60 độ). Khi bạn di chuyển đèn, hãy lưu ý chỉ cầm vào tay cầm vì đèn tỏa nhiệt cao và bạn có thể bị bỏng nặng. Không vận hành đèn liên tục quá 5 phút, bởi vì điện từ pin mặt trời giảm và điện áp đo được cũng vậy và kết quả đo được của bạn sẽ không chính xác. + Pin mặt trời: Pin mặt trời chuyển đổi năng lượng mặt trời (ánh sáng) thành năng lượng điện, được sử dụng để vận hành các thiết bị khác trong hệ thống (đèn LED, còi, động cơ tải quạt, Pin sạc). Pin mặt trời được cố định vào vị trí của nó và chỉ có thể được di chuyển tự động bằng hệ thống theo dõi. Trong mọi trường hợp, nếu cố gắng di chuyển pin mặt trời. Bạn sẽ làm hỏng nó! Pin mặt trời có giắc cắm Energy Out. 2.1.2. Các thành phần của hệ thống năng lượng gió + Quạt (thiết bị tạo gió): Quạt mô phỏng gió trong tự nhiên làm quay các cánh của tuabin gió. 15
Quạt được di chuyển bằng tay cầm gắn liền với nó. Bạn có thể di chuyển quạt tiến và lùi để thay đổi khoảng cách giữa quạt và máy phát điện. Bạn có thể di chuyển quạt bằng cách thay đổi góc giữa nó và máy phát điện (có 5 góc có thể là: 0, 15, 30, 45 và 60 độ). Khi bạn di chuyển quạt, hãy cẩn thận chỉ cầm vào tay cầm. Không vận hành quạt liên tục hơn 10 phút vì quạt có thể quá nóng và cháy. + Máy phát điện: Máy phát điện chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện được sử dụng để vận hành các thiết bị khác trong hệ thống (đèn LED, còi, động cơ tải quạt, Pin sạc). Máy phát điện được cố định vào vị trí của nó và không thể di chuyển được. Máy phát điện có giắc cắm ENERGY OUT. Lồng quạt: Lồng quạt đóng vai trò như một hộp an toàn, ngăn ngừa chấn thương nếu va chạm vào các bộ phận chuyển động. Cánh quạt rất nguy hiểm vì khi chúng xoay rất nhanh, chúng có thể cắt vào tay của bạn. 2.1.3. Các thành phần của hệ thống thuỷ năng + Máy bơm nước: Máy bơm nước được sử dụng để bơm nước. Bằng cách thay đổi công suất của máy bơm sẽ làm thay đổi cường độ dòng chảy của nước. ▪ Bánh tua bin nước – Khi dòng nước tác động vào bánh tua bin làm quay máy phát điện thủy năng. + Máy phát điện: Máy phát điện chuyển đổi năng lượng thủy năng thành năng lượng điện được sử dụng để vận hành các thiết bị khác trong hệ thống (đèn Led, còi, động cơ tải quạt, Pin sạc). Máy phát điện được lắp cố định vào vị trí của nó và không thể di chuyển được. Máy phát điện có ổ cắm ENERGY OUT. 16
Bể chứa nước - Một bể chứa nước đóng vai trò mô phỏng một dòng sông được bơm nước bơm lên để quay bánh xe tua-bin. + Vôn kế LED: Các đèn LED trên bảng điều khiển được sử dụng để đo điện áp của pin mặt trời. Điều đó có nghĩa là nó cung cấp cho bạn một ý tưởng sơ bộ về độ lớn của điện áp trên phần được đo. + Vôn kế diện tử: Vôn kế điện tử được đặt trên bảng điều khiển. Nó cho phép đo điện áp một cách chính xác. Nó có một giắc cắm đầu vào được đánh dấu là V. Chân âm của Vôn kế đã được nối sẵn với GND. + Ampe kế điện tử: Ampe kế điện tử nằm trên bảng điều khiển. Nó được dùng để đo dòng điện một cách chính xác. Nó có hai giắc cắm đầu vào được đánh dấu là A+ và A-. + Đèn LED - Tải ánh sáng: Đèn LED là một trong những phụ tải mà bạn kết nối với pin mặt trời, để thấy rằng năng lượng mặt trời sẽ chuyển đổi thành năng lượng điện và được sử dụng để thắp sáng đèn LED. Tải đèn LED có giắc cắm đầu vào là LAMP IN. + Còi - Tải âm thanh: Tải còi sẽ kết nối với pin mặt trời trong thí nghiệm, bạn thấy rằng năng lượng mặt trời sẽ chuyển đổi thành năng lượng âm thanh. Bộ tải còi có giắc cắm đầu vào là BUZZER IN. + Tải quạt – Tải động cơ: Tải quạt là một tải sử dụng để chứng tỏ rằng năng lượng mặt trời có thể được chuyển đổi thành cơ năng. Tải quạt có giắc cắm đầu vào là MOTOR IN. + Giá đỡ vật nặng: Có hai vật nặng giống hệt nhau được cung cấp cùng với hệ thống EITP-3701. Giá để vật nặng là nơi bạn lấy vật nặng treo lên tải quạt, khi dùng xong bạn nên cất lại giá để không bị thất lạc. 17