Chế tạo bộ thí nghiệm cảm biến Vilabs hỗ trợ dạy học các kiến thức cơ học - vật lí trung học phổ thông

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE<br /> Educational Sci., 2017, Vol. 62, No. 1, pp. 23-33<br /> This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn<br /> <br /> DOI: 10.18173/2354-1075.2017-0003<br /> <br /> CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM CẢM BIẾN “VILABS” HỖ TRỢ DẠY HỌC<br /> CÁC KIẾN THỨC CƠ HỌC - VẬT LÍ TRUNG HỌC PHỔ THÔNG<br /> Mai Văn Trinh1 , Nguyễn Đăng Thuấn2<br /> 1 Cục<br /> <br /> Khảo thí và Kiểm định chất lượng giáo dục – Bộ giáo dục<br /> sư phạm Khoa học Tự nhiên – Trường Đại Học Sài Gòn<br /> <br /> 2 Khoa<br /> <br /> Tóm tắt. Bài báo này giới thiệu bộ thí nghiệm “ViLabs”, một bộ thí nghiệm sử dụng cảm<br /> biến để đo các thông số vật lí trong các thí nghiệm, sau đó thu thập lên máy tính, rồi được<br /> xử lí bằng phần mềm trên máy tính. Với tốc độ đo cao, chính xác, thao tác đo đơn giản, khả<br /> năng mở rộng lớn, xử lí số liệu trực quan, bộ thí nghiệm sẽ giúp bộc lộ các quy luật vật lí<br /> dễ dàng, từ đó hỗ trợ giáo viên trong quá trình dạy học tích cực, sáng tạo và nâng cao hiệu<br /> quả dạy học. Nội dung bài báo tập trung phân tích ưu điểm của bộ thí nghiệm qua phần<br /> kiến thức cơ học ở bậc trung học.<br /> Từ khóa: Thí nghiệm vật lí, dạy học, cảm biến, ViLabs, kết nối máy tính.<br /> <br /> 1.<br /> <br /> Mở đầu<br /> <br /> Phần kiến thức cơ học ở bậc trung học phổ thông (THPT), với các kiến thức về chuyển<br /> động, thường xảy ra nhanh, động, nên gây khó khăn trong việc xác định vị trí, vận tốc, gia tốc<br /> bằng các thiết bị thông thường. Từ trước đến nay, các phòng thí nghiệm chủ yếu sử dụng các công<br /> cụ như cần rung điện, chụp ảnh hoạt nghiệm, cổng quang điện, ... để xác định vị trí của vật chuyển<br /> động theo thời gian, tuy nhiên kết quả còn hạn chế, chưa xác định được quy luật thay đổi của tọa<br /> độ theo thời gian một cách liên tục. Ngày nay, với sự phát triển của các thiết bị cảm biến, thiết bị<br /> ghép nối và đặc biệt là năng lực xử lí của máy tính, đã mở ra một hướng đi mới, đó là sử dụng các<br /> bộ cảm biến, kết nối với máy tính để thu thập số liệu và xử lí trên máy tính. Các bộ thí nghiệm<br /> như vậy đã được nghiên cứu bởi các hãng như: Cassy, Phywe (Đức), Pasco, Vernier, Fourier (Mĩ),<br /> Coach (Hà Lan), GQY (Trung Quốc) . . . Ở Việt Nam, cũng đã có một số nghiên cứu ứng dụng<br /> các bộ thí nghiệm trên vào dạy học như tác giả Trần Bá Trình [6], tác giả Lê Hoàng Anh Linh [3].<br /> Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu sử dụng, chúng tôi thấy các bộ thí nghiệm trên thường có<br /> 4 nhược điểm: Không có ngôn ngữ tiếng việt; Không cơ hữu với chương trình giảng dạy ở Việt<br /> Nam; Không thể tùy biến hoặc thêm chức năng; Giá thành cao [4]. Vì vậy, cần thiết phải có các<br /> nghiên cứu theo hướng chế tạo những bộ thí nghiệm cảm biến kết nối máy tính, khắc phục các<br /> nhược điểm trên. Hiện nay, Bộ Giáo dục và Đào tạo Việt Nam chưa đưa thiết bị thí nghiệm cảm<br /> biến vào danh mục thiết bị tối thiểu [1] vì vậy mới chỉ xuất hiện các nghiên cứu nhỏ lẻ và rời rạc<br /> [5]. Trong bài báo này, chúng tôi giới thiệu bộ thí nghiệm kết nối máy tính “ViLabs” do chúng tôi<br /> xây dựng, chế tạo nhằm hỗ trợ quá trình dạy học vật lí ở các trường học.<br /> Ngày nhận bài: 15/12/2016. Ngày nhận đăng: 17/2/2017.<br /> Liên hệ: Mai Văn Trinh, e-mail: mvtrinh@moet.edu.vn.<br /> <br /> 23<br /> <br /> Mai Văn Trinh, Nguyễn Đăng Thuấn<br /> <br /> 2.<br /> 2.1.<br /> <br /> Nội dung nghiên cứu<br /> Cấu tạo, chức năng bộ thí nghiệm cảm biến ViLabs<br /> <br /> 2.1.1. Về phần cứng<br /> Bộ thí nghiệm kết nối máy tính ViLabs gồm 2 module: “Cảm biến” và “Bộ chủ”. Về chức<br /> năng, module “Cảm biến” chịu trách nhiệm thu thập số liệu từ thí nghiệm; Còn module “Bộ chủ”<br /> thu thập số liệu từ các cảm biến, xử lí và đưa kết quả hiển thị lên màn hình hiển thị (máy tính, máy<br /> tính bảng, điện thoại, . . . )<br /> Module “Bộ chủ”: Chúng tôi dùng<br /> board mạch chính Raspberry thông dụng,<br /> được phổ biến rộng rãi trên toàn thế giới,<br /> với giá thành rẻ, hiệu năng cao. Khả năng<br /> mở rộng là rất lớn, có thể kết nối với nhiều<br /> thiết bị khác nhau như màn hình, các thiết<br /> bị ngoại vi qua cổng USB, các kết nối<br /> không dây wifi, bluetooth, ... Lập trình điều<br /> khiển phát triển hoàn toàn dựa trên những<br /> dự án opensource, nên đảm bảo về vấn<br /> đề bản quyền cũng như khả năng nắm bắt<br /> công nghệ, khả năng tùy chỉnh nếu cần, đó<br /> là QT Framework (bộ thư viện cho ngôn<br /> ngữ C++), SQLite (quản lí cơ sở dữ liệu),<br /> Hình 1: Hình ảnh bộ chủ hoàn thiện<br /> Apache web server ...<br /> Module “Cảm biến”: Chúng tôi sử<br /> dụng các cảm biến với độ chính xác cao và<br /> được lập trình thu thập số liệu trên vi mạch<br /> MCU STM8, đảm bảo tiêu thụ điện năng<br /> thấp nhưng vẫn đủ khả năng đọc dữ liệu từ<br /> sensor cũng như giao tiếp với module chính<br /> một cách dễ dàng. Tốc độ lấy mẫu của cảm<br /> biến được lập trình tối đa với những kĩ thuật<br /> hiện tại. Giao tiếp của cảm biến với module<br /> bộ chủ sử dụng giao tiếp RS485, là giao tiếp<br /> được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp,<br /> đảm bảo độ chính xác cũng như khả năng<br /> kết nối rộng, phù hợp với nhiều thí nghiệm<br /> trong một môi trường không gian lớn. Lập<br /> trình kết nối được tối ưu, đảm bảo dữ liệu<br /> được đọc và gửi lên với độ trễ thấp nhất,<br /> giúp loại đi những sai số cũng như độ trễ mà<br /> Hình 2: Cảm biến siêu âm SRF 05 và hộp cảm<br /> kĩ thuật digital gặp phải, giúp thí nghiệm sát<br /> biến hoàn thiện.<br /> với thực tế hơn.<br /> Trong bài viết này, chúng tôi tập<br /> trung phát triển minh họa một cảm biến, đó là cảm biến siêu âm SRF 05 với chức năng đo khoảng<br /> cách. Đây là cảm biến xác định khoảng cách dựa trên nguyên lí “Thời gian bay” – TOF (Time of<br /> Flight). Trong đó, cảm biến có một đầu phát sóng siêu âm, một đầu thu lại sóng phản xạ từ vật<br /> 24<br /> <br /> Chế tạo bộ thí nghiệm cảm biến “VILABS” hỗ trợ dạy học các kiến thức Cơ học - Vật lí...<br /> <br /> cản. Rồi từ khoảng thời gian giữa lần phát và lần thu (∆t) đo được, ta tính được khoảng cách (s)<br /> theo hệ thức:<br /> v.∆t<br /> (trong đó v là tốc độ âm thanh)<br /> s=<br /> 2<br /> Cảm biến siêu âm SRF 05 có khoảng đo từ 3cm đến 4m và có góc mở là 15o mỗi bên. Đây<br /> là cảm biến siêu âm có độ chính xác khá cao và độ ổn định tốt so với các cảm biến siêu âm khác<br /> trên thị trường. Tuy nhiên, để đánh giá đầy đủ khả năng đo khoảng cách của cảm biến siêu âm SRF<br /> 05 chúng tôi là bố trí tấm phẳng cố định như hình 3, tiến hành đo khoảng cách này bằng thước<br /> 5 lần, tính giá trị trung bình (A), sau đó tiến hành đo lại khoảng cách đó bằng cảm biến SRF 05<br /> được giá trị trung bình (C) và sai số tương ứng (D). So sánh sai lệch giữa các giá trị A, B với C, D<br /> để đánh giá sai lệch trong phép đo của cảm biến SRF05 với phép đo bằng thước.<br /> <br /> Hình 3.<br /> Kết quả chúng tôi thu được thể hiện trong bảng sau:<br /> <br /> Bảng 1: Bảng kết quả đo sai lệch siêu âm SRF 05<br /> Như vậy, sai lệch của kết quả đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm SRF05 thông qua bộ<br /> thí nghiệm ViLabs là nhỏ, hầu hết chỉ dưới 1,6%. Sai lệch này là đáp ứng được phép đo trong các<br /> thí nghiệm ở trường THPT.<br /> 25<br /> <br /> Mai Văn Trinh, Nguyễn Đăng Thuấn<br /> <br /> Đồ thị 1: Đồ thị thay đổi % sai lệch theo khoảng cách đo<br /> <br /> 2.1.2. Về phần mềm<br /> Phần mềm xử lí được chúng tôi xây dựng trên nền web và hoàn toàn dựa trên nền tảng thư<br /> viện mở, cụ thể là Apache Web Server. Điều này đảm bảo độ tương thích cao trên nhiều thiết bị<br /> hiện tại (smartphone, tablet, laptop, PC ...).<br /> Giao diện người dùng được thiết kế đơn giản, bố trí mạch lạc, dễ sử dụng và được phối màu<br /> cẩn thận để không gây mỏi mắt.<br /> <br /> Hình 4: Giao diện chính của phần mềm xử lí số liệu<br /> Tính năng phần mềm đa dạng, dễ dàng phát triển. Có thể kể các chức năng mà chúng tôi đã<br /> phát triển là:<br /> + Vẽ đồ thị trực tiếp (live view), song song với việc thu thập số liệu: Điều này giúp người<br /> sử dụng quan sát được sự thay đổi của thông số thí nghiệm gần như ngay lập tức, và có quyết định<br /> thu số liệu phù hợp với giai đoạn mà họ cho là ưng ý nhất. Trường hợp có nhiều hơn một cảm biến<br /> thu số liệu về, chúng tôi cho phép người dùng lựa chọn số liệu nào được hiển thị trên đồ thị.<br /> + Lấy số liệu lưu lại tùy ý người sử dụng: Tùy mục đích của người sử dụng muốn lấy số liệu<br /> lúc nào và lấy trong bao lâu, chúng tôi thiết kế chức năng “Start/Stop Collecting” giúp người dùng<br /> thu số liệu và dừng lại sau khi đã đủ. Bên cạnh nút lệnh đó có đồng hồ đếm số giây mà người dùng<br /> đã thu số liệu.<br /> + Tùy chỉnh kí hiệu số liệu thu về, thêm chú thích: Mỗi cảm biến khi thu về không thể phân<br /> biệt số liệu nó thu về là đại lượng nào trong thí nghiệm. Ví dụ, cùng là 2 cảm biến siêu âm, trả về<br /> 26<br /> <br /> Chế tạo bộ thí nghiệm cảm biến “VILABS” hỗ trợ dạy học các kiến thức Cơ học - Vật lí...<br /> <br /> khoảng cách, nhưng một cảm biến trả về chiều dài dây, một cảm biến trả về chiều dài li độ. Do<br /> đó, chúng tôi để người sử dụng tự đặt kí hiệu cho số liệu thu về. Điều này giúp họ tính toán sau đó<br /> cũng dễ dàng hơn.<br /> + Xem số liệu đã thu về dưới dạng bảng: Với mỗi lần người sử dụng thu số liệu về (chức<br /> năng start/stop collecting), số liệu sẽ được phần mềm lưu lại dưới dạng bảng. Người dùng chỉ cần<br /> chọn tab “Bảng số liệu” (Data table) để xem lại số liệu đã thu theo từng thời điểm tương ứng.<br /> Trong bảng số liệu này, khi nhấn chọn một cột bất kì, phần “Thuộc tính cột” (Column Propersties)<br /> sẽ hiện các thông tin cơ bản: Cực đại (max), cực tiểu (min), trung bình (Avg), sai số tuyệt đối (Abs<br /> Eror), sai số tương đối (Re Eror). Người dùng cũng có thể xóa cột hoặc dòng dữ liệu nào đó nếu<br /> muốn.<br /> <br /> Hình 5: Giao diện bảng số liệu<br /> + Thêm cột số liệu mới: Người dùng có thể tự thêm các cột số liệu mới tính toán trên các cột<br /> số liệu thu về, bằng các sử dụng chức năng “Thêm cột” (Add Column). Biểu thức tính cột số liệu<br /> mới trên cột số liệu thu về được quy ước theo thông lệ quốc tế: dis(x) là đạo hàm của x; const(A)<br /> là hằng số A, . . .<br /> + Thêm đồ thị: Sau khi đã có bảng số liệu gồm các số liệu thu được từ cảm biến (ví dụ như<br /> li độ) và các số liệu tính thêm (ví dụ vận tốc, gia tốc, . . . ), người dùng hoàn toàn có thể vẽ đồ thị<br /> khảo sát các đại lượng này thay đổi theo thời gian như thế nào, thậm chí khảo sát sự thay đổi của<br /> đại lượng này theo đại lượng khác, bằng chức năng “Thêm đồ thị” (Add Graph).<br /> + So sánh đồ thị với hàm chuẩn: Một số liệu thu về hoặc tạo thêm khi được vẽ đồ thị như<br /> trên sẽ cho chúng ta cái nhìn rõ ràng về quy luật vật lí, nhưng rõ ràng là không thể khẳng định<br /> tuyệt đối quy luật đó. Từ đó, chúng tôi xây dựng chức năng “So sánh” (Compare), ở đó người dùng<br /> có thể tạo một hàm chuẩn tùy ý, thay đổi các tham số, vẽ trên cùng đồ thị số liệu đang tìm hiểu.<br /> Sau đó thay đổi các tham số đến khi nào đồ thị số liệu trùng khớp với đồ thị chuẩn, ta có thể khẳng<br /> định được quy luật của số liệu ta thu về. Ví dụ, đồ thị li độ con lắc dao động theo thời gian cho<br /> thấy nó có dạng hàm cos (sin), nhưng chúng ta không thể khẳng định nó có “chính xác” là hàm<br /> cos (sin) hay không. Khi đó, ta dùng chức năng “So sánh” (Compare) tạo ra một hàm sin chuẩn<br /> theo thời gian với cú pháp chẳng hạn: = const(A).cos(const(B)*time + const(C)) + const(D), với<br /> các tham số A, B, C, D có thể thay đổi sau đó. Khi thay đổi các tham số A, B, C, D ta sẽ được hàm<br /> sin chuẩn, trùng khớp với số liệu li độ thu được, giúp ta khẳng định li độ đúng là theo quy luật hàm<br /> cos/sin.<br /> 27<br /> <br />