CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM ĐA NĂNG ĐO CƯỜNG ĐỘ DÒNG ĐIỆN, HIỆU ĐIỆN THẾ, LỰC VÀ ÁP SUẤT

Tính mới và sáng tạo Hiện nay trên thế giới đã có một số bộ cảm biến phục vụ thí nghiệm Vật lý trong dạy học, tiêu biểu như bộ cảm biến của Neulog. Ví dụ, bộ 10 cảm biến Vật lý của Neulog có giá khoảng 50 triệu đồng, còn riêng bốn cảm biến tương ứng với các đại lượng trong đề tài (lực, cường độ dòng điện, hiệu điện thế, áp suất) có giá khoảng 20 triệu đồng. Tuy nhiên, các thiết bị này chủ yếu là sản phẩm thương mại nhập khẩu, giá thành cao và chưa được sản xuất tại Việt Nam, nên khó triển khai rộng rãi trong các trường học. Đề tài của chúng em hướng đến việc chế tạo một thiết bị thí nghiệm đa năng có chi phí thấp, phù hợp với điều kiện dạy học thực tế. Qua quá trình tìm hiểu các nguồn tài liệu và sản phẩm hiện có, chúng em nhận thấy đề tài không trùng lặp với các nghiên cứu hoặc sản phẩm đã được công bố trong các nguồn thông tin chính thống tại Việt Nam, đồng thời có một số điểm mới và sáng tạo như sau: 1. Tích hợp đa chức năng trong một thiết bị duy nhất: Bộ thí nghiệm do chúng em chế tạo có khả năng đo đồng thời bốn đại lượng vật lý gồm lực, cường độ dòng điện, hiệu điện thế và áp suất. Việc tích hợp nhiều chức năng trong một thiết bị nhỏ gọn là điểm mới so với các dụng cụ thí nghiệm truyền thống vốn tách rời, cồng kềnh và khó sử dụng trong lớp học đông học sinh. 2. Hiển thị số liệu trên thiết bị thông minh và trình chiếu trực quan: Dữ liệu đo được truyền trực tiếp đến điện thoại hoặc máy tính và có thể trình chiếu lên tivi để cả lớp quan sát. Giải pháp này khắc phục hạn chế của các dụng cụ đo truyền thống như lực kế, ampe kế hoặc vôn kế có kích thước nhỏ, khiến học sinh ngồi xa khó theo dõi kết quả. 3. Hỗ trợ vẽ đồ thị và xử lý số liệu theo thời gian thực: Thiết bị có khả năng hiển thị và vẽ đồ thị ngay trên màn hình trong quá trình thí nghiệm. Ví dụ, khi đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế, hệ thống có thể vẽ ngay đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hai đại lượng, giúp giáo viên minh họa trực quan các định luật Vật lý như định luật Ôm. Đây là chức năng mà các dụng cụ thí nghiệm phổ thông hiện nay hầu như chưa đáp ứng được. 4. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo và phần mềm mã nguồn mở trong quá trình chế tạo: Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm đã sử dụng ChatGPT để hỗ trợ viết và tối ưu mã lập trình, đồng thời sử dụng Phyphox để thu nhận, xử lý và hiển thị dữ liệu thí nghiệm. Sự kết hợp giữa AI và phần mềm mã nguồn mở giúp rút ngắn thời gian phát triển, tăng độ chính xác và tạo ra quy trình chế tạo linh hoạt, mang tính sáng tạo trong nghiên cứu và dạy học. 5. Thiết kế 3D và cấu trúc mở, dễ nâng cấp: Vỏ thiết bị được thiết kế bằng mô hình 3D và chế tạo bằng công nghệ in 3D. Nhờ đó, cấu trúc thiết bị có thể dễ dàng thay đổi, nâng cấp hoặc bổ sung các cảm biến khác khi cần thiết. Đây là ưu điểm lớn so với nhiều thiết bị thương mại có cấu trúc cố định và khó cải tiến. 6. Khắc phục các hạn chế của thiết bị cũ: So với các dụng cụ thí nghiệm truyền thống, sản phẩm của đề tài đã khắc phục được nhiều hạn chế như: kích thước hiển thị nhỏ, khó quan sát trong lớp đông học sinh; thiết bị rời rạc, cồng kềnh; khó xử lý số liệu và thiếu tính trực quan. Đồng thời, sản phẩm có chi phí chế tạo thấp hơn nhiều so với các bộ cảm biến nhập khẩu, nên có khả năng ứng dụng rộng rãi trong dạy học. Những điểm mới và sáng tạo trên cho thấy đề tài không chỉ mang ý nghĩa nghiên cứu mà còn có giá trị thực tiễn cao trong việc hỗ trợ dạy học Vật lý tại các trường phổ thông.

Khả năng áp dụng của sản phẩm 1. Về nguyên vật liệu Các linh kiện và vật liệu dùng để chế tạo sản phẩm đều là những linh kiện điện tử phổ biến, dễ tìm trên thị trường trong nước như: mạch vi điều khiển ESP32C3 mini, cảm biến lực, cảm biến áp suất, cảm biến dòng điện, cảm biến hiệu điện thế, pin sạc, dây điện và các linh kiện điện tử cơ bản khác. Ngoài ra, phần vỏ thiết bị được thiết kế bằng mô hình 3D và in bằng máy in 3D nên có thể dễ dàng sản xuất, thay thế hoặc chỉnh sửa khi cần thiết. Nhờ sử dụng các linh kiện thông dụng và quy trình lắp ráp đơn giản, sản phẩm có thể được chế tạo tại các phòng thí nghiệm trường học, câu lạc bộ STEM hoặc các cơ sở giáo dục mà không đòi hỏi thiết bị sản xuất phức tạp. Điều này giúp tăng khả năng ứng dụng và nhân rộng sản phẩm trong thực tế giảng dạy. 2. Giá thành và chi phí sản xuất Tổng chi phí để chế tạo một bộ thiết bị khoảng 1000 000 đồng, bao gồm vỏ thiết bị in 3D có giá 200 000 đồng và các mạch điện tử và linh kiện có giá 600 000 đồng. So với các bộ cảm biến thí nghiệm Vật lý nhập khẩu trên thị trường, giá thành của sản phẩm thấp hơn rất nhiều. Ví dụ, các bộ cảm biến tương tự của Neulog có giá khoảng 20 triệu đồng cho 4 cảm biến tương ứng với các đại lượng trong đề tài. Như vậy, thiết bị do nhóm chúng em chế tạo có chi phí thấp hơn hàng chục lần so với các sản phẩm thương mại nhưng vẫn đáp ứng được nhu cầu thí nghiệm cơ bản trong dạy học. Điều này tạo điều kiện thuận lợi để các trường học có thể trang bị và sử dụng rộng rãi trong quá trình giảng dạy.

Hiệu quả kinh tế – xã hội Về mặt giáo dục, thiết bị giúp các thí nghiệm Vật lý trở nên trực quan và sinh động hơn. Dữ liệu đo được có thể hiển thị trực tiếp trên điện thoại, máy tính và trình chiếu lên tivi, giúp tất cả học sinh trong lớp dễ dàng quan sát kết quả thí nghiệm. Nhờ đó, học sinh hiểu bài tốt hơn, tăng hứng thú học tập và phát triển tư duy khoa học. Thiết bị cũng hỗ trợ giáo viên thực hiện các bài thí nghiệm minh họa như khảo sát mối quan hệ giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện, đo lực, hoặc khảo sát áp suất của chất lỏng. Về mặt kinh tế, sản phẩm có chi phí chế tạo thấp nhưng có thể thay thế một số thiết bị thí nghiệm nhập khẩu có giá thành cao. Nếu được phát triển và sản xuất rộng rãi, thiết bị có thể giúp các trường học tiết kiệm đáng kể chi phí mua sắm dụng cụ thí nghiệm. Đồng thời, việc tự nghiên cứu và chế tạo thiết bị trong nước cũng góp phần thúc đẩy phong trào sáng tạo khoa học kỹ thuật trong học sinh và giáo viên. Ngoài ra, đề tài còn góp phần khuyến khích việc ứng dụng công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và phần mềm mã nguồn mở trong giáo dục STEM, từ đó tạo động lực cho học sinh tiếp cận với khoa học – công nghệ và phát triển kỹ năng nghiên cứu, sáng tạo trong học tập.