Chế tạo mô hình xe đồ chơi chạy bằng năng lượng mặt trời (Khoa học 5)

1. Bối cảnh và ý tưởng bài học

Trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018 môn Khoa học lớp 5, nội dung về năng lượng và năng lượng tái tạo giữ vai trò quan trọng trong việc hình thành nhận thức bảo vệ môi trường cho học sinh. Hoạt động "Chế tạo mô hình xe đồ chơi chạy bằng năng lượng mặt trời" kết nối kiến thức khoa học về sự biến đổi quang năng thành điện năng và cơ năng với kỹ năng thiết kế, lắp ráp mô hình kỹ thuật trong môn Công nghệ lớp 4, 5.

Học sinh được làm việc nhóm theo quy trình thiết kế kỹ thuật, từ việc tìm hiểu bài toán thực tiễn, phác thảo ý tưởng, lựa chọn linh kiện, lắp ráp thử nghiệm đến việc cải tiến sản phẩm để xe chạy nhanh và ổn định nhất dưới ánh sáng tự nhiên.

2. Thiết bị và vật liệu sử dụng

Bài học khai thác các thiết bị thuộc danh mục khung thiết bị giáo dục STEM cấp Tiểu học:

• Bộ khám phá năng lượng và biến đổi năng lượng: Tấm pin quang điện một chiều điện áp an toàn (không quá 12V DC), động cơ điện mini, cánh quạt hoặc bánh răng truyền động.
• Bộ lắp ghép kỹ thuật cơ bản: Khung xe, bánh xe, trục thép, khớp nối nhựa an toàn.
• Dụng cụ chế tạo đơn giản: Kéo đầu tròn, băng dính hai mặt, thước đo độ dài.
• Nguồn sáng thử nghiệm: Ánh sáng mặt trời trực tiếp ngoài sân trường hoặc đèn sợi đốt công suất phù hợp trong phòng học.

3. Tiến trình dạy học gợi ý

Hoạt động 1: Xác định vấn đề (15 phút)

• Giáo viên cho học sinh quan sát xe đồ chơi chạy pin thông thường và đặt vấn đề: Làm thế nào để xe có thể tự chạy ngoài trời mà không cần dùng pin hóa học một lần, góp phần giảm rác thải điện tử?
• Học sinh thảo luận nhóm, xác định tiêu chí của sản phẩm: xe có 4 bánh chuyển động trơn tru, gắn được tấm pin mặt trời và tự di chuyển được khi đón ánh sáng.

Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức nền (20 phút)

• Học sinh quan sát tấm pin mặt trời mini, kết nối thử nghiệm với động cơ nhỏ để thấy cánh quạt hoặc trục quay hoạt động khi có ánh sáng chiếu vào.
• Giáo viên hướng dẫn học sinh nhận biết chu trình biến đổi năng lượng: Quang năng sang Điện năng và sang Cơ năng.

Hoạt động 3: Đề xuất phương án và thiết kế (15 phút)

• Các nhóm vẽ phác thảo cấu tạo xe: vị trí đặt trục bánh xe, cách truyền lực từ trục động cơ sang bánh xe (qua dây đai hoặc bánh răng), góc nghiêng tối ưu của tấm pin mặt trời.
• Giáo viên góp ý về tính cân đối của khung xe và độ êm của các ổ trục.

Hoạt động 4: Chế tạo và thử nghiệm (25 phút)

• Học sinh tiến hành lắp ráp khung xe theo bản vẽ thiết kế đã duyệt.
• Lắp động cơ và cố định tấm pin mặt trời lên lưng xe.
• Đấu nối dây dẫn điện từ tấm pin vào hai cực của động cơ điện một chiều.
• Đưa mô hình ra vị trí có ánh nắng hoặc chiếu đèn để kiểm tra chuyển động; ghi nhận hướng chạy và tốc độ của xe.

Hoạt động 5: Đánh giá, điều chỉnh và hoàn thiện (15 phút)

• Tổ chức cuộc thi nhỏ "Đường đua xanh": các nhóm cho xe chạy thử trên cùng một quãng đường cố định.
• Học sinh thảo luận nguyên nhân xe chạy chậm hoặc lệch hướng (trục bánh xe bị kẹt, trọng tâm xe chưa cân đối, góc đón nắng chưa vuông góc) và tiến hành tinh chỉnh.
• Đại diện nhóm chia sẻ kinh nghiệm cải tiến mô hình.

4. Gợi ý đánh giá học sinh

• Về phẩm chất: Ý thức bảo vệ môi trường, sử dụng năng lượng tiết kiệm, tinh thần hợp tác nhóm.
• Về năng lực: Năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo qua bản vẽ thiết kế; năng lực thao tác lắp ghép kỹ thuật cơ khí đơn giản; khả năng giải thích hiện tượng biến đổi năng lượng bằng ngôn ngữ cá nhân.