Hướng dẫn thực hành STEM: Đo nhiệt độ và khảo sát quá trình truyền nhiệt bằng cảm biến kĩ thuật số (KHTN 6)

1. Giới thiệu bài học và bối cảnh sư phạm

Trong Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 môn Khoa học tự nhiên 6 (Phân môn Vật lí), chủ đề Các phép đo – Đo nhiệt độ là bài học thực nghiệm nền tảng giúp học sinh làm quen với phương pháp nghiên cứu khoa học thực nghiệm. Việc sử dụng nhiệt kế thủy ngân hay nhiệt kế rượu truyền thống tuy đơn giản nhưng bộc lộ nhiều hạn chế: khó ghi nhận số liệu biến thiên liên tục theo từng giây, nguy cơ vỡ thủy tinh mất an toàn và không thể trực quan hóa đồ thị diễn biến nhiệt độ theo thời gian thực.

Bài học thực hành STEM "Đo nhiệt độ và khảo sát quá trình truyền nhiệt bằng cảm biến kĩ thuật số" khai thác thiết bị đo lường số hóa thuộc danh mục khung Thông tư 86/2026/TT-BGDĐT (nhóm Bộ thu nhận dữ liệu và cảm biến kĩ thuật số cấp THCS - mã thcs-2 và thiết bị đo KHTN thcs-1).

Ứng dụng đầu đo cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số kết hợp phần mềm thu thập dữ liệu giúp học sinh quan sát trực tiếp sự suy giảm nhiệt độ của nước nóng khi truyền nhiệt ra môi trường không khí xung quanh dưới dạng đồ thị trực quan.

2. Mục tiêu dạy học theo Chương trình GDPT 2018

2.1. Phẩm chất và năng lực chung

• Năng lực tìm hiểu tự nhiên: Biết đề xuất dự đoán về xu hướng giảm nhiệt độ của cốc nước nóng (nhiệt độ giảm nhanh lúc đầu hay giảm đều liên tục); thiết kế tiến trình thực nghiệm để kiểm chứng.
• Năng lực giao tiếp và hợp tác: Làm việc nhóm phân công rõ ràng: học sinh chuẩn bị mẫu nước ấm, học sinh vận hành cảm biến và học sinh ghi chép số liệu.
• Ý thức an toàn phòng thực hành: Tuân thủ nghiêm ngặt quy định an toàn khi thao tác với nước nóng và thiết bị điện tử.

2.2. Năng lực đặc thù môn Khoa học tự nhiên

• Trình bày được nguyên lý đo nhiệt độ và đơn vị đo nhiệt độ tiêu chuẩn (độ C - Celsius).
• Sử dụng thành thạo cảm biến nhiệt độ kĩ thuật số, đọc đúng giá trị đo hiển thị trên màn hình.
• Phân tích đồ thị biểu diễn nhiệt độ theo thời gian: nhận biết quá trình truyền nhiệt diễn ra nhanh khi chênh lệch nhiệt độ lớn và chậm dần khi nhiệt độ nước tiến gần về nhiệt độ phòng (trạng thái cân bằng nhiệt).

3. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm

Bộ dụng cụ thực hành cho mỗi nhóm 4–5 học sinh bao gồm:

4. Tiến trình tổ chức hoạt động dạy học (Thời lượng: 45 phút)

Hoạt động 1: Khởi động và nêu bài toán thực tế (8 phút)

• Tình huống: Giáo viên đặt một cốc nước ấm trên bàn và hỏi: "Nếu để cốc nước này trong phòng học 20 phút, nhiệt độ của nước sẽ giảm như thế nào? Tốc độ giảm nhiệt độ ở 5 phút đầu và 5 phút cuối có giống nhau không?"
• Học sinh dự đoán: Đa số học sinh dự đoán nhiệt độ giảm đều theo thời gian.
• Giao nhiệm vụ: Các nhóm sử dụng cảm biến nhiệt độ số để đo liên tục trong 10 phút, vẽ đồ thị thực nghiệm để kiểm chứng dự đoán.

Hoạt động 2: Chuẩn bị thiết bị và kết nối cảm biến (7 phút)

• Bật bộ thu nhận dữ liệu, kết nối que đo cảm biến nhiệt độ qua cổng Bluetooth hoặc dây nối USB.
• Kiểm tra số đo ban đầu trong không khí (đo nhiệt độ phòng học, khoảng 26°C – 28°C).
• Cố định que cảm biến vào giá kẹp, điều chỉnh độ cao để đầu đo ngập sâu khoảng 3–4 cm trong lòng nước nhưng không chạm sát đáy cốc thủy tinh (tránh truyền nhiệt trực tiếp từ đáy cốc).

Hoạt động 3: Tiến hành thực nghiệm và thu thập dữ liệu (18 phút)

• Giáo viên rót 100ml nước ấm vào cốc cho từng nhóm.
• Học sinh bấm nút Bắt đầu ghi (Start) trên phần mềm thu thập số liệu:
• Cảm biến tự động lấy mẫu mỗi 5 giây một lần.
• Trên màn hình hiển thị đồng thời giá trị nhiệt độ tức thời và đường đồ thị nhiệt độ - thời gian đang tự động vẽ ra theo thời gian thực.
• Học sinh quan sát hiện tượng: Nhiệt độ ban đầu giảm rất dốc (giảm nhanh từ 65°C xuống 50°C trong vài phút đầu), sau đó đường cong lài dần ra.

Hoạt động 4: Phân tích đồ thị và kết luận khoa học (12 phút)

• Bấm dừng thu thập dữ liệu sau 10 phút đo.
• Đại diện các nhóm báo cáo số liệu: So sánh độ dốc của đồ thị ở 2 phút đầu và 2 phút cuối.
• Giáo viên giải thích bản chất vật lí: Quá trình truyền nhiệt từ cốc nước ra môi trường phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ giữa nước và không khí. Ban đầu chênh lệch lớn nên nhiệt truyền đi nhanh, khi nước nguội dần, tốc độ truyền nhiệt chậm lại.
• Học sinh so sánh kết quả thực nghiệm với dự đoán ban đầu, nhận xét ưu điểm vượt trội của cảm biến số so với nhiệt kế truyền thống.

5. Tiêu chí đánh giá bài học

• Kỹ năng thao tác thiết bị: Lắp đặt que đo đúng quy cách, thao tác phần mềm thu thập dữ liệu thành thạo (40%).
• Chất lượng số liệu và đồ thị: Đồ thị thu được liên tục, mịn màng, không bị nhiễu do rung lắc que đo (30%).
• Năng lực phân tích và thảo luận: Giải thích được quy luật giảm nhiệt độ dựa vào đồ thị thực nghiệm (30%).