Thiết kế chủ đề STEM: “Pin điện thực vật” để tổ chức dạy học nội dung ôn tập Chương I “Chuyển hóa vật chất và năng lượng ở thực vật” - Sinh học 11 THPT

BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM - HỘI NGHỊ KHOA HỌC QUỐC GIA LẦN THỨ 4 DOI: 10.15625/vap.2020.000128 THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM: “PIN ĐIỆN THỰC VẬT” ĐỂ TỔ CHỨC DẠY HỌC NỘI DUNG ÔN TẬP CHƯƠNG I “CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Ở THỰC VẬT” - SINH HỌC 11 THPT La Việt Hồng1,*, Võ Trí Anh Thư2, Thái Thị Thanh Thương2 Tóm tắt: Nghiên cứu tạo pin điện thực vật (lấy điện từ cây) có kết quả rõ ràng: đồng hồ điện tử (điện áp tiêu chuẩn 1,5V) có thể chạy hàng ngày từ điện sinh ra từ cây, dễ thực hiện và có tính ứng dụng thực tiễn. Chúng tôi đã vận dụng giáo dục STEM để xây dựng được chủ đề “Pin điện thực vật”, đồng thời vận dụng trong dạy học. Đối với chủ đề STEM này, học sinh (HS) vận dụng các kiến thức liên môn đã học và kỹ năng, tư duy sáng tạo để tạo “Pin điện thực vật”, đồng thời giải quyết các câu hỏi xoay quanh việc tại sao pin hoạt động được thông qua kiến thức chương I “Chuyển hóa vật chất và năng lượng ở thực vật” - Sinh học 11. Từ khóa: Chủ đề, dạy học, pin điện thực vật, sinh học, STEM. 1. MỞ ĐẦU Chủ đề dạy học STEM trong trường trung học (gọi tắt là chủ đề STEM) là chủ đề dạy học được thiết kế dựa trên vấn đề thực tiễn kết hợp với chuẩn kiến thức, kỹ năng của các môn học khoa học trong chương trình phổ thông. Trong quá trình dạy học, giáo viên tổ chức cho học sinh làm việc nhóm, sử dụng công nghệ truyền thống và hiện đại, công cụ toán học để tạo ra sản phẩm có tính ứng dụng thực tế, phát triển kỹ năng và tư duy của học sinh (Lê Xuân Quang, 2015; Nguyễn Thanh Nga, 2017). Trong các chủ đề STEM, chủ đề STEM dạy học vận dụng được xây dựng trên cơ sở những kiến thức học sinh đã được học là một loại chủ đề STEM bồi dưỡng cho học sinh năng lực vận dụng lí thuyết vào thực tiễn. Các chủ đề STEM này luôn vận dụng nhiều môn học kết hợp với nhau và do đó nó có thể giúp các HS hiểu được, vận dụng được kiến thức đã học đồng thời giải quyết được các vấn đề thực tiễn. Ở chủ đề STEM Pin điện thực vật này, HS sẽ được vận dụng các kiến thức của môn Vật lí 11 (bài “Dòng điện trong chất điện phân”), Vật lí 11 nâng cao (bài “Pin điện hóa”) và môn Sinh học 11, Sinh học 11 nâng cao (Chương I: “Chuyển hóa vật chất và năng lượng” phần A: Thực vật”) vào giải quyết vấn đề tạo Pin điện thực vật và tại sao có dòng điện từ cây. Trước đây, đã có các chủ đề STEM Pin điện hóa làm từ chanh, chuối... nhưng tính thực tế chưa cao và gây lãng phí. Chủ đề STEM tạo “Pin điện thực vật” sẽ giúp HS có những trải nghiệm thú vị và bổ ích từ việc liên hệ kiến thức đã học, giúp HS có thái độ và hướng tới việc bảo vệ môi trường, đồng thời tạo ra các sản phẩm có tính ứng dụng đời sống hàng ngày. 2. VẬT LIỆU, DỤNG CỤ VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 2Trường THPT Chuyên Nguyễn Chí Thanh, Đăk Nông *Email: laviethong.sp2@gmail.com PHẦN III. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GIÁO DỤC VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM 1041 2.1. Vật liệu, dụng cụ nghiên cứu - Vật liệu: cỏ Lan Chi (Chlorophytum Comosum), cây Lúa (Oryza sativa); đất trồng. - Dụng cụ: lọ trồng cây (cốc thủy tinh 500 ml), đồng hồ điện tử (điện áp tiêu chuẩn 1,5V), các dây nối, thanh đồng (Cu), thanh nhôm (Al) cùng kích thước, máy VOM (đo điện áp). 2.2. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lí thuyết: Nghiên cứu những tài liệu về chế tạo pin thực vật, những tài liệu về phương pháp dạy học tích cực, đồng thời nghiên cứu, vận dụng giáo dục STEM trong dạy học Sinh học. - Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế thực nghiệm chủ đề Pin thực vật trong dạy nội dung ôn tập chương chuyển hóa vật chất và năng lượng để đánh giá hiệu quả của chủ đề. 2.3. Nội dung nghiên cứu Giới thiệu pin điện thực vật (lấy điện từ cây): pin điện thực vật có ưu điểm là pin này tự sạc, nguyên liệu là đất và cây xanh, không gây lãng phí nguyên liệu như pin điện hóa từ chanh, chuối, giấm... Tồn tại: chưa có được mức năng lượng như pin điện hóa thông thường. Các lợi ích từ pin điện thực vật: + Thân thiện môi trường; + Từ nguồn năng lượng có thể tái tạo: năng lượng mặt trời; + Năng lượng sinh học sản xuất tại chỗ: sản xuất điện trực tiếp, không cần thu hoạch cây, không cần vận chuyển, chi phí vật liệu thấp. + Bền vững. - Cách tạo pin điện thực vật: + Thiết kế thí nghiệm tạo điện từ cây trên ba đối tượng: Mẫu 1: lọ đất trồng cỏ Lan Chi (Chlorophytum Comosum); Mẫu 2: lọ đất trồng cây Lúa (Oryza sativa); Mẫu 3: lọ đất. Bố trí thí nghiệm như sơ đồ và lấy kết quả của trung bình từ 3 lần đo điện áp (đo ở 3 thời điểm trong ngày: Sáng: 7h; Trưa: 11h; Chiều: 17h). Tiến hành theo dõi 3 mẫu trong thời gian 7 ngày và ghi nhận số liệu, từ đó đưa ra quy trình tạo pin điện thực vật (Hình 1). Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm tạo điện từ cây 1042 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM + Thiết kế thí nghiệm so sánh sinh trưởng của mẫu 1: cỏ Lan chi và mẫu 2: cây Lúa sau 20 ngày. Ghi nhận kết quả, từ đó đưa ra mẫu cây thích hợp để tạo pin. - Thiết kế kế hoạch dạy học và dạy thử nghiệm chủ đề STEM: “Pin điện thực vật” (ôn tập “Chuyển hóa vật chất và năng lượng ở Thực vật”- Sinh học 11). - Đánh giá mức độ đáp ứng của bài học. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả thiết kế pin điện thực vật Bảng 1. Kết quả hoạt động đồng hồ và giá trị điện thế (mV) của 3 mẫu vật sau 7 ngày Ngày Mẫu Ngày 1 Ngày 2 Ngày 3 Ngày 4 Ngày 5 Ngày 6 Ngày 7 Mẫu 1 1561 (1) 1572 (1) 1520 (1) 1475 (1) 1456 (1) 1435 (1) 1436 (1) Mẫu 2 1558 (1) 1543 (1) 1532 (1) 1457 (1) 1430 (1) 1411 (0) 1391 (0) Mẫu 3 1564 (1) 1513 (1) 1472 (1) 1385 (0) 1385 (0) 1356 (0) 1294 (0) (1): Đồng hồ hoạt động ổn định; (0): Đồng hồ hoạt động không ổn định. Hình 2. Kết quả hoạt động đồng hồ và giá trị điện thế(mV) của 3 mẫu vật sau 7 ngày Bảng 2. So sánh sinh trưởng của mẫu 1: cỏ Lan Chi và mẫu 2: cây Lúa sau 20 ngày Ngày Mẫu Ngày 1 Ngày 10 Ngày 20 Mẫu 1 Cây xanh tốt Cây xanh tốt Cây xanh tốt Mẫu 2 Cây xanh tốt Cây xanh tốt Cây còi cọc, yếu ớt, vàng khô và dần chết Với kết quả như trên cho thấy: PHẦN III. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GIÁO DỤC VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM 1043 + Mẫu 1 và 2 có tốc độ giảm điện thế thấp hơn mẫu 3, trong đó mẫu 1 có xu hướng đạt mức ổn định ở 1,435V. Như vậy, ở cùng 1 mức tiêu thụ điện giống nhau thì ở mẫu 1 có sự nạp bổ sung điện tích lớn nhất và có xu hướng đạt cân bằng giữa công suất ngõ ra và ngõ vào, tiếp theo đó là mẫu 2, 3. Với kết quả trên, chúng tôi chọn thử nghiệm đồng hồ điện tử chạy hằng ngày đối với mẫu 1, đồng hồ hoạt động ổn định hàng ngày (kết quả nghiên cứu được nhóm tác giả ghi nhận trong 30 ngày). + Việc lấy điện từ cây có kết quả và duy trì điện được hàng ngày được chọn ở mẫu 1 (cỏ Lan chi) vì cây Lúa có thể tạo ra điện nhưng thời gian không dài (dưới 20 ngày) do một số nhược điểm như: nhanh chết, cần có chăm sóc và bón phân đầy đủ để duy trì Ngược lại ở cỏ Lan Chi thì rất dễ sống có thể ở nơi ngập úng (bão hòa nước), không cần chăm bón nhiều, chi phí thấp do dễ trồng và sinh sản nhanh Vì vậy nên sử dụng cỏ Lan Chi làm vật liệu tạo sản phẩm ứng dụng để đạt hiệu quả. Như vậy, với kết quả trên chúng tôi đưa ra quy trình tạo pin điện thực vật như sau: A. Tạo điện cực cho thí nghiệm B. Bố trí điện cực C. Hoàn thành sản phẩm. Hình 3. Quy trình tạo pin điện thực vật A C B 1044 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM 3.2. Ưu điểm của quy trình tạo Pin điện thực vật - Đơn giản, dễ thực hiện. - Có thể áp dụng vào việc thiết kế các thiết bị ứng dụng trong đời sống hoạt động từ pin điện thực vật (đồng hồ để bàn, đèn LED trang trí, pin sạc). 3.3. Thiết kế kế hoạch bài học minh họa THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM: “PIN ĐIỆN THỰC VẬT” ĐỂ TỔ CHỨC DẠY HỌC NỘI DUNG ÔN TẬP CHƯƠNG I: CHUYỂN HÓA VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG Ở THỰC VẬT - SINH HỌC 11 I. Mục tiêu bài học Sau khi học xong chủ đề này học sinh có khả năng: Kiến thức: - Trình bày và giải thích được cơ chế trao đổi khoáng ở rễ, quang hợp, hô hấp thực vật. - Giải thích được sự ảnh hưởng của các yếu tố (trao đổi khoáng ở rễ, hô hấp ở rễ, quang hợp của cây) tới việc tạo điện ở cây. Kĩ năng - Kĩ năng làm việc nhóm - Kĩ năng làm “chuyên gia” - Kĩ năng thuyết trình - Kĩ năng vận dụng lí thuyết vào thực tiễn: HS biết cách làm pin điện thực vật, từ đó HS thiết kế được các thiết bị ứng dụng trong đời sống hoạt động từ pin điện thực vật. Thái độ - Có thái độ tích cực với việc bảo vệ cây xanh, bảo vệ môi trường. Năng lực - Năng lực giao tiếp và hợp tác - Năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo - Năng lực nghiên cứu khoa học. II. Chuẩn bị Giáo viên - Dụng cụ, nguyên liệu thực hiện thí nghiệm: đất khô, lọ (kín), đồng hồ, các dây nối, kẹp cá sấu, thanh đồng (Cu), thanh nhôm (Al), máy đo hiệu điện thế (VOM). Học sinh - Chuẩn bị mẫu vật theo nhóm: cây Lúa, cỏ Lan Chi. PHẦN III. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GIÁO DỤC VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM 1045 - Xem lại kiến thức về: + Môn Sinh học: Chuyển hóa vật chất và năng lượng ở thực vật (trao đổi khoáng, quang hợp, hô hấp) Sinh học 11. + Môn Vật lí: Cách mắc mạch điện nối tiếp (Vật lí 7); Pin điện hóa (Vật lí 11) III. Quy trình tổ chức dạy học STEM Hoạt động 1: Tạo Pin điện thực vật - GV tiến hành chia lớp thành các nhóm HS: 5-7 HS/nhóm. - GV đặt ra thử thách: Trong thời gian 10 phút hãy làm đồng hồ hoạt động được bằng cách sử dụng cây và những vật dụng đi kèm khác. - GV tiến hành chia dụng cụ về các nhóm. Nhóm Dụng cụ Nhóm 1, 2, 3 Đồng hồ, pin, các dây nối, kẹp cá sấu, thanh đồng, thanh kẽm, máy VOM, 2 cây lúa Nhóm 4, 5, 6 Đồng hồ, pin, các dây nối, kẹp cá sấu, thanh đồng, thanh kẽm, máy VOM, 2 cây cỏ Lan chi - GV quan sát lớp trong 1-2 phút đầu. Nếu có nhóm chưa thực hiện được, GV tiến hành gợi ý (hình thức gợi ý tùy vào số lượng nhóm chưa tiến hành được. Chẳng hạn nếu hầu như các nhóm chưa thực hiện được, GV hướng dẫn chung cho cả lớp). Một số gợi ý (mức độ ưu tiên tăng dần từ trên xuống dưới): • Chậu cây được xem là nguồn điện • Đồng hồ hoạt động ổn định từ 1,3 -1,5V trở lên - Sau thời gian hoạt động, GV tiến hành cho HS đưa ra sản phẩm và nhận xét kết quả của các nhóm. Sau đó đưa ra mô hình tạo pin điện thực vật và hướng dẫn cách tiến hành: + Nguyên liệu: Hình 4. Bộ dụng cụ làm pin điện thực vật (từ phải qua trái): đồng hồ điện tử loại 1,5V; thanh đồng và nhôm; máy đo (VOM); hai cây cỏ Lan chi; dây nối và kẹp cá sấu + Thực hiện: - Dùng các dây nối với nhau bằng kẹp cá sấu để tạo thành đoạn dây mắc nối tiếp, sau đó dùng kẹp cá sấu kẹp các thanh đồng và thanh nhôm vào đoạn dây để cắm xuống đất. 1046 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM - Nên cắm các thanh kim loại xa nhau để tạo dòng dịch chuyển electron mạnh. - Khi cắm xong thì nối hai đầu còn lại của đoạn mạch với hai cực tương ứng của đồng hồ. Và sau khi có dòng điện chạy ổn định thì đồng hồ sẽ chạy. Hoạt động 2: Tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng đến việc tạo điện từ cây GV nêu vấn đề học tập, chia nhóm, giao nhiệm vụ cho mỗi nhóm. Cách chia nhóm “Nhóm chuyên gia”: Chia lớp thành 4 loại nhóm (đặt tên nhóm là “xanh, đỏ, tím, vàng”; trong mỗi nhóm đánh số thứ tự các thành viên từ 1 đến hết). Lớp số lượng HS thực tế 32, lớp chia thành 4 nhóm, mỗi nhóm 8 HS. “Nhóm mảnh ghép”: Cứ 4 HS chuyên gia cùng số thứ tự thành viên trong 4 nhóm xanh, đỏ, tím, vàng hợp lại thành 1 nhóm mảnh ghép, có 8 nhóm mảnh ghép. Nhiệm vụ của các nhóm - Nhóm chuyên gia GV giao nhiệm vụ cho từng nhóm chuyên gia: trong vòng 7 phút tiến hành nghiên cứu những yếu tố sau tới việc tạo điện từ cây. + Nhóm màu đỏ (8 HS) Nghiên cứu về sự tương tác giữa tế bào lông hút với các hạt keo đất (trao đổi chất ở rễ): Cấu tạo và sinh lí tế bào lông hút phù hợp chức năng nhận nước, nhận khoáng như thế nào? Trình bày phương thức trao đổi chất khoáng của rễ trong đất? + Nhóm màu tím (8 HS) Nghiên cứu về hô hấp ở rễ của cây: Rễ cây hô hấp mạnh vì sao? Cơ chế của quá trình hô hấp? + Nhóm màu vàng (8 HS) Nghiên cứu về quá trình quang hợp ở cây: Cơ chế của quá trình quang hợp? Quang hợp tạo ra sản phẩm gì? Vai trò của sản phẩm đó với rễ cây? + Nhóm màu xanh (8 HS) Nghiên cứu về vai trò của các vi khuẩn, vi sinh vật... trong đất đối với cây: Mối quan hệ giữa hệ vi sinh vật rễ và rễ cây? Vì sao nói hệ vi sinh vật rễ là chìa khóa giúp cây phát triển? - Nhóm mảnh ghép GV đặt nhiệm vụ cho các nhóm mảnh ghép: trong thời gian 20 phút, các thành viên cần thực hiện những nhiệm vụ: + Nhiệm vụ 1: Giải thích được các yếu tố ảnh hưởng tới việc tạo điện từ cây. + Nhiệm vụ 2: Vẽ sơ đồ các yếu tố ảnh hưởng và thuyết trình trước lớp. PHẦN III. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GIÁO DỤC VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM 1047 - GV cho một nhóm đại diện lên báo cáo kết quả đã thảo luận. Các nhóm còn lại lắng nghe, nhận xét, góp ý. - GV tổng kết lại kiến thức: GV tổng kết các yếu tố ảnh hưởng đến việc tạo điện từ cây: Trao đổi chất ở rễ được thực hiện bởi sự tương tác giữa tế bào lông hút rễ và keo đất hoặc dịch đất. Keo hoặc dịch đất chứa ion, sẽ trao đổi với ion trên bề mặt tế bào lông hút chủ động (năng lượng từ hô hấp) và thụ động. Từ đó có sự chuyển dịch dòng electron (vì chênh lệch hóa trị của cation, anion). Đặc biệt nếu có sự tham gia của các vi khuẩn (sử dụng chất hữu cơ từ quang hợp sống xung quanh hệ rễ)... diễn ra, dòng electron chuyển dịch càng mạnh. Hoạt động 3: Luyện tập, củng cố, mở rộng Vận dụng kiến thức đã học trong bài, hãy thiết kế các thiết bị ứng dụng trong đời sống hoạt động từ pin điện thực vật (đồng hồ để bàn, đèn LED trang trí, pin sạc). Hình 5. Tổ chức dạy học chủ đề STEM: pin điện thực vật A: Sản phẩm hình đồng hồ để bàn của HS chạy nhờ điện sinh ra từ cây; Hình B, C, D: HS thực hành Bài học đã được dạy thử nghiệm tại lớp 11 chuyên Vật lí Trường THPT Chuyên Nguyễn Chí Thanh Đăk Nông. Về thời gian đảm bảo thực hiện trong 1 tiết dạy (45 phút), học sinh được hoạt động theo nhóm, hứng thú với nội dung bài học. 4. KẾT LUẬN Sau khi học bài học này HS biết cách làm pin điện thực vật, hiểu được nguyên lí tạo điện từ cây, giải thích được sự ảnh hưởng của các yếu tố (trao đổi khoáng ở rễ, hô hấp ở rễ, quang hợp của cây) tới việc tạo điện ở cây, từ đó HS có thể thiết kế được các thiết bị ứng dụng trong đời sống hoạt động từ pin điện thực vật. TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Giáo dục và Đào tạo (2015), Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên), Vật lí 11, Nxb. Giáo dục Việt Nam. A C D B 1048 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM Bộ Giáo dục và Đào tạo (2015), Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên), Vật lí 11NC, Nxb. Giáo dục Việt Nam. Bộ Giáo dục và Đào tạo (2015), Nguyễn Thành Đạt (Tổng chủ biên), Sinh học 11, Nxb. Giáo dục Việt Nam. Bộ Giáo dục và Đào tạo (2015), Vũ Văn Vụ (Tổng chủ biên), Sinh học 11NC, Nxb. Giáo dục Việt Nam. Lê Xuân Quang (2017), Dạy học môn Công nghệ phổ thông theo định hướng giáo dục STEM, Luận án tiến sĩ Khoa học Giáo dục, Trường ĐHSP Hà Nội. Nguyễn Thanh Nga (2017) Thiết kế và tổ chức chủ đề giáo dục STEM cho học sinh THCS và THPT, Nxb. ĐHSP TPHCM. DESIGNING THE STEM TOPIC “PLANT BATTERY” FOR TEACHING REVIEW CHAPTER I “METABOLISM AND ENERGETICS IN PLANTS” - BIOLOGY 11 La Viet Hong1,*, Vo Tri Anh Thu2, Thai Thị Thanh Thuong2 Abstract: Research on creating plant batteries from soil and plants has resulted in the development of an electronic clock (1.5V) which runs daily, is easy to implement, and has high applicability. For the Plant Battery STEM topic, students learn through experience, so that theory links with practice. Therefore, STEM develops career orientation in students. The article presents STEM design in teaching Biology for review chapter I “Metabolism and energetics in plant”- Biology 11. Keywords: Biology, plant battery, STEM, teaching, Topic. 1Hanoi Pedagogical University 2 2Nguyen Chi Thanh High School for the Gifted Students, Dak Nong *Email: laviethong.sp2@gmail.com