Tự tạo và sử dụng một số dụng cụ thực hành quan sát trong dạy học Thiên văn học Đại cương - Trần Thanh Bình

Tạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Huế ISSN 1859-1612, Số 04(32)/2014: tr. 22-28 TỰ TẠO VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ DỤNG CỤ THỰC HÀNH QUAN SÁT TRONG DẠY HỌC THIÊN VĂN HỌC ĐẠI CƯƠNG TRẦN THANH BÌNH Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế Tóm tắt: Bài viết trình bày việc nghiên cứu, đề xuất, tự tạo các dụng cụ đơn giản tự làm được và từ đó xây dựng các bài tập thực hành quan sát phục vụ cho việc dạy học Thiên văn học đại cương ở bậc đại học. Từ khóa: thiên văn học, dụng cụ quan sát, dụng cụ tự tạo 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Những kiến thức về Thiên văn - Vũ trụ rất cần thiết đối với mọi người. Đặc biệt đối với sinh viên sư phạm thì việc cung cấp những kiến thức cơ bản của Thiên văn học là rất quan trọng và cần thiết. Đối tượng của Thiên văn học trước hết là các thiên thể gần, xa trên bầu trời, do đó quá trình lĩnh hội kiến thức Thiên văn - Vũ trụ cần được gắn liền với việc quan sát. Thông qua thực hành quan sát sinh viên mới nắm chắc các kiến thức được học, mặt khác nó sẽ gây cho sinh viên lòng ham mê hứng thú với bộ môn, rèn luyện các kỹ năng thực hành quan sát. Trong xu hướng đổi mới phương pháp dạy học hiện nay, việc xem trọng phần thực hành quan sát trong chương trình môn Thiên văn học sẽ tăng thêm giờ quan sát thực tế bầu trời và các đối tượng cơ bản trên bầu trời, có điều kiện để sinh viên kiểm nghiệm lại các kiến thức lý thuyết đã được học. Bên cạnh đó nó còn là điều kiện để rèn cho sinh viên tính kiên trì trong học tập, nghiên cứu khoa học - một đức tính cần thiết cho sinh viên không những bây giờ mà cả sau khi họ rời khỏi ghế nhà trường. Hiện nay việc dạy học Thiên văn học đại cương ở một số trường còn gặp nhiều khó khăn do thiếu thiết bị thực hành. Để khắc phục tình trạng đó và đáp ứng yêu cầu đổi mới phương pháp dạy học, chúng tôi nghiên cứu xây dựng một số bài thực hành quan sát thiên văn dùng các dụng cụ đơn giản tự tạo. Đó là những quan sát: xác định sao Bắc cực, tìm phương hướng, đo vĩ độ địa lý, quan sát chuyển động của Mặt trời, Mặt trăng, các hành tinh, xác định thời gian nhờ Mặt trời. 2. XÂY DỰNG CÁC BÀI THỰC HÀNH QUAN SÁT DỰA TRÊN CÁC DỤNG CỤ TỰ TẠO 2.1. Tổng quan chung về các bài thực hành quan sát 2.1.1. Tầm quan trọng của thực hành quan sát trong học Thiên văn Trong nhà trường, quá trình học Thiên văn cần gắn liền với thực hành quan sát. Bởi đặc thù của môn thiên văn là các qui luật, định luật được rút ra từ quan sát, từ mô hình hóa và những suy luận lôgic cho nên thực hành quan sát thiên văn có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc lĩnh hội, cũng cố kiến thức, rèn luyện kỹ năng. Mặt khác, thông qua TỰ TẠO VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ DỤNG CỤ THỰC HÀNH QUAN SÁT... 23 thực hành quan sát sẽ làm tăng lòng ham mê hứng thú học tập bộ môn và kích thích óc tò mò khám phá vũ trụ, khám phá tự nhiên của sinh viên. 2.1.2. Một số yêu cầu chung cho các thực hành quan sát - Đối với các bài thực hành quan sát phải bám sát nội dung chương trình bộ môn [2, 3], phải làm sáng tỏ, minh họa cho những vấn đề cụ thể trong bài học lý thuyết [2]. - Phải chọn các thực hành quan sát phù hợp với tình hình cụ thể của chúng ta. Cụ thể là phù hợp với thời gian học, điều kiện thời tiết, đặc biệt là điều kiện của trang thiết bị. Hiện nay chúng ta hầu như chưa có các thiết bị thực hành thiên văn, vì vậy phải chọn các thực hành quan sát đơn giản, không cần những máy móc, thiết bị hiện đại. - Các thực hành quan sát đề ra phải có nội dung tương đối phong phú, kết hợp nghiên cứu được nhiều đối tượng của bài giảng lý thuyết. 2.1.3. Phương hướng chung để lựa chọn các thực hành quan sát Do chưa có các trang thiết bị hiện đại nên phương hướng chung là lựa chọn các thực hành quan sát đơn giản, thời gian quan sát ngắn mà cho các kết quả phù hợp. Ngoài ra mỗi thực hành quan sát phải có thể minh họa cho nhiều vấn đề lý thuyết. Do đặc thù của môn học là phải kết thúc trong một học kỳ nên không thể chọn những quan sát có thời gian kéo dài hàng năm được. Thời gian ở đây có thể tối đa là một vài tháng. Đây là một khó khăn đòi hỏi mỗi sinh viên phải nghiêm túc làm việc mới có kết quả. 2.1.4. Xác định các nội dung quan sát, các dụng cụ cần thiết a. Các nội dung quan sát Bám sát chương trình bộ môn và căn cứ vào trang thiết bị, chúng tôi đề xuất một số thực hành quan sát sau [3]: - Làm quen với bầu trời sao, các chòm sao chính trên bầu trời; - Quan sát nhật động, đặc biệt là các sao gần cực; - Chuyển động biểu kiến của Mặt trời, vết đen Mặt trời; - Quan sát một số hành tinh; - Quan sát Mặt trăng, chuyển động biểu kiến của Mặt trăng, xác định đường kính của Mặt trăng; - Đo vĩ độ địa lý bằng các dụng cụ và phương pháp đơn giản; - Sử dụng các loại đồng hồ Mặt trời để xác định thời gian. b. Các dụng cụ cần thiết Do chưa có trang thiết bị hiện đại, nên để tiến hành quan sát chúng tôi đề xuất tự tạo một số dụng cụ đơn giản sau đây: 24 TRẦN THANH BÌNH - Bản đồ sao quay; - Bản đồ sao cơ bản; - Ống ngắm sao Bắc cực; - Bảng mica kẻ ôli, thước thẳng, thước đo độ; - Các loại Đồng hồ Mặt trời; - Kính Thiên văn chiết quang; - Dụng cụ đo vĩ độ địa lý. 2.2. Nội dung các bài thực hành quan sát Việc sắp xếp các phần thực hành quan sát lại thành một bài thực hành là công việc cần thiết nhưng đầy khó khăn. Vì nếu sắp xếp vào một bài các quan sát có cùng nội dung hoặc cùng đối tượng thì sẽ gặp khó khăn về sử dụng thời gian, dụng cụ và phương pháp quan sát. Bởi vậy, chúng tôi đã sắp xếp các thực hành quan sát có thể tiến hành vào cùng một thời điểm và cùng sử dụng một dụng cụ vào cùng một bài. Các bài thực hành quan sát dự kiến là: Bài 1: Xác định sao Bắc cực - Phương hướng. Quan sát các chòm sao chính - Nhật động. Sử dụng bản đồ sao quay; Bài 2: Xác định chuyển động biểu kiến của Mặt trời. Quan sát Mặt trời; Bài 3: Quan sát Mặt trăng. Chuyển động biểu kiến của Mặt trăng. Đo đường kính của Mặt trăng. Quan sát các hành tinh; Bài 4: Xác định đường Bắc - Nam bằng bóng que thẳng. Đo gần đúng vĩ độ địa lý bằng dụng cụ đơn giản; Bài 5: Quan sát Mặt trời. Sử dụng đồng hồ Mặt trời. Trong mỗi bài bao gồm các phần: - Mục đích yêu cầu; - Lý thuyết liên quan; - Các dụng cụ dùng cho thực hành quan sát; - Nhiệm vụ và phương pháp quan sát; - Báo cáo kết quả quan sát. 2.3. Các dụng cụ và một số kết quả thực hành quan sát 2.3.1. Các dụng cụ dùng cho thực hành quan sát Qua nghiên cứu các tài liệu [3, 5], trong phần này chúng tôi đề xuất tự tạo một số dụng cụ dùng cho các thực hành quan sát trong các bài thực hành trên. Đây chủ yếu là các dụng cụ đơn giản tự tạo ra trong điều kiện hiện tại: TỰ TẠO VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ DỤNG CỤ THỰC HÀNH QUAN SÁT... 25 1. Bản đồ các chòm sao chính trên hoàng đạo; 2. Bản đồ sao quay; 3. Bảng mica có kẻ ô li (kích thước cỡ 30x40 cm2); 4. Que thẳng trên mặt phẳng: dụng cụ xác định đường Bắc - Nam, đo vĩ độ địa lý; 5. Dụng cụ đo dường kính Mặt trăng; 6. Ống ngắm sao Bắc cực, thước đo độ. Dụng cụ xác định đường Bắc - Nam, đo vĩ độ địa lý; 7. Kính Thiên văn chiết quang; 8. Các loại đồng hồ Mặt trời. 2.3.2. Một số kết quả thực hành quan sát Trong thời gian thực hiện đề tài chúng tôi đã làm một số dụng cụ và tiến hành đo đạc, quan sát hầu hết các nội dung đưa ra. Trong phần này sẽ trình bày một số mẫu đo đạc và quan sát đó qua các hình vẽ hoặc số liệu. 2.3.2.1. Quan sát sao Bắc cực. Xác định đường Bắc - Nam - Xác định vị trí sao Bắc cực nhờ chòm Đại hùng hay chòm Thiên hậu. - Xác định đường Bắc - Nam ban ngày bằng bóng que thẳng và ban đêm bằng ống ngắm sao Bắc cực kết quả trùng nhau. 2.3.2.2. Quan sát các hành tinh - Dùng kính Thiên văn, ống ngắm sao kết hợp với thước đo độ để quan sát Kim tinh trong khoảng thời gian từ 15/5/2014 đến 30/5/2014 kết quả cho thấy biên độ dao động lớn nhất của Kim tinh quanh Mặt trời là 460 vào ngày 25/5/2014. Sử dụng số liệu này để tính bán trục quỹ đạo và chu kỳ của Kim tinh quanh Mặt trời: aK = 0,72 đvtv; TK = 0,61 năm (khoảng 222 ngày). Các kết quả này khá phù hợp với số liệu đã biết về Kim tinh [2]. - Chúng tôi cũng đã quan sát Mộc tinh, bằng bảng mica trong suốt có kẽ ô li đã xác định được quỹ đạo chuyển động nhìn thấy của hành tinh này trong khoảng thời gian từ 15/04/2014 đến 15/06/2014 (quỹ đạo gần trùng với hoàng đạo). 2.3.2.3. Quan sát Mặt trăng - Quan sát bề mặt Mặt trăng bằng kính chiết quang. - Đo đường kính Mặt trăng bằng dụng cụ tự tạo: Ngày thực hành: đêm 11/7/2014. Kết quả: D = ' ' l lh = 3,4.10 3 (km). Sai số tương đối:  = 12,7%. Từ đó ta có sai số tuyệt đối: D = .D = 432.103 m. 26 TRẦN THANH BÌNH Vậy: D = (3400  432) km. - Xác định dịch chuyển hàng ngày của Mặt trăng. Kết quả dịch chuyển khá phù hợp với tính toán lý thuyết: khoảng 130/ngày. 2.3.2.4. Đo vĩ độ địa lý nơi quan sát Chúng tôi đã tiến hành đo bằng cả hai phương pháp: dùng que thẳng và dùng ống ngắm sao Bắc cực. a) Dùng que thẳng: Ngày thực hành: giữa trưa ngày Xuân phân 21/3/2014 (xích vĩ Mặt trời  = 0). Các số liệu đo được: Độ vĩ địa lý:   160 42’. Sai số tuyệt đối:  = 0,002  7’. Sai số tương đối:  = 0,7% Kết quả:  = 160 42’  00 07’ b) Dùng ống ngắm sao Bắc cực: Kết quả được biểu diễn trên bảng số liệu: Lần thực hành Giá trị  Độ vĩ   1 2 3 4 5 16 030’ 17 0 00 16 0 00 17 030’ 17 0 00 016 48'  Tính sai số tuyệt đối: 26 '  Sai số tương đối:  = 2,6 % Kết quả:  = 160 48’  00 26’ Hai phương pháp đo cho kết quả khá phù hợp. 2.3.2.5. Quan sát Mặt trời. Đồng hồ Mặt trời a) Quan sát sự thay đổi vị trí điểm mọc của Mặt trời: Thời gian quan sát vào các ngày: 15/5, 30/5, 15/6, 22/6 và 30/6/2014. Kết quả từ 15/6 đến 22/6 điểm mọc dịch về Đ-B, sau 22/6 dịch về điểm Đ. Độ phương A22/6 = 114 0 . b) Đồng hồ Mặt trời: - Đồng hồ Mặt trời kiểu xích đạo: các mặt được làm bằng ván mỏng, trên mặt nằm ngang có gắn bọt thăng bằng. Góc nghiêng (900 - ) được điều chỉnh trên thước đo độ và cố định bằng vít vặn. - Đồng hồ Mặt trời kiểu chân trời: Kết quả tính toán vạch chia giờ ở một số vĩ độ: TỰ TẠO VÀ SỬ DỤNG MỘT SỐ DỤNG CỤ THỰC HÀNH QUAN SÁT... 27 Tại Huế:  = 160 40’ Giờ 11h (1h) 10h (2h) 9h (3h) 8h (4h) 7h (5h) 6h (6h) Độ chia x 40 4 90 4 160 260 4 460 9 900 Tại Hà nội:  = 210 Giờ 11h (1h) 10h (2h) 9h (3h) 8h (4h) 7h (5h) 6h (6h) Độ chia x 50 5 110 7 190 7 310 8 530 2 900 Tại Thành phố Hồ Chí Minh  = 100 46’ Giờ 11h (1h) 10h (2h) 9h (3h) 8h (4h) 7h (5h) 6h (6h) Độ chia x 20 9 60 2 100 6 180 340 9 900 Để dễ quan sát mặt đồng hồ cần làm lớn, kim làm bằng que mảnh để bóng của nó bé. 3. KẾT LUẬN Bài báo đã nghiên cứu đề xuất và xây dựng các bài tập thực hành quan sát trên cơ sở không cần dụng cụ hoặc chỉ dùng những dụng cụ đơn giản có thể tự làm được. Cụ thể là đã xếp các thực hành quan sát vào năm bài với nhiều nội dung khác nhau khá phong phú. Để phục vụ cho các thực hành quan sát đó chúng tôi cũng đã nghiên cứu đề xuất, chế tạo một số dụng cụ đơn giản. Về kết quả thực nghiệm, chúng tôi đã làm một số dụng cụ, đã tiến hành có kết quả một số mẫu thực hành quan sát. Từ nghiên cứu chúng tôi thấy rằng thực hành quan sát Thiên văn là rất quan trọng và cần thiết, vì vậy cần phải xây dựng các bài thực hành quan sát để đưa vào chương trình. Trong chương trình hiện nay, có thể xếp 30 tiết lý thuyết + 15 tiết thực hành quan sát. Việc đưa phần thực hành quan sát vào phù hợp với xu hướng đổi mới phương pháp dạy và học hiện nay của nhà trường. Kết quả khảo sát cho thấy các bài và các dụng cụ đã đề xuất là hợp lý và có tính khả thi. Tuy nhiên khi thực hiện tùy số lượng sinh viên, tùy điều kiện thời tiết và tùy vào đối tượng hay hiện tượng thiên văn xuất hiện trong thời gian quan sát mà điều chỉnh cho thích hợp. Trong quá trình làm thử dụng cụ và tiến hành quan sát chúng tôi thấy đây là các dụng cụ đơn giản có thể làm được bằng các vật liệu thông thường. Các kết quả đo đạc tuy có độ chính xác không cao nhưng trong đời sống hàng ngày thì đó là các số liệu bổ ích và có thể chấp nhận được. Những dụng cụ, những quan sát này là những điều lý thú bổ ích không phải bây giờ khi còn học mà sau này khi ra công tác bất cứ ở đâu, trong điều kiện nào người giáo viên cũng có thể thực hiện đối với học sinh. 28 TRẦN THANH BÌNH TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đình Noãn (1987). Bài tập và thực hành Thiên văn học, NXB Giáo dục. [2] Phạm Viết Trinh – Nguyễn Đình Noãn (1995). Giáo trình Thiên văn, NXB Giáo dục. [3] Trường ĐHSP Huế (2010). Chương trình khung đào tạo theo hệ thống tín chỉ. [4] Trang web thienvanvietnam.org, truy cập ngày 10/4/2014, 15/5/2014. [5] Donat G.Wentzel – Nguyễn Quang Riệu – Phạm Viết Trinh – Nguyễn Đình Noãn – Nguyễn Đình Huân (2000). Thiên văn vật lý, NXB Giáo dục. Title: SELF-MAKING ASTRONOMICAL OBSERVATION TOOLS AND USING THEM IN TEACHING GENERAL ASTRONOMY Abstract: The article presents the research, proposal, homemade instruments and building the exercises to practice observations, based on using some simple homemade instruments. Keywords: Astronomy, observation tools, homemade instruments ThS. TRẦN THANH BÌNH Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm - Đại học Huế ĐT: 0914 156 001, Email: binhtranthanh2006@yahoo.com