Khóa luận Thiết kế chủ đề STEM xe robot tự dò đường nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh Trung học cơ sở”

Nội dung text: Khóa luận Thiết kế chủ đề STEM xe robot tự dò đường nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh Trung học cơ sở”

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH NGUYỄN ĐỨC ANH THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM “XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG” DÙNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI NHẰM BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CHO HỌC SINH THCS KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH NGUYỄN ĐỨC ANH THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM “XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG” DÙNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI NHẰM BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CHO HỌC SINH THCS Chuyên ngành: Sư phạm Vật lí KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Th.S LÊ HẢI MỸ NGÂN Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020
3. i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Đại học, Ban chủ nhiệm, quý Thầy Cô giáo khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh và quý Thầy Cô giáo trực tiếp giảng dạy, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô là chuyên gia về giáo dục STEM đã cho ý kiến góp ý sâu sắc về đề tài khoá luận. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn: Th.S Lê Hải Mỹ Ngân – người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ, động viên, đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập 4 năm ở trường đại học và trong suốt thời gian thực hiện khoá luận này. Xin chân thành cảm ơn. TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020 Tác giả NGUYỄN ĐỨC ANH
4. ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU Chương 1. CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 5 1.1. Giáo dục STEM 5 1.1.1. Khái niệm Giáo dục STEM 5 1.1.2. Mục tiêu của giáo dục STEM 6 1.1.3. Giáo dục STEM ở Việt Nam 7 1.1.4. Quy trình dạy học STEM dựa trên hoạt động thiết kế kĩ thuật 8 1.2. Giáo dục khoa học Robot 13 1.2.1. Giới thiệu Giáo dục khoa học Robot 13 1.2.2. Giáo dục khoa học Robot và Giáo dục STEM 13 1.2.3. Công cụ Robot trong Giáo dục khoa học Robot 14 1.2.4. Cấu trúc hệ thống của robot trong Giáo dục Robot 16 1.3. Dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề 17 1.3.1. Khái niệm năng lực giải quyết vấn đề 17 1.3.2. Cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề 17 1.3.3. Giải quyết vấn đề theo Tư duy máy tính (Computational Thinking) 18 1.3.4. Khung năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục khoa học robot 20 Chương 2. THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM “XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG” 24 2.1. Bối cảnh và ý nghĩa thực tiễn chủ đề 24
5. iii 2.2. Mục tiêu dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề 25 2.3. Phân tích nội dung kiến thức trong chủ đề 27 2.3.1. Môn Khoa học tự nhiên 29 2.3.2. Môn Công nghệ 30 2.3.3. Môn Tin học 30 2.3.4. Môn Toán học 31 2.4. Tiến trình tổng thể các pha hoạt động của tiến trình dạy học 32 2.5. Phương tiện, học liệu 35 2.5.1. Bộ dụng cụ Arduino – based robotic kit 35 2.5.2. Tài liệu hướng dẫn thực hiện sản phẩm 39 2.5.3. Học liệu trong chủ đề 58 2.5.4. Bộ câu hỏi định hướng 61 2.6. Tiến trình tổ chức dạy học chi tiết 65 2.6.1. Hoạt động 1: Đặt vấn đề. Tìm hiểu tổng quan về robot. 65 2.6.2. Hoạt động 2: Khám phá kiến thức 70 2.6.3. Hoạt động 3. Lập bản thiết kế sản phẩm 93 2.6.4. Hoạt động 4: Lắp ráp và vận hành sản phẩm 97 2.6.5. Hoạt động 5: Báo cáo sản phẩm 98 2.7. Đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của học sinh 100 2.7.1. Công cụ đánh giá 100 2.7.2. Khung rubrics đánh giá năng lực giải quyết vấn đề 101 2.8. Một số lưu ý cho GV khi triển khai tổ chức dạy học chủ đề 108 Chương 3. KHẢO SÁT Ý KIẾN CHUYÊN GIA 110
6. iv 3.1. Mục tiêu khảo sát 110 3.2. Đối tượng khảo sát 110 3.3. Hình thức khảo sát 110 3.4. Nội dung khảo sát 110 3.5. Kết quả khảo sát 111 3.5.1. Danh sách các chuyên gia đã cho ý kiến 111 3.5.2. Kết quả khảo sát ý kiến của chuyên gia 111 3.5.3. Ý kiến của chuyên gia về chủ đề 114 3.6. Nhận xét 117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
7. v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Chú thích GV Giáo viên HS Học sinh GD Giáo dục NL Năng lực GQ Giải quyết GQVD Giải quyết vấn đề EDP Engineering Design Process THCS Trung học cơ sở HĐ Hoạt động PHT Phiếu học tập PhĐG Phiếu đánh giá BCC Bộ công cụ
8. vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các pha hoạt động của quy trình dạy học STEM theo thiết kế kĩ thuật 11 Bảng 1.2. So sánh tư duy GQVD và tư duy máy tính[27] 19 Bảng 1.3. Khung năng lực giải quyết vấn đề trong GD khoa học robot 20 Bảng 2.1. Bảng mục tiêu năng lực giải quyết vấn đề trong chủ đề 25 Bảng 2.2. Phân tích nội dung kiến thức môn KHTN 29 Bảng 2.3. Phân tích nội dung kiến thức môn Công nghệ 30 Bảng 2.4. Phân tích nội dung kiến thức môn Tin học 30 Bảng 2.5. Phân tích nội dung kiến thức môn Toán học 31 Bảng 2.6. Bảng tiến trình tổng thể tóm tắt các pha hoạt động dạy học 32 Bảng 2.7. Bộ dụng cụ sử dụng trong chủ đề. 36 Bảng 2.8. Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm trong HĐ2.1. 42 Bảng 2.9. Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm trong HĐ2.2 46 Bảng 2.10. Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm trong HĐ2.3 50 Bảng 2.11. Hướng dẫn lắp ráp hoàn thiện sản phẩm 54 Bảng 2.12. Nguyên lí hoạt động sản phẩm 56 Bảng 2.13. Danh sách học liệu sử dụng trong chủ đề 58 Bảng 2.14. Bộ câu hỏi định hướng số 1 61 Bảng 2.15. Bộ câu hỏi định hướng số 2. 62 Bảng 2.16. Bộ câu hỏi định hướng số 3. 63 Bảng 2.17. Bộ câu hỏi số 5. 63 Bảng 2.18. Bộ câu hỏi định hướng số 4. 64 Bảng 2.19. Tiến trình dạy học Hoạt động 1. 65 Bảng 2.20. Tiến trình dạy học Hoạt động 2.1 71 Bảng 2.21. Tiến trình dạy học hoạt động 2.2 73 Bảng 2.22. Tiến trình dạy học Hoạt động 2.3 82 Bảng 2.23. Tiến trình Hoạt động 3.1 94
9. vii Bảng 2.24. Tiến trình dạy học Hoạt động 3.2 95 Bảng 2.25. Tiến trình Hoạt động 4 97 Bảng 2.26. Tiến trình dạy học Hoạt động 5. 98 Bảng 2.27. Bảng công cụ đánh giá năng lực GQVD 100 Bảng 2.28. Khung rubrics đánh giá năng lực GQVD 101 Bảng 3.1. Danh sách chuyên gia cho ý kiến 111 Bảng 3.2. Kết quả khảo sát nhận xét chung chủ đề STEM “xe robot tự dò đường” 112 Bảng 3.3. Kết quả khảo sát về Kế hoạch dạy học chủ đề "Xe robot tự dò đường" 112 Bảng 3.4. Kết quả khảo sát về Phương tiện, học liệu chủ đề "Xe robot tự dò đường" 113 Bảng 3.5. Kết quả khảo sát về Công cụ đánh giá chủ đề "Xe robot tự dò đường" 114 Bảng 3.6. Kết quả khảo sát về Hình thức của hồ sơ chủ đề "Xe robot tự dò đường" 114 Bảng 3.7. Ý kiến chuyên gia về Bộ hồ sơ dạy học 114 Bảng 3.8. Ý kiến chuyên gia về sự phù hợp chủ đề với qui trình EDP 115 Bảng 3.9. Ý kiến chuyên gia về sự phù hợp với định hướng GD STEM 115
10. viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Mục tiêu giáo dục STEM[3] 7 Hình 1.2. Sơ đồ các bước quy trình thiết kế kĩ thuật EDP 9 Hình 1.3. Sơ đồ Quy trình dạy học STEM theo thiết kế kĩ thuật 10 Hình 1.4. Electronic Robot kit 15 Hình 1.5. Mechanical Robot kit 15 Hình 1.6. Humanoid robot 15 Hình 1.7. Sơ đồ các bộ phận của robot[23] 16 Hình 2.1. Giao thông ở việt nam 24 Hình 2.2. Sơ đồ mối liên hệ kiến thức và các bộ phận của robot 28 Hình 2.3. Sơ đồ tiến trình dạy học 35 Hình 2.4. Bản vẽ cấu tạo mặt trên xe robot 39 Hình 2.5. Bản vẽ cấu tạo mặt dưới xe robot 40 Hình 2.6. Bản vẽ sơ đồ mạch điện 40 Hình 2.7. Sơ đồ khối lập trình mBlock 41 Hình 2.8. Khối lệnh điều khiển xe chạy thẳng 49 Hình 2.9. Khối lệnh điều khiển xe đi lùi 49 Hình 2.10. Khối lệnh điều khiển xe đi tới 3s, đi lùi 3s. 49 Hình 2.11. Sơ đồ thu gọn tiến trình chủ đề 70
11. 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Theo Chỉ thị số 16/CT-TTg về việc tăng cường năng lực tiếp cận cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, giáo dục Việt Nam hiện nay cần phải:“Thay đổi mạnh mẽ các chính sách, nội dung, phương pháp giáo dục và dạy nghề nhằm tạo ra nguồn nhân lực có khả năng tiếp nhận các xu thế công nghệ sản xuất mới, trong đó cần tập trung vào thúc đẩy đào tạo về khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học (STEM), ngoại ngữ, tin học trong chương trình giáo dục phổ thông”. Thông qua việc ban hành chỉ thị trên, giáo dục STEM chính thức được chú trọng trong đổi mới giáo dục và đào tạo hiện nay. Kể từ năm 2012 đến nay, giáo dục STEM đã được du nhập vào Việt Nam qua nhiều hình thức khác nhau, ví dụ như thông qua các cơ sở giáo dục tư nhân. Sau đó giáo dục STEM đã bắt đầu tạo được tiếng vang tại Việt Nam với nhiều hoạt động cộng đồng như Ngày hội STEM, các cuộc thi mô hình STEM, với sự tham gia đông đảo của các trường trung học cơ sở và trung học phổ thông trong cả nước. Chính vì thế mà trong chương trình giáo dục phổ thông mới thực hiện từ năm 2019, giáo dục STEM được xác định là phương thức dạy học thông qua các môn khoa học, công nghệ, tin học và toán. Cho đến nay, giáo dục STEM đang được khuyến khích triển khai trong nhà trường. Một trong những mảng chủ đề thực tiễn trong giáo dục STEM là khoa học robot (robotics). Nội dung này cũng đã được triển khai đa phần dưới hình thức câu lạc bộ ngoài giờ, sử dụng các bộ công cụ lắp ráp như Lego, WeDo, Các hoạt động này tạo điều kiện cho học sinh được trải nghiệm và tìm hiểu về lĩnh vực khoa học robot. Nhiều nghiên cứu trên thế giới cũng khẳng định hiệu quả của việc tích hợp lĩnh vực khoa học robot vào dạy học (D. J. S. o. P. Alimisis & Education, 2009; Benitti, 2012; Eguchi, 2014; Nourbakhsh, Hamner, Crowley, & Wilkinson, 2004). Chính vì thế mà vấn đề quan tâm ở đây là một chủ đề STEM lĩnh vực khoa học robot (STEM – Robotics) gắn kết với các nội dung dạy học cụ thể trong chương trình có sự gắn kết như thế nào? Và việc dạy học một chủ đề STEM - khoa học robot có thể phát triển năng lực giải quyết vấn đề như thế Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
12. 2 nào? Đó là lí do em nghiên cứu thực hiện thiết kế làm rõ sự gắn kết một chủ đề STEM khoa học robot với các nội dung trong chương trình môn học. Chủ đề STEM – Robotics mà em nghiên cứu trong đề tài là chủ đề “Xe robot tự dò đường” sử dụng cảm biến hồng ngoại, đây là một chủ đề được lồng ghép các kiến thức thuộc môn Công nghệ, Khoa học tự nhiên, Tin học và Toán học trong Chương trình giáo dục phổ thông mới. Thông qua chủ đề này, học sinh biết các vận dụng các kiến thức khác nhau để giải quyết các vấn đề thực tiễn thông qua việc tìm hiểu các cơ cấu hoạt động của xe robot, vi mạch Arduino, cảm biến hồng ngoại và lập trình vi điều khiển, để từ đó giúp học sinh phát triển được các năng lực đặc thù. Do đó đây là một chủ đề vừa có tính thực tiễn vừa có nhiều khả thi áp dụng trong cả chương trình dạy học ở các tiết học hoạt động trải nghiệm, từ đó cho thấy được tính phù hợp để xây dựng chủ đề theo định hướng giáo dục STEM, đặc biệt là dạy học định hướng phát triển năng lực được đề ra trong chương trình giáo dục phổ thông mới. Trên cơ sở đó, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Thiết kế chủ đề STEM xe robot tự dò đường nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh Trung học cơ sở”. 2. Mục tiêu của đề tài Thiết kế chủ đề STEM “xe robot tự dò đường” theo quy trình thiết kế kĩ thuật (EDP) nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh trong chương trình Trung học cơ sở. 3. Giả thuyết khoa học Nếu đề xuất thiết kế một chủ đề “xe robot tự dò đường” theo quy trình thiết kế kĩ thuật (EDP) theo định hướng giáo dục STEM thì sẽ bồi dưỡng được năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh trong chương trình Trung học cơ sở. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu: Phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh trung học cơ sở thông qua chủ đề dạy học STEM. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
13. 3 + Phạm vi nghiên cứu: Hoạt động dạy và học các môn học STEM, đặc biệt là môn Khoa học tự nhiên theo chương trình phổ thông mới cấp Trung học cơ sở. 5. Nhiệm vụ đề tài - Tìm hiểu cơ sở lý luận và thực tiễn về dạy học theo định hướng giáo dục STEM. - Tìm hiểu hệ thống lý thuyết về quy trình dạy học thiết kế kĩ thuật EDP. - Tìm hiểu về khoa học robot và giáo dục khoa học robot trong nhà trường. - Phân tích chương trình Khoa học tự nhiên, Công nghệ, Tin học và Toán học trong chương trình giáo dục phổ thông mới để đưa ra một số nội dung liên quan khoa học robot trong nhà trường. - Phân tích và xây dựng nội dung chủ đề xe robot tự dò đường. - Thiết kế tổ chức dạy học chủ đề STEM xe robot tự dò đường theo quy trình thiết kế kĩ thuật EDP: • Xây dựng một hệ thống các công cụ dạy học: bộ dụng cụ xe, hướng dẫn lắp ráp, video, tranh ảnh, phiếu bài tập, thông tin thêm. • Thiết kế tiến trình dạy học để tổ chức các hoạt động. • Xây dựng hệ thống các câu hỏi, bảng tiêu chí đánh giá năng lực GQVD của học sinh khi học chủ đề. - Tham khảo ý kiến đánh giá của chuyên gia về chủ đề, tiến trình dạy học và các công cụ hỗ trợ đã xây dựng hoặc thực nghiệm (nếu có thể). 6. Phương pháp nghiên cứu - Đọc và nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến đề tài. - Phân loại và hệ thống hóa lý thuyết. - Phân tích, tổng hợp thông tin. - Quan sát khoa học. - Lấy ý kiến chuyên gia. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
14. 4 7. Cấu trúc khoá luận Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các tài liệu tham khảo và phụ lục, đề tài gồm 3 chương: Chương 1: Cơ sở lí luận. Chương 2: Thiết kế chủ đề “Xe robot tự dò đường” Chương 3: Tham khảo ý kiến chuyên gia Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
15. 5 Chương 1. CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 1.1. Giáo dục STEM 1.1.1. Khái niệm Giáo dục STEM STEM là thuật ngữ viết tắt của các từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật), Mathematics (Toán học). Hiện nay thuật ngữ STEM được dùng trong nhiều ngữ cảnh khác nhau, phổ biến nhất là ngữ cảnh giáo dục và ngữ cảnh nghề nghiệp. + Trong ngữ cảnh giáo dục, STEM là sự quan tâm của nền giáo dục đối với lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học. Thông qua việc dạy học tích hợp các môn học trên với các nội dung gắn với thức tiễn, người học sẽ được phát triển và nâng cao năng lực [1] + Trong ngữ cảnh nghề nghiệp, STEM được hiểu là nghề nghiệp thuộc các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học. Ví dụ: Nhóm ngành nghề về Công nghệ thông tin; Y sinh; Kĩ thuật; Điện tử và Truyền thông [1] Giáo dục STEM có nhiều cách hiểu khác nhau. Trong đó có một số cách hiểu chính về giáo dục STEM hiện nay là: - Giáo dục STEM là sự quan tâm đến các môn Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. Đây là cách hiểu theo nghĩa rộng khi nói về giáo dục STEM. Ở cách hiểu này, cứ tổ chức dạy học các môn thuộc lĩnh vực STEM nghĩa là giáo dục STEM.[1] - Giáo dục STEM là định hướng tích hợp liên môn của bốn lĩnh vực/ môn Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. Tác giả Tsupros định nghĩa “Giáo dục STEM là một phương pháp học tập tiếp cận liên ngành, ở đó những kiến thức hàn lâm được kết hợp chặt chẽ với các bài học thực tế thông qua việc học sinh được áp dụng những kiến thức Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học vào trong những bối cảnh cụ thể tạo nên sự kết nối giữa nhà trường, cộng đồng và các doanh nghiệp cho phép người học phát triển những kĩ năng STEM và tăng khả nặng cạnh tranh trong nền kinh tế mới”. Với cách hiểu này, giáo dục STEM được hiểu là giáo dục tích hợp STEM.[1] Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
16. 6 - Giáo dục STEM là sự tích hợp từ ít nhất hai lĩnh vực/ môn học về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học trở lên. Theo quan niệm này, tác giả Sanders định nghĩa “Giáo dục STEM là mô hình giáo dục dựa trên cách tiếp cận liên môn, giúp học sinh áp dụng các kiến thức Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học vào giải quyết một số vấn đề thực tiễn trong bối cảnh cụ thể”.[1] - Ngoài ra, theo Chương trình giáo dục phổ thông 2018, Bộ Giáo dục định nghĩa “Giáo dục STEM là mô hình giáo dục dựa trên cách tiếp cận liên môn, giúp học sinh áp dụng các kiến thức Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học vào giải quyết một số vấn đề thực tiễn trong bối cảnh cụ thể.”[2] Trong phạm vi của khoá luận này, chúng tôi quan tâm hơn đến quan điểm Giáo dục STEM là sự tích hợp từ ít nhất hai lĩnh vực/môn học về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học trở lên. 1.1.2. Mục tiêu của giáo dục STEM Theo tác giả Nguyễn Thanh Nga, giáo dục STEM gồm 3 mục tiêu chính như sau: [3] + Phát triển năng lực đặc thù của các môn học thuộc về STEM cho học sinh. Đó là những kiến thức, kĩ năng liên quan đến các môn học Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. Theo Chương trình tổng thể 2018, những năng lực đặc thù được phát triển thông qua các môn học trên bao gồm: Năng lực khoa học; Năng lực công nghệ; Năng lực tin học; Năng lực tính toán. + Phát triển các năng lực cốt lõi cho học sinh. Dạy học phát triển năng lực tuân theo một số nguyên tắc nhất định, một trong những nguyên tắc quan trọng đó là học sinh cần phải trải nghiệm quá trình hoạt động thực tiễn để từng bước hình thành và phát triển năng lực của mình. Theo Chương trình tổng thể 2018, Năng lực cốt lõi của học sinh bao gồm những Năng lực chung và những Năng lực đặc thù. Trong đó nhóm Năng lực chung bao gồm: Năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo; Năng lực tự chủ và tự học; Năng lực giao tiếp và hợp tác.[2] Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
17. 7 + Định hướng nghề nghiệp cho học sinh. Giáo dục STEM sẽ tạo cho học sinh có những kiến thức, kĩ năng mang tính nền tảng cho việc học tập ở các bậc học cao hơn cũng như cho nghề nghiệp trong tương lai. Từ đó, góp phần xây dựng lực lượng lao động có năng lực, phẩm chất tốt, đặc biệt là lao động trong lĩnh vực STEM nhằm đáp ứng mục tiêu xây dựng và phát triển đất nước. Mục tiêu giáo dục STEM Phát triển năng Phát triển năng Định hướng nghề lực đặc thù STEM lực cốt lõi nghiệp Hình 1.1. Mục tiêu giáo dục STEM[3] 1.1.3. Giáo dục STEM ở Việt Nam Ngày 4/5/2017, Thủ tướng Chính phủ ban hành Chỉ thị số 16/CT-TTg về việc tăng cường năng lực tiếp cận cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Chỉ thị của Thủ tướng đề ra những giải pháp và nhiệm vụ thúc đẩy giáo dục tại Việt Nam. Trong đó Thủ tướng nhấn mạnh giải pháp: “ Thay đổi mạnh mẽ các chính sách, nội dung, phương pháp giáo dục và dạy nghề nhằm tạo ra nguồn nhân lực có khả năng tiếp nhận các xu thế công nghệ sản xuất mới, trong đó cần tập trung vào thúc đẩy đào tạo về khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học (STEM), ngoại ngữ, tin học trong chương trình giáo dục phổ thông ”[4]. Với Chỉ thị trên, Việt Nam đã chính thức ban hành chính sách thúc đẩy giáo dục STEM trong nhà trường, tạo điều kiện để liên kết các sáng kiến và hoạt động giáo dục STEM hiện nay. Trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018, giáo dục STEM cũng được chú trọng rất rõ ràng. GS. Nguyễn Minh Thuyết - Tổng Chủ biên Chương trình giáo dục phổ thông 2018 - cho rằng: “Chương trình cải thiện rõ vị trí của Giáo dục tin học và Giáo dục công nghệ. Điều này không chỉ thể hiện rõ tư tưởng giáo dục STEM, mà còn là sự điều chỉnh Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
18. 8 kịp thời của giáo dục phổ thông trước cuộc cách mạng công nghiệp 4.0”[5]. Trong đó giáo dục STEM thể hiện thông qua các biểu hiện cụ thể như sau: [5] - Chương trình giáo dục phổ thông mới có đầy đủ các môn học STEM: Khoa học tự nhiên, Công nghệ, Tin học, Toán học. Giáo dục STEM cũng được thể hiện rõ trong các chương trình môn học này. - Vị trí của giáo dục tin học và giáo dục công nghệ được cải thiện rõ rệt. - Yêu cầu dạy học tích hợp và đổi mới phương pháp giáo dục tạo điều kiện tổ chức các chủ đề STEM trong chương trình môn học, góp phần phát triển năng lực vận dụng kiến thức liên môn giải quyết các vấn đề thực tiễn cho học sinh. - Tính mở của Chương trình GDPT mới cho phép một số nội dung giáo dục STEM có thể được xây dựng thông qua nội dung giáo dục của địa phương, kế hoạch giáo dục của nhà trường và những hoạt động giáo dục được xã hội hoá. 1.1.4. Quy trình dạy học STEM dựa trên hoạt động thiết kế kĩ thuật Quy trình thiết kế kĩ thuật (Engineering Design Process hay EDP) là một chuỗi các bước thực hiện mô tả lại cách mà các kĩ sư sử dụng để giải quyết vấn đề; người kĩ sư bắt đầu bằng đặt câu hỏi, hình dung các giải pháp, thiết kế kế hoạch, tạo mô hình, thực nghiệm và kiểm thử mô hình, sau đó thực hiện cải tiến.[1] Đây cũng là các bước mà kĩ sư tại NASA thực hiện. [6] Quy trình thiết kế kĩ thuật dùng để xác định và giải quyết vấn đề có bốn đặc trưng gồm: (1) tính lặp lại cao; (2) tính kết thúc mở, tức là một bài toán có thể có nhiều lời giải; (3) ngữ cảnh có ý nghĩa cho việc học các khái niệm khoa học, toán học và kĩ thuật; (4) kích thích tư duy hệ thống, mô hình hoá và phân tích[7]. Cũng theo NASA’s Best, quy trình EDP khác biệt với các quy trình dạy học khác ở hai điểm chính: thứ nhất, không có một lời giải cụ thể nhất định cho một bài toán; thứ hai, người học cần tự thiết kế bản thiết kế[6]. Có thể mô tả cụ thể quy trình EDP gồm 6 bước như sau: [1] (1) Đặt câu hỏi (Ask): Học sinh xác định vấn đề, các đòi hỏi cần phải đáp ứng và các ràng buộc được xem xét. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
19. 9 (2) Tưởng tượng (Imagine): Học sinh suy nghĩ về các giải pháp và ý tưởng nghiên cứu. Học sinh cũng cần xác định những gì người khác đã làm. (3) Lập kế hoạch (Plan): Học sinh chọn từ 2 đến 3 ý tưởng hay nhất từ danh sách liệt kê của họ và phác thảo các thiết kế có thể có, cuối cùng chọn một thiết kế duy nhất cho nguyên liệu. (4) Sáng tạo (Create): Học sinh xây dựng một mô hình làm việc, hoặc nguyên mẫu phù hợp với các yêu cầu thiết kế và các ràng buộc thiết kế. (5) Kiểm tra (Test): Học sinh đánh giá các giải pháp thông qua thử nghiệm; thu thập và phân tích dữ liệu; tóm tắt điểm mạnh và điểm yếu của thiết kế đã được tìm thấy trong quá trình thử nghiệm. (6) Cải tiến (Improve): Dựa vào kết quả kiểm tra, học sinh thực hiện các cải tiến về thiết kế. Học sinh cũng xác định những thay đổi sẽ thực hiện và giải thích cho các sửa đổi này. Đặt câu hỏi Tưởng Cải tiến tượng Kiểm Lập kế tra hoạch Sáng tạo Hình 1.2. Sơ đồ các bước quy trình thiết kế kĩ thuật EDP Cụ thể hoá quy trình thiết kế kĩ thuật, trong tài liệu tập huấn của Bộ giáo dục trung học có đề xuất quy trình tổ chức hoạt động STEM theo các bước sau: Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
20. 10 Xác định vấn đề hoặc nhu cầu thực tiễn Nghiên cứu lí thuyết nền (học kiến thức mới) Toán Lí Hoá Sinh Tin Công nghệ (Nội dung dạy học theo chương trình được sắp xếp phù hợp) Đề xuất các giải pháp khả dĩ Chọn giải pháp tốt nhất Chế tạo mô hình hoặc mẫu thử nghiệm Thử nghiệm và đánh giá Chia sẻ và thảo luận Điều chỉnh thiết kế Hình 1.3. Sơ đồ Quy trình dạy học STEM theo thiết kế kĩ thuật Tuy nhiên, tiến trình bài học STEM tuân theo quy trình kĩ thuật nêu trên nhưng bước trong quy trình có thể không cần thực hiện theo trình tự hết bước này mới đến bước tiếp theo, mà có những bước có thể thực hiện đồng thời, hỗ trợ lẫn nhau. Cụ thể việc “Nghiên cứu kiến thức nền” có thể được thực hiện đồng thời “Đề xuất giải pháp”; “Chế tạo mô hình” được thực hiện đồng thời với “Thử nghiệm và đánh giá”, trong đó bước này vừa là mục tiêu vừa là điều kiện để thực hiện bước kia. Vì vậy, mỗi bài học STEM được tổ chức theo 5 pha hoạt động như sau:[8] Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
21. 11 Bảng 1.1. Các pha hoạt động của quy trình dạy học STEM theo thiết kế kĩ thuật Dự kiến sản Cách thức tổ chức Mục đích Nội dung phẩm của HS hoạt động HĐ1: Xác Xác định tiêu Tìm hiểu, Các mức độ hoàn + GV giao nhiệm vụ định vấn chí sản đánh giá về thành nội dung (nội dung, phương đề phẩm; phát hiện tượng, (Bài ghi chép tiện, cách thực hiện, hiện vấn sản phẩm, thông tin, bài yêu cầu sản phẩm đề/nhu cầu. công nghê. đánh giá, đặt câu phải hoàn thành); hỏi về hiện + HS thực hiện nhiệm tượng, sản phẩm, vụ (qua thực tế, tài công nghệ, ) liệu, video; cá nhân hoặc nhóm); + HS báo cáo, thảo luận. + HS phát hiện, phát biểu vấn đề. HĐ2: Hình thành Nghiên cứu Các mức độ hoàn + GV giao nhiệm vụ Nghiên kiến thức nội dung thành nội dung (Nêu, đọc, nghe, nhìn cứu kiến mới và đề SGK, tài liệu, (Xác định và ghi để xác định và ghi thức nền xuất giải thí nghiệm đề được thông tin, được thông tin, dữ và đề xuất pháp tiếp nhận, dữ liệu, giải liệu, giải thích kiến giải pháp hình thành thích, kiến thức thức mới). kiến thức mới mới, giải + HS nghiên cứu và đề xuất pháp/thiết kế). SGK, tài liệu, làm thí giải nghiệm (cá nhân hoặc pháp/thiết kế. nhóm). + HS Báo cáo, thảo luận.; + GV điều hành, “chốt” kiến thức mới. + HS đề xuất giải pháp, thiết kế mẫu thử nghiệm. HĐ3: Lựa Lựa chọn Trình bày, Giải pháp, bản + GV giao nhiệm vụ chọn giải giải pháp, giải thích, thiết kế được lựa (Nêu rõ yêu cầu HS pháp bản thiết kế. bảo về giải chọn và hoàn trình bày, báo cáo, pháp, bản thiện. giải thích, bảo vệ giải thiết kế để pháp, thiết kế); Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
22. 12 lựa chọn và + HS báo cáo, thảo hoàn thiện. luận; + GV điều hành, nhận xét, đánh giá và hỗ trợ HS lựa chọn giải pháp, thiết kế mẫu thử nghiệm. HĐ 4: Chế Chế tạo và Lựa chọn Dụng cụ/thiết bị/ + GV giao nhiệm vụ tạo mẫu thử nghiệm dụng cụ/thiết mô hình/ đồ (lựa chọn dụng cụ/ thử mẫu thiết kế. bị thí nghiệm, vật, đã chế tạo thiết bị thí nghiệm để nghiệm và chế tạo mẫu và thử nghiệm, lắp ráp ); đánh giá theo thiết kế; đánh giá. + HS thực hành chế thử nghiệm tạo, lắp ráp và thử và điều nghiệm; chỉnh. + GV hỗ trợ HS trong quá trình thực hiện. HĐ5: Trình bày, Trình bày và Dụng cụ/thiết bị/ + GV giao nhiệm vụ Chia sẻ, chia sẻ, đánh thảo luận. mô hình/đồ (mô tả rõ yêu càu và thảo luận, giá sản phẩm vật, đã được sản phẩm trình bày); điều nghiên cứu. chế tạo + Bài + HS báo cáo, thảo chỉnh. trình bày báo luận (bài báo cáo, cáo. trình chiếu, video, dụng cụ/thiết bị/mô hình/đồ vật đẽ chế tạo, ) theo các hình thức phù hợp (trưng bày, triển lãm, sân khấu hoá); + GV đánh giá, kết luận, cho điểm và định hướng tiếp tục hoàn thiện. Trong phạm vi đề tài này, tác giả sẽ áp dụng quy trình dạy học STEM theo quy trình thiết kế kĩ thuật gồm 5 bước hoạt động nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
23. 13 1.2. Giáo dục khoa học Robot 1.2.1. Giới thiệu Giáo dục khoa học Robot Robotics (hay khoa học Robot) là một ngành có sự liên kết giữa khoa học và kĩ thuật. Robotics bao hàm các việc thiết kế, lắp ráp, vận hành và sử dụng robot, với mục đích cuối cùng là tạo ra các robot thay thế cho con người hoặc mô phỏng lại hành động của con người[9]. Giáo dục khoa học robot (hay Educational Robotics) là một lĩnh vực nghiện cứu nhằm cải thiện trải nghiệm học tập của người học thông qua việc thiết lập, thực hiện, cải thiện và xác nhận các hoạt động sư phạm, công cụ cụ thể và công nghệ, trong đó robot đóng vai trò tích cực vào các hoạt động giáo dục được xây dựng dựa trên cơ sở lí thuyết sư phạm[10]. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng giáo dục khoa học Robot tạo ra nhiều tín hiệu tích cực trong việc phát triển tư duy phản biện và tư duy giải quyết vấn đề thông qua việc trải nghiệm các hoạt động như thiết kế, lắp ráp, lập trình, vận hành, thử nghiệm, kiểm thử robot, với sản phẩm là một con robot nhằm giải quyết vấn đề đã được đặt ra[11]. Ngoài ra, thông qua các hoạt động học tập với robot, học sinh còn có khả năng phát triển tư duy máy tính[12]. Giáo dục khoa học Robot hiện nay trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng được tích hợp trong nhiều hoạt động học tập khác nhau như hoạt động ngoại khoá, câu lạc bộ, trại hè, không gian sáng tạo (makerspace), cuộc thi khoa học, chương trình dạy học chính khoá trong nhà trường [13]. Trong đó hình thức cuộc thi khoa học robot là một trong những hình thức phổ biến nhất trong việc tiếp cận giáo dục khoa học robot. 1.2.2. Giáo dục khoa học Robot và Giáo dục STEM Giáo dục Khoa học Robot được xem như là một cách tiếp cận tốt nhất đối với Giáo dục STEM trong nhà trường [14]. Giáo dục Khoa học Robot trong đó robot vừa là đối tượng vừa là công cụ học tập luôn luôn đi đôi với nhưng kiến thức Khoa học, Công nghệ, Kĩ Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
24. 14 thuật và Toán học nhằm cho HS kết nối với khoa học, tạo sự hứng thú, đam mê với công nghệ cũng như khoa học[15]. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tích hợp robot trong giảng dạy, đặc biệt là trong giáo dục STEM đã đưa ra nhiều lợi ích rất hữu hiệu đối với HS tiểu học và trung học cơ sở như: phát triển hoạt động khoa học [16], nâng cao sự tiếp thu kiến thức trong môn vật lí [17]; phát triển kĩ năng, tư duy thiết kế kĩ thuật [18]; tăng cường hiệu năng trong môn toán học, nhất là học sinh trung bình [19]. Ngoài ra cũng đã có nhiều nghiên cứu cho rằng việc sử dụng robot trong giáo dục STEM giúp tăng cường năng lực đặc thù STEM và tạo sự hứng thú của HS đối với giáo dục STEM [20]. Dựa vào vai trò của robot trong quá trình học, Giáo dục khoa học Robot tích hợp trong giáo dục STEM thường được chia làm 2 loại chính: - Robot được xem như là một công cụ học tập: Robot sẽ được xem như là một dụng cụ hỗ trợ trong quá trình tiếp thu kiến thức khoa học và của HS thông qua các hoạt động như thực hành, làm thí nghiệm, thu thập số liệu[21]. - Robot được xem như là một đối tượng học tập: Robot được xem như là một môn học riêng, HS học và khám phá chính con robot thông qua các hoạt động học tập có sự tương đồng với giáo dục STEM[14]. 1.2.3. Công cụ Robot trong Giáo dục khoa học Robot Robot là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong hoạt động dạy học của giáo dục Robot [22], dù cho robot đóng vai trò là công cụ học tập hay là đối tượng học tập, thì việc lựa chọn phù hợp bộ robot và nền tảng lập trình là một việc thiết yếu nhằm phát triển đúng mục tiêu dạy học mà GV mong muốn cho HS. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều bộ dụng cụ robot cho dạy học, phổ biến như LEGO Mindstorms, VEX, Mircro:bit, GaraSTEM, Arduino các bộ dụng cụ này đa dạng về chức năng và có mức giá thành dao động khác nhau, phù hợp cho từng mục đích sử dụng của GV và đối tượng HS. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
25. 15 Tuy nhiên, có thể chia ra các bộ dụng cụ robot trên thị trường thành 3 nhóm khác nhau: + Bộ dụng cụ robot điện tử (Electronic Robot Kit): các bộ dụng cụ này giúp HS không chỉ học về robot mà còn học về kiến thức điện tử cơ bản, ví dụ như bộ robot của Arduino, Boebot. Những bộ dụng cụ này cũng yêu cầu khả năng lập trình tốt, HS sau khi lắp ráp robot, HS được học cách lập trình và tải mã nguồn vào robot[22]. Hình 1.4. Electronic Robot kit + Bộ dụng cụ robot cơ học (Mechanical Robot Kit): các bộ dụng cụ này cho phép người sử dụng có được tự do và linh hoạt trong việc lắp ráp cấu trúc cơ học của robot, có thể kể đến bộ robot phổ biến nhất là LEGO Mindstorms. Thông qua việc lắp ráp các bộ phận và cảm biến cho robot, HS có thể được tích luỹ Hình 1.5. Mechanical Robot rất nhiều kiến thức đa dạng như lập trình, vật lí, thiết kit kế kĩ thuật, khoa học robot[22]. + Bộ dụng cụ robot người máy (Humanoid Robot): những robot này thường có hình dạng như động vật (chó, mèo), nhân vật hoạt hình, hay hình dạng giống cơ thể người. Những robot này đã được lập trình sẵn và có thể tương tác, giao tiếp với con người thông qua âm thanh giọng nói, biểu hiện khuôn mặt trên màn hình, cử chỉ tay chân. Những robot này giúp hỗ trợ người học như là một người bạn, có thể tương tác, nhắc nhở đúng sai. Một số robot điển hình trong nhóm này có thể kể đến Hình 1.6. như Nao, Beebot[22]. Humanoid robot Tuỳ vào mục đích sử dụng mà GV có thể lựa chọn bộ dụng cụ robot phù hợp cho việc dạy học HS. Sự lựa chọn phù hợp này cần phải được xem xét dựa trên các yếu tố chính là: giá thành của robot, môn học giảng dạy, độ tuổi của học sinh [22]. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
26. 16 Trong phạm vi của đề tài này, tác giả sẽ sử dụng bộ công cụ robot điện tử trong dạy học STEM, thông qua việc HS tìm hiểu về robot và điện tử, HS còn được tiếp thu kiến thức về các môn khoa học, lập trình trên nền tảng mBlock. 1.2.4. Cấu trúc hệ thống của robot trong Giáo dục Robot Ngoài việc quan tâm đến các loại robot, thì ta cũng cần phải quan tâm đến cấu trúc hệ thống cơ bản của một robot trong Giáo dục robot gồm những bộ phận nào để từ đó có thể lựa chọn những linh kiện, bộ phận phù hợp cho mục đích sử dụng trong dạy học. Một hệ thống robot thường sẽ gồm 3 bộ phận cơ bản chính được thể hiện sơ đồ sau: Hình 1.7. Sơ đồ các bộ phận của robot[23] + Bộ phận thu nhận thông tin: hay còn gọi là Cảm biến dùng đề thu thập, ghi nhận các thông tin từ môi trường bên ngoài thông qua các cảm biến, những thông tin này sẽ được cung cấp cho bộ não xử lí. Bộ phận này xem như là “giác quan” giống như con người của robot để robot cảm nhận môi trường xung quanh. + Bộ não xử lí, điều khiển: là trung tâm hoạt động của robot, đây là nơi tiếp nhận thông tin đầu vào từ bộ phận thu nhận tín hiệu. Thông tin sẽ được xử lí và nếu đáp ứng đúng một điều kiện nào đó, bộ não sẽ tiến hành gửi tín hiệu điều khiển đến bộ phận thực hiện nhiệm vụ để thực thi một hành động cụ thể phản hồi với thông tin đầu vào. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
27. 17 + Bộ phận thực hiện nhiệm vụ: là nơi nhận tín hiệu điều khiển từ trung tâm xử lí, bộ phận này sẽ tiến hành thực hiện các thao tác cơ học (như quay bánh xe, cánh tay gắp, chân bước ) theo đúng yêu cầu của bộ não. Bộ phận này cũng sẽ gửi các thông tin ngược trở lại bộ não xử lí (ví dụ như số vòng quay bánh xe, ). 1.3. Dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề 1.3.1. Khái niệm năng lực giải quyết vấn đề Năng lực là thuộc tính cá nhân được hình thành, phát triển nhờ tố chất sẵn có và quá trình học tập, rèn luyện, cho phép con người huy động tổng hợp các kiến thức, kĩ năng và các thuộc tính cá nhân khác như hứng thú, niềm tin, ý chí, thực hiện thành công một loại hoạt động nhất định, đạt kết quả mong muốn trong những điều kiện cụ thể. (Theo Chương trình Tổng thể, 2018)[2]. Năng lực giải quyết vấn đề của học sinh được hiểu là sự huy động tổng hợp kiến thức, kĩ năng, thái độ, xúc cảm của học sinh đó để giải quyết các tình huống thực tiễn trong bối cảnh cụ thể mà các giải pháp không có sẵn ngay lập tức[24]. 1.3.2. Cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề Năng lực giải quyết vấn đề của học sinh được thể hiện thông qua những hoạt động trong quá trình giải quyết vấn đề. Theo tác giả Đỗ Hương Trà, phân tích cấu trúc của năng lực giải quyết vấn đề qua tiến trình giải quyết vấn đề có thể thấy có bốn thành tố sau[24]: + Năng lực tìm hiểu vấn đề: Nhận biết, phát hiện vấn đề, xác định đượ những thông tin đã cho, thông tin cần tìm. + Năng lực đề xuất giải pháp giải quyết vấn đề: Phân tích, sắp xếp, kết nối các thông tin với kiến thức đã biết và đưa ra giải pháp, lựa chọn giải pháp tốt nhất để giải quyết vấn đề. Năng lực thiết lập không gian vấn đề bao gồm mô tả vấn đề bằng ngôn ngữ vật lí, thiết lập mối quan hệ giữa các đại lượng để giải quyết tình huống. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
28. 18 + Năng lực thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề: Trình bày giải pháp, điều chỉnh giải pháp cho phù hợp với thực tiễn khi có sự thay đổi. + Năng lực đánh giá và phản ánh giải pháp, xây dựng vấn đề mới: Đánh giá giải pháp đã thực hiện và vấn đề đặt ra; phản ánh giá trị của giải pháp, xác nhận những kiến thức và kinh nghiệm. 1.3.3. Giải quyết vấn đề theo Tư duy máy tính (Computational Thinking) Tư duy máy tính (hay Computational Thinking) là thuật ngữ được giới thiệu lần đầu bởi Wing (2006)[12]. Theo Wing, “Tư duy máy tính (hay Computational Thinking) là các quá trình tư duy của con người nhằm hình thành vấn đề và đề xuất ra giải pháp cho vấn đề đó sao cho giải pháp này được thể hiện dưới dạng mà có thể được thực thi hiệu quả bởi các công cụ xử lí thông tin” [25]. Wing cũng cho rằng Tư duy máy tính là một trong những kĩ năng cần thiết mỗi người cần biết trong thế kỉ 21. Tư duy máy tính liên quan đến nhiều quá trình tư duy khác nhau, có thể kể đến một số quá trình quan trọng nhất trong tư duy máy tính gồm[26]: + Phân tích (Decomposition): Chia nhỏ vấn đề, tiến trình thành các thành phần nhỏ hơn có thể dễ dàng xử lí. + Xác định các mối liên hệ (Patter Recognition): Quan sát và tìm ra các điểm tương đồng, các mẫu hình, mối liên hệ của giữa các vấn đề. + Hệ thống hoá (Abstraction): Xác định và rút trích các thông tin cần thiết để giải quyết vấn đề chính. + Thiết kế thuật toán (Algorithm design): đề xuất ra một chuỗi các bước thực thi nhằm giúp giải quyết các vấn đề mang tính tương tự. + Tự động hoá (Automation): sử dụng máy móc hoặc máy tính để thực hiện các công việc mang tính lặp lại. Thông qua các quá trình của tư duy máy tính, ta có thể thấy tư duy máy tính có mối liên hệ tương đồng với tư duy giải quyết vấn đề. Mối quan hệ tương đồng này có thể được thể hiện qua bảng sau: Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
29. 19 Bảng 1.2. So sánh tư duy GQVD và tư duy máy tính[27] Tư duy GQVD Tư duy máy tính Mô tả Xác định và trình Đối chiếu Xác định, làm rõ vấn đề và các thông tin bày vấn đề (Confrontation) cần thiết liên quan. Nghiên cứu tìm Phân tích Lập luận phân tích vấn đề thành các đối hiểu thông tin (Decomposition) tượng nghiên cứu thành phần. Xác định mối liên hệ Xác định các thông tin liên hệ phản ánh (Pattern recognition) sự kết nối giữa các đối tượng nghiên cứu trong tổng thể chung để tìm được các giải pháp hiệu quả. Hệ thống hoá Hệ thống hoá Lựa chọn các thông tin và đặc tính quan thông tin (Abstraction) trọng, hoặc các quy luật với các đối tượng nghiên cứu, cần thiết đối với giải pháp. Đề xuất kế hoạch Tư duy thuật toán Đề xuất các bước cụ thể hoặc tiến trình và thực hiện (Algorithm) một cách hệ thống, chặt chẽ để giải quyết vấn đề. Kiểm tra và điều Đánh giá Vận hành, thử nghiệm sản phẩm/giải chỉnh (Evaluation) pháp để ghi nhận kết quả, phân tích hiệu quả trên cơ sở đối chiếu với các thông đã tổng hợp ở pha hệ thống hoá. Giáo dục khoa học Robot là một công cụ học tập quan trọng nhằm giúp học sinh phát triển tư duy máy tính[28]. Nhiều minh chứng chỉ ra rằng học sinh khi tham gia các hoạt động lắp ráp và lập trình robot tự động cho thấy được sự hữu dụng của robot như là một công cụ dạy học cho mọi lứa tuổi học sinh. Việc bắt đầu dạy học phát triển tư duy máy tính cho học sinh từ lứa tuổi nhỏ sẽ giúp học sinh có được thuận lợi trong học tập không những trong lĩnh vực lập trình hay tính toán mà còn trong nhiều ngành học có liên quan đến kĩ năng giải quyết vấn đề[28]. Hơn thế nữa, một trong những cách tiếp cận tốt nhất trong giáo dục STEM là tích hợp STEM với yếu tố tư duy máy tính[29]. Chính nhờ những sự tương đồng giữa giáo dục STEM, giáo dục khoa học Robot và Tư duy máy tính, mà nếu như ta kết hợp ba yếu tố này với nhau trong một chủ đề dạy học, có thể là một cách hữu hiệu nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
30. 20 1.3.4. Khung năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục khoa học robot Theo tác giả Lê Hải Mỹ Ngân và Nguyễn Văn Biên, cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề có sự kết hợp với Giáo dục khoa học Robot và Tư duy máy tính dành cho HS trung học cơ sở được thể hiện trong bảng sau[27]: Bảng 1.3. Khung năng lực giải quyết vấn đề trong GD khoa học robot Hợp Thành tố Chỉ số hành vi Mô tả phần A.1.1 Trình bày HS phát hiện các thông tin trong vấn đề thực tiễn vấn đề thực tiễn cần giải quyết trong tình huống hoặc bối cảnh, từ cần giải quyết. đó phát biểu vấn đề sử dụng ngôn ngữ cá nhân. A.1 Phát hiện vấn đề A.1.2 Làm rõ ý HS nhận ra các thông tin trong vấn đề cần giải tưởng liên hệ giải quyết để thấy sự phù hợp và cần thiết sử dụng pháp sử dụng giải pháp robot, từ đó trình bày làm rõ sự đáp robot. ứng và lợi ích của giải pháp A.2.1 Xác định HS làm rõ nhiệm vụ cụ thể robot cần thực hiện nhiệm vụ cụ thể để giải quyết vấn đề, kèm theo các thông tin chi và các thông tin tiết cần thiết theo nguyên lí hoạt động cơ bản của liên quan trên cơ robot, bao gồm: thông tin tín hiệu đầu vào, các sở nguyên lí yêu cầu trong việc xử lí thông tin, và thông tin chung của robot. tín hiệu đầu ra hoặc thao tác robot cần thực hiện. A. TÌM Nhiệm vụ và các thông tin có thể được phát HIỂU biểu bằng ngôn ngữ nói, ví dụ: Robot/hệ thống VẤN ĐỂ cần ghi nhận được thông tin A. Nếu thông tin của A thoả điều kiện B thì robot/hệ thống sẽ thực hiện nhiệm vụ cụ thể là C để giải quyết vấn đề. → A, B, C trong ví dụ này là thông tin HS cần làm rõ. A.2 Phân tích vấn đề A2.2 Hệ thống HS sử dụng phương thức trình bày phù hợp để hoá nhiệm vụ cụ diễn đạt nhiệm vụ cụ thể và các thông tin cần thể trong sự gắn thiết đối với robot sau khi đã xác định được. Việc kết với các thông hệ thống hoá các thông tin của robot một cách tin cần thiết của khoa học sẽ chính là kết quả cụ thể nhất của quá robot một cách trình đối chiếu (Confrontation) trong tư duy tính khoa học. toán. Đây cũng chính là cơ sở để HS tiếp tục các Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
31. 21 pha hoạt động tiếp theo trong tiến trình giải quyết vấn đề. Các phương thức trình bày: (1) văn bản viết; (2) sơ đồ; (3) hình vẽ. B.1.1 Xác định HS xác định và nêu rõ các linh kiện phù hợp với các bộ phận của từng bộ phận của robot trên cơ sở nhiệm vụ cụ robot phù hợp với thể của robot, bao gồm: cảm biến (thu nhận nhiệm vụ. thông tin), bộ não xử lí và bộ phận thực hiện tác động ra bên ngoài. B.1.2 Tìm kiếm HS huy động và làm rõ các kiến thức thông tin và trình bày các liên quan cần thiết để thực hiện thiết kế, chế tạo kiến thức liên và làm chương trình hoạt động cho robot. quan các bộ phận - Kiến thức về cấu tạo, nguyên lí vận hành của B.1 B. ĐỀ robot và nhiệm vụ từng bộ phận. Nghiên XUẤT cần thực hiện. - Kiến thức cần thiết để thiết lập các mệnh lệnh cứu và GIẢI cho bộ não của robot. lựa chọn PHÁP thông tin Ghi chú: + Mũi tên màu đỏ thể hiện các nội dung cơ bản tìm hiểu về một robot và robot chính là đối tượng học tập. + Mũi tên màu xanh thể hiện các nội dung thông qua thiết kế robot giải quyết vấn đề, HS sẽ tìm hiểu kiến thức để đưa vào cho robot, khi này robot đóng vai trò công cụ học tập. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
32. 22 B.1.3 Thực hành HS thực hiện các hoạt động khám phá và ghi tìm hiểu các bộ nhận kết quả để tìm hiểu và vận dụng những kiến phận robot. thức đã tổng hợp vào làm rõ các bộ phận của robot. B.2.1 Trình bày HS trình bày bằng hình vẽ hoặc văn bản viết về cách lắp ráp cách lắp ráp các bộ phận của robot phù hợp với các bộ phận của yêu cầu nhiệm vụ. B.2 Đề robot. xuất giải B.2.2 Phân tích và HS thể hiện rõ các bước “xử lí thông tin” robot pháp làm rõ các bước cần thực hiện để ghi nhận được thông tin từ cảm “xử lí thông tin” biến và thực hiện đúng nhiệm vụ theo yêu cầu. cho bộ não robot. Sơ đồ là cơ sở để HS tiến hành lập trình cho robot. B.3.1 Kết nối hệ Dựa vào điều kiện thực tiễn sử dụng, HS đề xuất thống robot phương án thiết kế sản phẩm hoàn thiện để giải vào điều kiện sử quyết vấn đề. Kết cấu các bộ phận của robot dụng thực tiễn. được gắn kết trong một sản phẩm hoàn thiện ứng B.3 Thiết với điều kiện thực tiễn khi sử dụng. kế sản B.3.2 Trình bày HS trình bày cụ thể thiết kế sản phẩm hoàn thiện phẩm phương án thiết bằng một phương thức phù hợp để thể hiện được kế sản phẩm hoàn các nội dung cơ bản: thiện đáp ứng - Cấu trúc và kích thước chi tiết đối với sản phẩm điều kiện thực - Nguyên vật liệu sử dụng tiễn. - Các sử dụng sản phẩm C.1.1 Thiết lập kế HS làm rõ các bước cần thực hiện để hoàn thành hoạch chế tạo sản phẩm, bao gồm các bước chuẩn bị, lắp ráp và C.1 Chế robot. các bước lập trình đối với một công cụ cụ thể tạo sản (mBlock, Scratch, ) phẩm C.1.2 Chế tạo sản HS thực hiện theo kế hoạch đã đề ra và hoàn C. phẩm robot theo thiện sản phẩm, là giải pháp cụ thể cho vấn đề THỰC kế hoạch. đặt ra ban đầu. HIỆN, ĐÁNH C.2.1 Đánh giá sự HS thử nghiệm vận hành hoạt động của robot, GIÁ phù hợp của giải ghi nhận kết quả hoạt động so với yêu cầu trong C.2 Vận pháp và việc thực nhiệm vụ. hành hiện theo tiến và điều trình. chỉnh C.2.2 Cải tiến và HS phát hiện lỗi sai của sản phẩm; trình bày dự điều chỉnh. định cải tiến và điều chỉnh. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
33. 23 TỔNG KẾT CHƯƠNG 1 Trong chương này, tác giả đã tìm hiểu và làm rõ một số nội dung sau: + Khái niệm, mục tiêu của GD STEM và vị trí của GD STEM ở Việt Nam hiện nay. + Quy trình dạy học STEM dựa trên hoạt động thiết kế kĩ thuật. + Khái niệm của GD khoa học robot, mối quan hệ giữa GD khoa học robot và GD STEM. + Công cụ và cấu trúc của robot trong dạy học Robotics. + Khái niệm, cấu trúc của năng lực giải quyết vấn đề. + Sự tương quan giữa NL GQVD và tư duy máy tính (Computational thinking). + Khung NL GQVD trong giáo dục khoa học robot. Trên cơ sở này, tác giả tiếp tục nghiên cứu và vận dụng vào thiết kế chủ đề STEM “Xe robot tự dò đường” dựa trên quy trình EDP và giáo dục khoa học robot nhằm phát triển NL GQVD cho HS Trung học cơ sở. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
34. 24 Chương 2. THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM “XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG” 2.1. Bối cảnh và ý nghĩa thực tiễn chủ đề ❖ Bối cảnh: Từ khi Việt Nam bước vào giai đoạn phát triển công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, nền kinh tế của Việt Nam có nhiều điểm sáng, mức sống của người dân được cải thiện từng bước, đạt nhiều thành tựu đổi mới trong quá trình xây dựng đất nước. Tuy có nhiều sự cải tiến đáng kể nhưng đi liền với nó là vấn đề về tai nạn giao thông và Hình 2.1. Giao thông ở việt nam ùn tắc giao thông, đặc biệt là giao thông đường bộ, khi số vụ giao thông không ngừng tăng cả về quy mô và số lượng. An toàn giao thông luôn là một vấn đề nhức nhối trong nhiều năm qua, đã có rất nhiều biện pháp được đề xuất nhưng vẫn không cải thiện tình hình. Nguyên nhân chủ yếu dẫn tới tình trạng này thì có rất nhiều như: + Do sự gia tăng quá nhanh của các phương tiện giao thông cá nhân. + Ý thức của người tham gia giao thông còn quá kém và chưa được cải thiện nhiều trong những năm gần đây. + Cơ sở hạ tầng yếu kém: đường xá của chúng ta quá nhỏ hẹp, chất lượng đường xá không tăng theo số lượng các phương tiện giao thông, vỉa hè thì bị lấn chiếm, nhiều đoạn đường xuống cấp quá nhanh có nguy cơ tiềm ẩn tai nạn giao thông. Những nguyên nhân trên là một trong số ít dẫn đến vấn đề tai nạn và ùn tắc giao thông hiện nay. Theo thống kê (báo Thanh niên), mỗi năm số vụ tai nạn giao thông dao động từ 16.000 – 20.000, gây thiệt mạng 6000-8000 người và bị thương hàng chục ngàn người. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
35. 25 Chính vì thế mà đảm bảo an toàn giao thông trong cộng đồng nói chung và trong môi trường học đường nói riêng là một vấn đề rất quan trọng, đặc biệt là đối với các đối tượng học sinh nhỏ tuổi còn chưa đủ nhận thức. ❖ Ý nghĩa thực tiễn: Nhận thấy vấn đề an toàn giao thông là một trong những vấn đề hiện nay, một trong những biện pháp khả thi trong tương lai gần của con người là thiết kế các phương tiện tham gia giao thông tự động như xe robot, các phương tiện này có rất nhiều lợi ích so với phương tiện hiện nay như: + Tự động di chuyển trên đường một cách có trật tự, giúp hạn chế ùn tắc giao thông, và di chuyển nhanh chóng, ổn định từ nơi này đến nơi khác + Không cần sự điều khiển của con người, tránh được sự thiếu ý thức của con người khi tham gia giao thông dẫn đến tai nạn giao thông. + Có thể ứng dụng để vận chuyển hàng hoá, hạn chế được nguồn nhân lực lao động. + Sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, giúp bảo vệ môi trường tốt hơn. Thông qua việc tìm hiểu những lợi ích của các phương tiện robot tự động so với phương tiện hiện hành, với tư cách là kĩ sư tương lai, học sinh cảm nhận được sự cần thiết của các phương tiện này, từ đó đề xuất và thiết kế phương tiện xe robot tự động dò đường giúp khắc phục và hạn chế vấn nạn giao thông hiện nay. 2.2. Mục tiêu dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề Bảng 2.1. Bảng mục tiêu năng lực giải quyết vấn đề trong chủ đề Thành tố Biẻu hiện hành vi Mã HS nhận ra và trình bày được bối cảnh vấn đề cần giải quyết bằng ngôn ngữ cá nhân: thiết kế xe robot tự dò đường theo vạch GQ1.1 Phát hiện kẻ nhằm nâng cao chất lượng giao thông hiện nay. vấn đề HS nhận ra được và liên hệ được vấn đề với thực tiễn: trình bày được những ưu thế của việc sử dụng xe robot tự động so với các GQ1.2 phương tiện hiện hành. Phân tích HS xác định rõ được các thông tin cần thiết theo nguyên lí hoạt GQ2.1 vấn đề động cơ bản của xe robot: thông tin đầu vào, các yêu cầu trong Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
36. 26 việc xử lí thông tin, và thông tin tín hiệu đầu ra hay thao tác robot cần thực hiện. HS làm rõ được nhiệm vụ cụ thể của xe robot cần thực hiện để GQ2.2 giải quyết vấn đề trên cơ sở nguyên lí chung của robot. HS có khả năng hệ thống hoá nhiệm vụ cụ thể của xe robot để thể hiện mối liên hệ giữa các thông tin cần thiết của xe robot một GQ2.3 cách khoa học. HS phân tích và lựa chọn được các linh kiện phù hợp với từng GQ3.1 bộ phận của robot dựa trên cơ sở nhiệm vụ của xe robot. HS phân tích và lựa chọn được các kiến thức liên quan cần sử GQ3.2 dụng để vận dụng cho việc thiết kế, chế tạo xe robot. HS tìm hiểu, trình bày được các nội dung kiến thức liên quan đến: nguồn điện một chiều, động cơ điện một chiều, tốc độ và GQ3.3 chuyển động, ánh sáng và sự phản xạ ánh sáng. Nghiên HS tìm hiểu cấu tạo cơ bản của một chiếc xe chạy bằng điện: thực hành lắp ráp xe điện đơn giản sử dụng nguồn điện một chiều cứu và lựa GQ3.4 chọn và động cơ điện một chiều. Từ đó HS hiểu được về bộ phận cơ thông tin bản đầu tiên của robot: bộ phận thực hiện nhiệm vụ. HS tìm hiểu về cách sử dụng vi điều khiển Arduino (kết hợp mạch L293D) để điều khiển các bộ phận của robot và lập trình trực quan bằng mBlock. Từ đó HS hiểu được về bộ phận quan GQ3.5 trọng nhất của robot: bộ não xử lí, điều khiển và lập trình cho bộ não. HS tìm hiểu nguyên lí hoạt động của cảm biến hồng ngoại và vận dụng để xác định được vạch kẻ đen. Từ đó HS hiểu được về GQ3.6 bộ phận cơ bản đầu tiên của robot: bộ phận thu nhận thông tin. HS vận dụng kiến thức đã tìm hiểu để trình bày được sơ đồ kết nối các bộ phận của robot với nhau nhằm thiết kế được xe robot GQ4.1 Đề xuất đi theo vạch kẻ. giải pháp HS trình bày được sơ đồ khối hay sơ đồ lập trình mBlock thể hiện các bước “xử lí thông tin” của bộ não cho xe robot đi theo GQ4.2 vạch kẻ. Thiết kế HS đề xuất được phương án thiết kế xe robot và nguyên lí hoạt GQ5.1 sản phẩm. động của xe robot vận dụng các nội dung kiến thức đã tìm hiểu. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
37. 27 HS trình bày bản thiết kế sản phẩm hoàn thiện gồm các nội dung chính: cấu tạo và kích thước, nguyên vật liệu sử dụng, sơ đồ GQ5.2 mạch điện, sơ đồ khối lập trình, cách vận hành sản phẩm. HS thiết lập được kế hoạch chế tạo, lắp ráp xe robot, gồm đầy đủ các nội dụng: chuẩn bị nguyên vật liệu, các bước lắp ráp, các GQ6.1 Chế tạo bước lập trình điểu khiển bằng phần mềm mBlock. sản phẩm HS thực hiện lắp ráp và chế tạo xe robot theo kế hoạch đã đề GQ6.2 xuất để ra được sản phẩm hoàn thiện. HS vận hành thử nghiệm sản phẩm, ghi nhận được các trường GQ7.1 Vận hành hợp chạy thử đúng và chạy thử sai của sản phẩm. và điều HS phát hiện được các lỗi sai trong các lần chạy thử sai của xe chỉnh robot và đề xuất được các giải pháp nhằm khắc phụ lỗi để tiến GQ7.2 hành cải tiến và điều chỉnh phù hợp. 2.3. Phân tích nội dung kiến thức trong chủ đề Chủ đề STEM “Xe robot tự dò đường” có nội dung kiến thức đầy đủ ở cả 4 môn học: Khoa học tự nhiên, Công nghệ, Tin học, Toán học. Các nội dung kiến thức này gắn liền với từng bộ phận riêng lẻ của robot, robot sẽ đóng vai trò vừa là đối tượng học tập vừa là công cụ học tập. + Robot đóng vai trò là một đối tượng học tập khi HS tìm hiểu về các nội dung kiến thức liên quan đến robot và nguyên lí hoạt động của robot, các kiến thức này sẽ nằm chủ đạo trong môn Công nghệ và Tin học. + Robot đóng vai trò là một công cụ học tập khi HS vừa tìm hiểu kiến thức mới vừa vận dụng các kiến thức đã học vào việc thiết kế, sử dụng robot để giải quyết vấn đề. Các kiến thức này sẽ tập trung chủ đạo ở các môn Khoa học tự nhiên và Toán học. Thông qua nghiên cứu nguyên lí hoạt động của xe robot tự dò đường, tác giả đề xuất các nội dụng kiến thức liên quan để áp dụng trong chủ đề dựa trên Chương trình Tổng thể 2018. Trong đó tác giả không tập trung mục tiêu kiến thức mà chỉ phân tích các nội dung kiến thức HS có thể đạt được khi thực hiện chủ đề. Ngoài ra, có thể lưu ý là vì đối tượng HS cho chủ đề là HS khối lớp 8, tuy nhiên có một số nội dung kiến thức liên quan đến Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
38. 28 chủ đề Ánh sáng thuộc khối lớp 9, nên có thể xem các nội dung kiến thức này là kiến thức mới HS cần tìm hiểu. Mối liên hệ giữa các kiến thức STEM và các bộ phận của robot được thể hiện thông qua sơ đồ dưới đây. Hình 2.2. Sơ đồ mối liên hệ kiến thức và các bộ phận của robot Ghi chú: + Dấu mũi tên xám thể hiện sự tương tác giữa các bộ phận của robot. + Mũi tên màu đỏ thể hiện các nội dung cơ bản tìm hiểu về một robot và robot chính là đối tượng học tập. + Mũi tên màu xanh thể hiện các nội dung thông qua thiết kế robot giải quyết vấn đề, HS sẽ tìm hiểu và vận dụng kiến thức để đưa vào cho robot, khi này robot đóng vai trò công cụ học tập Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
39. 29 2.3.1. Môn Khoa học tự nhiên Bảng 2.2. Phân tích nội dung kiến thức môn KHTN Mạch Môn Nội dung Yêu cầu cần đạt nội dung học Lực và Tốc độ – Nêu được ý nghĩa vật lí của tốc độ, xác định KHTN 7 chuyển chuyển động được tốc độ qua quãng đường vật đi được trong động khoảng thời gian tương ứng, tốc độ = quãng đường vật đi/thời gian đi quãng đường đó. – Liệt kê được một số đơn vị đo tốc độ thường dùng. Ánh sáng Sự phản xạ – Vẽ được hình biểu diễn và nêu được các khái KHTN 7 ánh sáng niệm: tia sáng tới, tia sáng phản xạ, pháp tuyến, góc tới, góc phản xạ, mặt phẳng tới, ảnh. – Vận dụng được định luật phản xạ ánh sáng trong một số trường hợp đơn giản. Sự tán sắc - Nêu được khái niệm ánh sáng trắng là ánh KHTN 9 và Màu sắc sáng tổng hợp từ vô số màu sắc khác nhau từ đỏ đến tím. – Nêu được màu sắc của một vật được nhìn thấy phụ thuộc vào màu sắc của ánh sáng bị vật đó hấp thụ và phản xạ. – Vận dụng kiến thức về sự truyền ánh sáng, màu sắc ánh sáng, giải thích được một số hiện tượng đơn giản thường gặp trong thực tế. Điện học Dòng điện – Định nghĩa được dòng điện là dòng chuyển KHTN 8 dời có hướng của các hạt mang điện. Nguồn điện – Nêu được nguồn điện có khả năng cung cấp năng lượng điện và liệt kê được một số nguồn điện thông dụng trong đời sống. Mạch điện – Vẽ được sơ đồ mạch điện với kí hiệu mô tả: đơn giản điện trở, biến trở, chuông, ampe kế (ammeter), vôn kế (voltmeter), đi ốt (diode) và đi ốt phát quang. – Mắc được mạch điện đơn giản với: pin, công tắc, dây nối, bóng đèn, động cơ điện. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
40. 30 2.3.2. Môn Công nghệ Bảng 2.3. Phân tích nội dung kiến thức môn Công nghệ Mạch Môn Nội dung Yêu cầu cần đạt nội dung học Công Tìm hiểu – Nhận thức được muốn tạo ra sản phẩm công Công nghệ và thiết kế nghệ cần phải thiết kế; thiết kế là một quá trình nghệ 5 đời sống sáng tạo. – Vẽ phác thảo, nêu được ý tưởng thiết kế một sản phẩm công nghệ đơn giản. – Thiết kế được một sản phẩm thủ công kĩ thuật đơn giản theo hướng dẫn. Thủ công Lắp ráp mô – Kể tên, nhận biết được các chi tiết của bộ lắp Công kĩ thuật hình xe điện ghép mô hình xe điện chạy bằng pin. nghệ 5 – Lắp ráp, vận hành được được mô hình xe điện chạy bằng pin. Công Vẽ kĩ thuật – Đọc được bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp đơn giản Công nghệ và Kĩ thuật điện – Trình bày được cấu trúc chung của mạch điện, nghệ 8 thiết kế kĩ thành phần và chức năng của các bộ phận chính thuật trên mạch điện. – Vẽ và mô tả được sơ đồ khối của mạch điện điều khiển đơn giản. – Lắp ráp được các mạch điện điều khiển đơn giản có sử dụng một mô đun cảm biến. Thiết kế kĩ – Mô tả được các bước cơ bản trong thiết kế kĩ thuật thuật. – Thiết kế được một sản phẩm đơn giản theo gợi ý, hướng dẫn 2.3.3. Môn Tin học Bảng 2.4. Phân tích nội dung kiến thức môn Tin học Mạch Môn Nội dung Yêu cầu cần đạt nội dung học Giải Lập trình – Mô tả được kịch bản đơn giản dưới dạng thuật Tin học quyết vấn trực quan toán và tạo được một chương trình đơn giản. 8 Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
41. 31 đề với sự – Chạy thử, tìm lỗi và sửa được lỗi cho chương trợ giúp trình. của máy tính 2.3.4. Môn Toán học Bảng 2.5. Phân tích nội dung kiến thức môn Toán học Mạch Môn Nội dung Yêu cầu cần đạt nội dung học Đo lường Biểu tượng – Nhận biết được đơn vị đo độ dài: mm (mi-li- Toán về đại lượng mét); quan hệ giữa các đơn vị m, dm, cm và học 4 và và đơn vị đo mm. 5 đại lượng – Nhận biết được các đơn vị đo thời gian: giây, thế kỉ và quan hệ giữa các đơn vị đo thời gian đã học. – Nhận biết được vận tốc của một chuyển động đều; tên gọi, kí hiệu của một số đơn vị đo vận tốc: km/h (km/giờ), m/s (m/giây). Thực hành - Sử dụng một số dụng cụ đơn giản để đo lường đo lường độ dài, thời gian. Tính toán và – Thực hiện được việc chuyển đổi và tính toán ước lượng với các số đo độ dài (mm, cm, dm, m, km); thời với gian (giây, phút, giờ). các số đo đại – Giải quyết được một số vấn đề gắn với việc lượng giải các bài toán liên quan đến chuyển động đều (tìm vận tốc, quãng đường, thời gian của một chuyển động đều). Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
42. 32 2.4. Tiến trình tổng thể các pha hoạt động của tiến trình dạy học • Đối tượng học sinh: lớp 8 hoặc lớp 9 cấp THCS. • Tổng thời lượng chủ đề: gồm 7 tiết trên lớp và 3 tuần làm việc tại nhà. • Đặc điểm lớp học: Lớsp học được chia thành 5-6 nhóm, mỗi nhóm từ 4-5 HS. Bảng 2.6. Bảng tiến trình tổng thể tóm tắt các pha hoạt động dạy học Thời Mục Định hướng cách thức tổ Sản phẩm Học Hoạt động gian tiêu chức dự kiến liệu + GV nêu tình huống học tập và Báo cáo về BCH 1 10 GQ1.1 giao nhiệm vụ cho HS. ưu điểm của phút GQ1.2 xe robot. + GV giới thiệu cho HS về các + Sơ đồ PHT 1 bộ phận cơ bản của xe robot. thông tin cần BCH 2 + HS hoạt động theo nhóm, xác thiết của định nhiệm vụ cụ thể và các GQ2.1 thông tin cần thiết theo nguyên robot. GQ2.2 + Sơ đồ cấu HĐ1: Đặt vấn 25 lí hoạt động của robot, sơ đồ hoá GQ2.3 cấu trúc hoạt động của robot, trúc và linh đề, tìm hiểu phút GQ3,1 dưới sự hướng dẫn của GV. kiện robot. tổng quan về GQ3,2 + HS xác định các bộ phận và + Sơ đồ kiến robot. linh kiện cần thiết cho xe robot. thức liên [Confrontation] + HS tìm hiểu và lựa chọn những kiến thức liên quan để áp quan. dụng cho xe robot. + GV giới thiệu tiến trình của + Bảng tiêu PhĐG5 chủ đề và thống nhất bảng tiêu chí đánh giá 10 chí đánh giá với HS. thống nhất. phút + GV giao nhiệm vụ cho HS về nhà tìm hiểu một số kiến thức liên quan. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
43. 33 HĐ2.0. + HS tìm hiểu, ôn tập một số nội Báo cáo kiến Phiếu Ôn tập 1 dung kiến thức liên quan đã học ở thức ôn tập GQ3.3 kiến tuần nhà. kiến thức thức + HS nhắc lại một số kiến thức về + Bản báo kiến BCH 3 HĐ2.1. nguồn điện một chiều, động cơ thức Điện học. PHT 2 Nguồn điện một chiều. + Bản thiết kế PhĐG1 điện và 1 tiết GQ3.4 + GV tổ chức cho HS hoạt động xe. động nhóm: thực hiện đề xuất phương + Mô hình sản cơ. án và lắp ráp xe chạy bằng điện phẩm xe. đơn giản. + GV hướng dẫn HS tìm hiểu về + Bản báo cáo BCH 4. vi điều khiển Arduino, cách kết kiến thức tìm PHT 3, nối Arduino với các bộ phận của hiểu về Arduino 4, 5 HĐ2.2. robot. và mBlock. PhĐG2 Arduino + GV hướng dẫn HS tìm hiểu về + Mô hình xe Bộ và lập 2 tiết GQ3.5 lập trình cho Arduino bằng phần robot Arduino. dụng trình mềm mBlock. + Bản báo cáo cụ. [Decomposition] [Decomposition] [Pattern Recognition] c. mBlock + GV tổ chức cho HS hoạt động đo tốc độ xe ứ nhóm: thực hành đo tốc độ của xe robot. n n th ế robot ở các mức công suất khác nhau. + GV yêu cầu HS nhắc lại kiến + Bản báo cáo BCH 5 thức về ánh sáng, sự phản xạ ánh kiến thức. PHT 6 HĐ2.3. : : Khám phá ki 2 sáng; hướng dẫn HS tìm hiểu về + Bản báo cáo PhĐG3 Cảm HĐ kiến thức mới: sự tán xạ màu sắc. tìm hiểu cảm biến + GV hướng dẫn HS tìm hiều về biến hồng hồng GQ3.6 1 tiết cảm biến hồng ngoại và cách kết ngoại. ngoại. GQ5.1 nối cảm biến với Arduino. + Bản thiết kế Đề xuất + GV yêu cầu HS thảo luận theo đơn giản của giải nhóm và đề xuất ý tưởng giải sản phẩm chủ pháp quyết vấn đề chủ đề dựa trên đề. những kiến thức đã tìm hiểu Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
44. 34 + HS làm việc tại nhà theo nhóm + Bản thiết kế PHT 7 để hoàn thành bản thiết kế sản sản phẩm hoàn phẩm gồm: bảng nguyên vật liệu, thiện. GQ4.1 bản thiết kế sản phẩm, sơ đồ mạch + Bài báo cáo 1 GQ4.2 HĐ3: Lập điện, bản vẽ sơ đồ lập trình, cách bản thiết kế của tuần GQ5.1 bản thiết kế vận hành xe robot. nhóm. GQ5.2 sản phẩm. + Bản đánh giá Báo cáo bản bản thiết kế của thiết kế. các nhóm khác. [Abatraction] + Các nhóm HS báo cáo bản thiết PHT 7 kế sản phẩm. GV và các nhóm PhĐG 1 tiết GQ5.2 nhận xét, góp ý và phản biện. 4, 7 + HS lập kế hoạch lắp ráp sản + Bản thiết kế PHT 8, phẩm gồm: chuẩn bị nguyên vật đã chỉnh sửa. 9 liệu, cách lắp ráp, cách lập trình. + Bản kế hoạch HĐ4: Lắp + HS làm việc tại nhà theo nhóm lắp ráp sản GQ6.1 ráp và thử và lắp ráp sản phẩm hoàn thiện phẩm. 1 GQ6.2 nghiệm sản như đã lập kế hoạch. + Mô hình sản tuần GQ7.1 phẩm. + HS vận hành thử sản phẩm, phát phẩm hoàn GQ7.2 [Algorithm] hiện lỗi, điều chỉnh và cải tiến. thiện. + Bản báo cáo thử nghiệm sản phẩm. + HS báo cáo sản phẩm, vận hành + Bài báo cáo PhĐG HĐ5: Báo thử để GV đánh giá. mô hình sản 4, 7, 6, cáo sản + HS báo cáo lại quá trình lắp ráp phẩm. 8 1 tiết GQ7.2 phẩm. sản phẩm: những khó khăn, lỗi + Bản đánh giá [Evaluate] sai, giải pháp khắc phục. HS đề sản phẩm của xuất cải tiến sản phẩm. các nhóm khác. Chú thích viết tắt: + Bộ câu hỏi định hướng: BCH. + Phiếu học tập: PHT. + Phiếu đánh giá: PhĐG. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
45. 35 Hình 2.3. Sơ đồ tiến trình dạy học 2.5. Phương tiện, học liệu 2.5.1. Bộ dụng cụ Arduino – based robotic kit Mỗi nhóm được cung cấp một bộ dụng cụ sau dùng cho toàn bộ nội dung chủ đề. Ngoài ra, mỗi nhóm HS cũng được cung cấp thêm một máy tính cá nhân để lập trình mBlock. Máy tính cần được cài sẵn phần mềm mBlock bản mới nhất và có thêm extension “Motor shield L293D” để điều khiển motor (xem chi tiết ở Phụ lục hướng dẫn lập trình mBlock). Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
46. 36 Bảng 2.7. Bộ dụng cụ sử dụng trong chủ đề. Chi phí Số lượng STT Thiết bị, linh kiện dự tính Hình ảnh minh hoạ dự kiến (VND) Mạch Arduino Uno 1. 1 bộ 85.000 R3 + dây cáp USB Mạch điểu khiển 2. động cơ Motor shield 1 bộ 32.000 L293D Cảm biến hồng ngoại 3. 2 cái 10.000 x2 TCRT5000 Motor DC giảm tốc 4. 2 bộ 25.000 x2 V1 + bánh xe V1 5. Bánh xe đa hướng 1 cái 5.000 Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
47. 37 Hộp đế 4 pin AA có 6. 1 cái 10.000 công tắc 7. Pin AA Panasonic 4 viên 3.000 x4 Dây nối đầu đực – 8. 10 dây 10.000 cái Cầu đấu dây điện 9. 4 cái 2.000 domino Công tắc bập bênh 10. 1 cái 4.000 đỏ 10 ốc, Đinh ốc, bù lông 10 bù 11. + ống trụ đồng lông, 5.000 10mm 10 ống trụ Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
48. 38 Bìa foam 50x50cm 12. 1 tấm 10.000 (dày 5mm) 13. Súng bắn keo 1 cái 14. Dao rọc giấy 1 cái 15. Kéo cắt giấy 1 cái 16. Băng keo 2 mặt 1 cuộn 17. Băng keo đen 1 cuộn 18. Tua vít 1 cái Tổng chi 245.000 phí Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
49. 39 2.5.2. Tài liệu hướng dẫn thực hiện sản phẩm 2.5.2.1. Bản thiết kế sản phẩm hoàn thiện Bản vẽ cấu tạo sản phẩm Chú thích (1) Khung xe (6) Cảm biến hồng ngoại (2) Bánh xe (7) Các dây điện nối (3) Bộ 4 pin AA ghép 6V (8) Bánh xe đa hướng (4) Công tắc khởi động (9) Động cơ điện 1 chiều (motor) (5) Mạch Arduino + L293D Hình 2.4. Bản vẽ cấu tạo mặt trên xe robot Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
50. 40 Hình 2.5. Bản vẽ cấu tạo mặt dưới xe robot. Bản vẽ sơ đồ mạch điện: Hình 2.6. Bản vẽ sơ đồ mạch điện Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
51. 41 Sơ đồ khối lập trình mBlock: Hình 2.7. Sơ đồ khối lập trình mBlock Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
52. 42 2.5.2.2. Hướng dẫn thực hiện sản phẩm theo hoạt động khám phá 2.1: Lắp ráp xe chạy bằng điện đơn giản. Bảng 2.8. Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm trong HĐ2.1. Bước Mô tả thực hiện Hình minh hoạ Cắt bìa form theo kích 1. thước như hình để làm cho phần khung xe Đánh dấu vị trí nơi sẽ đặt 2 motor. Lưu ý các vị trí nên cân 2. bằng hai bên để xe khi hoạt đông sẽ không bị lệch hướng Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
53. 43 Đánh dấu thêm 2 vị trí: + (1) là vị trí để đặt công tắc 3. + (2) là vị trí để cố định bánh xe đa hướng (gồm 4 lỗ nhỏ để vặn cố định bằng ốc vít) Dùng kéo và dao rọc giấy 4. để đục các lỗ nơi vị trị đã đánh dấu Đục thêm 1 số lỗ nữa để có thể nối dây điện từ dưới 5. gầm xe đi lên cho các bước sau. Sử dụng súng bắn keo để dán dính 2 motor vào 2 vị trí motor đã đánh dấu. 6. Lưu ý khi dán, dán mặt ngoài của motor ở ngoài (mặt có đánh dấu chấm tròn). Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
54. 44 Dùng các trụ nhựa và đinh ốc để cố định bánh xe đa 7. hướng vào khung xe tại 4 lỗ mà ta đã đục trước. Sử dụng keo 2 mặt để dán hộp đế pin 4AA ở phần 8. trên của khung xe. Gắn thêm 1 công tắc tại vị trí lỗ công tắc đã khoét. + Luồn dây nối màu đỏ của đế pin xuống dưới gầm xe, cố định vào 1 đầu của công tắc. 9. + Dùng thêm 1 dây đỏ khác để cố định với đầu còn lại của công tắc và nối dây lên phía trên khung xe. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
55. 45 Tiến hành nối dây giữa nguồn pin và 2 motor theo sơ đồ mạch sau: 10. Có thể sử dụng các cầu đấu dây domino để nối dây 2 motor song song được dễ dàng hơn. Gắn thêm bánh xe vào 2 motor để được xe hoàn chỉnh. Sau đó, tiến hành bật công 11. tắc, kiểm tra 2 bánh xe có cùng chiều quay hay không. Nếu không, tiến hành đảo dây nối để đồng bộ cùng chiều quay của 2 motor. 2.5.2.3. Hướng dẫn thực hiện sản phẩm theo hoạt động 2.2: MODULE khám phá 2: Arduino và lập trình mBlock + Lắp ráp sản phẩm Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
56. 46 Bảng 2.9. Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm trong HĐ2.2 Bước Mô tả thực hiện Hình minh hoạ Tháo các dây nối motor với dây nối nguồn điện 1. đã thực hiện ở hoạt động 1. Đặt mạch điều khiển động cơ L293D phía trên mạch Arduino và 2. ghép lại theo đúng vị trí các chân cắm giữa 2 mạch. Sử dụng keo 2 mặt hoặc keo nến để cố 3. định mạch Arduino+L293D phía trên khung xe. Sơ đồ mạch điện ta sẽ 4. kết nối giữa các bộ phận Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
57. 47 Nối dây từ nguồn pin với mạch Arduino + L293D. Chú ý: Cần nối dây đúng thứ tự: Nguồn Arduino pin + L293D Dây đỏ M+ 5. cực (+) Dây GND đen cực (-) Không nên thực hiện ngược lại vì có thể gây hỏng mạch. Sử dụng tua vít để cố định đầu dây nối. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
58. 48 Nối dây từ 2 motor đến mạch Arduino+L293D ở vị trí M2 (motor trái), M3 (motor phải). Sử dụng tua vít để cố định đầu dây nối. 6. Lưu ý các cách nối dây ở trên chỉ là tham khảo, bạn có thể hoàn toàn nối dây motor theo vị trí tuỳ ý trong 4 đầu nối M1 – M4. Sau khi nối dây xong ta có được xe robot đã kết 7. nối với vi xử lí hoàn chỉnh. Cắp cáp kết nối USB vào mạch Arduino. Cắm đầu cáp còn lại 8. vào đầu USB của máy tính để chuẩn bị cho phần lập trình. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
59. 49 + Lập trình mBlock Dưới đây là một số khối lệnh tham khảo có thể sử dụng trong Hoạt động dạy học. + Khối lệnh có chức năng di chuyển xe về tiến phía trước. Hướng dẫn: sử dụng 2 khối lệnh quay tới 2 motor M2, M3 ở mức công suất 100%. Hình 2.8. Khối lệnh điều khiển xe chạy thẳng + Khối lệnh có chức năng di chuyển xe lùi về phía trước. Hướng dẫn: sử dụng 2 khối lệnh quay lùi 2 motor M2, M3 ở mức công suất 100%. Hình 2.9. Khối lệnh điều khiển xe đi lùi + Khối lệnh có chức năng di chuyển xe tiến về trước trong 3s, sau đó lùi về sau trong 3s, lặp lại liên tục quá trình này, mức công suất 50%. Hướng dẫn: sử dụng cặp khối lệnh quay tới motor trong 3s, và cặp khối lệnh quay lùi motor trong 3s, lồng tất cả khối lệnh này trong khối lệnh lặp vô hạn “forever”. Hình 2.10. Khối lệnh điều khiển xe đi tới 3s, đi lùi 3s. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
60. 50 2.5.2.4. Hướng dẫn thực hiện sản phẩm theo hoạt động 2.3: MODULE khám phá 3: Cảm biến hồng ngoại. Kết nối cảm biến hồng ngoại và Arduino. Bảng 2.10. Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm trong HĐ2.3 Bước Mô tả thực hiện Hình minh hoạ Sơ đồ nối dây giữa cảm biến hồng ngoại và mạch Arduino. Cảm biến 1. Arduino hồng ngoại VCC 5V GND GND A0 A0 Tiến hành nối dây theo 2. sơ đồ nối dây như trên. Đọc dữ liệu từ cảm biến hồng ngoại sử dụng Microsoft Excel Để đọc thông tin từ cảm biến truyền đến máy tính, ta sẽ sử dụng tính năng Data Streamer của Microsoft Excel. Data Streamer là tính năng cho phép chúng ta đọc dữ liệu theo thời gian thực từ các bộ vi xử lí điều khiển (Arduino, micro:bit, ) truyền tín hiệu đến máy tính. Ngoài ra Data Streamer còn giúp sơ đồ hoá dữ liệu đọc được thành các đồ thị trực quan. + Kích hoạt tính năng Data Streamer: Đầu tiên, ta cần kích hoạt tính năng này trên Microsoft Excel theo các bước sau: B1. Đảm bảo chúng ta đang sử dụng bản Office 365 mới nhất từ Microsoft. B2. Mở Microsoft Execl. Vào mục File ở hàng thanh công cụ phía trên. Sau đó chọn mục Options. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
61. 51 → B3. Bảng chọn Excel Options hiện ra. Tiến hành chọn mục Add-ins ở cột trái → chọn Manage →Chọn COM Add-ins → Chọn GO. B3. Bảng chọn COM Add-ins hiện ra → Tích chọn Microsoft Data Steamer for Excel → Nhấn OK. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
62. 52 B4. Sau khi hoàn thành, chúng ta sẽ thấy có thêm mục chọn Data Streamer ở thanh công cụ phía trên Lập trình cho Arduino để gửi tín hiệu dữ liệu từ cảm biến hồng ngoại về máy tính B1. Kết nối cáp USB (đã kết nối với Arduino) với máy tính thông qua cổng USB. B2. Lập trình với các khối lệnh sau đây bằng phần mềm mBlock. Chức năng của khối lệnh này là: đọc dữ liệu từ chân cắm A0 (chân cắm với cảm biến hồng ngoại), lưu dữ liệu vào biến “hong_ngoai”, sau đó truyền dữ liệu về máy tính thông bằng khối lệnh “Write to serial port”; tất cả các khối lệnh trên sẽ được lặp đi lặp lại nên tục nên sẽ được đặt trong khối “forever”. B3. Upload (nạp) khối lệnh đã lập trình vào Arduino. Đọc dữ liệu bằng Data Streamer B1. Mở nguồn cho mạch Arduino hoạt động, kết nối Arduino với máy tính bằng cổng USB. B2. Mở Microsoft Excel, chọn mục Data Streamer ở thanh trên cùng. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
63. 53 B3. Chọn Connect a Device. Chọn thiết bị Arduino Uno đã kết nối. B4. Sau khi hoàn thành, dữ liệu sẽ được đọc và hiển thị trên màn hình như bên dưới. Tiến hành ghi nhận dữ liệu đọc được từ cảm biến. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
64. 54 2.5.2.5. Hướng dẫn lắp ráp hoàn thiện sản phẩm chủ đề Bảng 2.11. Hướng dẫn lắp ráp hoàn thiện sản phẩm Bước Mô tả thực hiện Hình minh hoạ Dùng 2 trụ đồng gắn cố định vào 2 cảm biến 1. hồng ngoại, vặn chặt bằng đinh ốc. Dùng kéo để đục 2 lỗ nhỏ cách nhau 10 cm ở phía đầu của xe robot, nhằm 2. để gắn cố định 2 cảm biến hồng ngoại tại các vị trí này. Dùng đinh ốc gắn cố định 2 cảm biến hồng ngoại tại 2 vị trí đã đục. Dùng 3 dây nối khác 3. màu cho mỗi cảm biến và nối đầu dây vào các chân cắm của cảm biến hồng ngoại (chỉ nối với chân A0, VCC, GND). Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
65. 55 Sơ đồ nối dây 2 cảm 4. biến: Tiến hành nối dây kết nối cảm biến hồng ngoại với mạch Arduino. Cảm biến bên trái: Cảm biến Arduino hồng ngoại VCC 5V 5. GND GND A0 A2 Cảm biến bên phải: Cảm biến Arduino hồng ngoại VCC 5V GND GND A0 A0 Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
66. 56 Sau khi nối dây, ta có mô 6. hình xe robot tự dò đường hoàn chỉnh. Nguyên lí hoạt động của xe robot tự dò đường Như ta đã ghi nhận dữ liệu cảm biến hồng ngoại từ hoạt động 2.3, ta thấy rằng nếu như cảm biến hồng ngoại đặt ngay mặt phẳng trắng thì dữ liệu ta nhận được là khoảng từ 400 – 600, còn mặt phẳng đen thì dữ liệu ta nhận được là khoảng từ 800 – 900. Vậy ta có thể chọn giá trị trung bình 700 làm điểm mốc, và ta quy ước: • Nếu giá trị cảm biến > 700 → cảm biến ở vạch đen. • Nếu giá trị cảm biến < 700 → cảm biến ở nển trắng. Ta sẽ thiết kế xe robot dò đường gồm tối thiểu 2 cảm biến hồng ngoại được gắn ở phía trước xe giống như bản thiết kế mẫu. Xe robot sẽ xử lí tự động theo 4 trường hợp sau: Bảng 2.12. Nguyên lí hoạt động sản phẩm Trường hợp Cách xử lí Ở trường hợp này, ta nhận được giá trị từ cả 2 cảm biến là < 700, tức cả 2 cảm biến đều ở vị trí nền trắng, lúc này ta sẽ cần điều khiển cả 2 motor M3 (trái) và M2 (phải) quay tiến → Xe chạy thẳng. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
67. 57 Ở trường hợp này, ta nhận được giá trí từ 2 cảm biến như sau: + Cảm biến trái > 700 → Ở vạch đen. + Cảm biến phải 700 → Ở vạch đen. → Xe lúc này đang bị đi lệch sang trái Ta sẽ cần điều khiển xe rẽ phải để trở về đúng đường đi vạch đen bằng cách: + Điều khiển motor trái (M3) quay tới + Điều khiển motor phải (M2) quay quay lùi hoặc dừng quay. → Xe rẽ phải. Ở trường hợp này, ta nhận được giá trị từ cả 2 cảm biến là > 700, tức cả 2 cảm biến đều ở vị trí vạch đen, lúc này ta sẽ cần điều khiển cả 2 motor M3 (trái) và M2 (phải) dừng lại → Xe dừng lại. Ta sẽ tiến hành cho Arduino kiểm tra giá trị cảm biến liên tục lặp đi lặp lại và cũng xử lí điều khiển motor liên tục theo từng trường hợp giá trị thu được từ cảm biến. Lập trình cho sản phẩm chủ đề: Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
68. 58 B1. Kết nối mạch Arduino với máy tính thông qua cáp USB. B2. Mở phần mềm mBlock. Dựa vào nguyên lí hoạt động đã nêu trên, ta sẽ lập trình bằng mBlock cho Arduino theo mẫu Hình 2.7. Sơ đồ khối lập trình mBlock B3. Nạp (Upload) khối lệnh đã lập trình vào mạch Arduino. 2.5.3. Học liệu trong chủ đề Dánh sách các học liệu và hướng dẫn sử dụng. Chi tiết nội dung Phiếu học tập có thể xem ở phần Phụ lục. Bảng 2.13. Danh sách học liệu sử dụng trong chủ đề. Tên học liệu Số lượng Hướng dẫn sử dụng Phiếu ôn tập 1 phiếu/HS + Gồm các câu hỏi ôn tập kiến thức. kiến thức + Mỗi HS có 1 phiếu để tự ôn tập một số kiến thức liên quan trong chủ đề đã học ở môn Khoa học tự nhiên. Phiếu học tập số 1 1 phiếu/nhóm + Gồm phần hoạt động nhóm để tìm hiểu cấu tạo của robot. + Mỗi nhóm có 1 phiếu để thảo luận nhóm cho các nhiệm vụ học tập trong Hoạt động 1. + GV dựa trên trả lời của HS để đánh giá cho biểu hiện NL GQ2.1, GQ2.2, GQ2.3, GQ3.1, GQ3.2. Phiếu học tập số 2 1 phiếu/nhóm + Gồm phần trả lời ôn tập kiến thức chủ đề 1. “Nguồn điện, mạch điện và hiệu điện thế” và phần hoạt động nhóm cho Hoạt động 2.1. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
69. 59 + Mỗi nhóm có 1 phiếu để trả lời ôn tập kiến thức và thảo luận nhóm đề xuất bản thiết kế xe điện đơn giản trong Hoạt động 2.1. + GV dựa trên trả lời của HS để đánh giá cho biểu hiện NL GQ3.3, GQ3,4. Phiếu học tập số 3 1 phiếu/HS + Gồm phần ghi nhận kiến thức tìm hiểu Arduino và mạch điều khiển động cơ L293D dành cho cá nhân HS trong Hoạt động 2.2. + Gồm phần hoạt động nhóm vẽ sơ đồ nối dây giữa Arduino và motor. Cá nhân HS thảo luận theo nhóm và điền vào phiếu của mình. + GV dựa trên trả lời của HS để đánh giá cho biểu hiện NL GQ3,5. Phiếu học tập số 4 1 phiếu/HS + Gồm phần ghi nhận kiến thức tìm hiểu lập trình bằng phần mềm mBlock trong Hoạt động 2.2. + Gồm phần hoạt động nhóm vẽ sơ đồ lập trình. Cá nhân HS thảo luận theo nhóm và điền vào phiếu của mình. + GV dựa trên trả lời của HS để đánh giá cho biểu hiện NL GQ3,5. Phiếu học tập số 5 1 phiếu/nhóm + Gồm phần trả lời ôn tập kiến thức chủ đề 2. “Tốc độ và chuyển động” và phần hoạt động nhóm cho Hoạt động 2.2. + Mỗi nhóm có 1 phiếu để trả lời ôn tập kiến thức và thảo luận nhóm đề xuất phương án đo tốc độ xe và ghi báo cáo. + GV dựa trên trả lời của HS để đánh giá cho biểu hiện GQ3.3, GQ3,5. Phiếu học tập số 6 1 phiếu/nhóm + Gồm phần trả lời ôn tập kiến thức chủ đề 3. “Ánh sáng, sự phản xạ ánh sáng” và phần hoạt động nhóm cho Hoạt động 2.3. + Mỗi nhóm có 1 phiếu để trả lời ôn tập kiến thức cũ, ghi nhận kiến thức mới, tìm hiểu về nguyên lí hoạt động cảm biến hồng ngoại. + GV dựa trên trả lời của HS để đánh giá cho biểu hiện NL GQ3.3, GQ3,6. Phiếu học tập số 7 1 phiếu/HS; + Gồm các mục đề xuất cho bản thiết kế sản 1 phiếu/nhóm phẩm. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
70. 60 + Mỗi HS đề xuất bản thiết kế theo ý tưởng cá nhân. + Mỗi nhóm HS thống nhất ý tưởng cá nhân điền vào phiếu chung của nhóm + GV dựa trên trả lời của HS để đánh giá cho biểu hiện NL GQ4.1, GQ4.2, GQ5.1, GQ5.2 Phiếu học tập số 8 1 phiếu/nhóm + Gồm các mục đề xuất kế hoạch lắp ráp sản phẩm hoàn thiện theo bản thiết kế. + Mỗi nhóm HS thảo luận đề xuất kế hoạch. + GV dựa trên trả lời của HS để đánh giá cho biểu hiện NL GQ6.1, GQ6.2. Phiếu học tập số 9 1 phiếu/nhóm + Gồm phần báo cáo vận hành thử nghiệm sản phẩm tại nhà của nhóm HS. + Mỗi nhóm HS thảo luận vận hành thử nghiệm sản phẩm và ghi lại kết quả. + GV dựa trên trả lời của HS để đánh giá cho biểu hiện NL GQ7.1, GQ7.2 Phiếu đánh giá số 1 1 phiếu/nhóm + GV dùng để đánh giá phần hoạt động của mỗi nhóm HS ở Hoạt động 2.1. + GV dùng kết quả để đánh giá cho biểu hiện GQ3.3, GQ3,4. Phiếu đánh giá số 2 1 phiếu/nhóm + GV dùng để đánh giá phần hoạt động của mỗi nhóm HS ở Hoạt động 2.2. + GV dùng kết quả để đánh giá cho biểu hiện NL GQ3.3, GQ3,5. Phiếu đánh giá số 3 1 phiếu/nhóm + GV dùng để đánh giá phần hoạt động của mỗi nhóm HS ở Hoạt động 2.3. + GV dùng kết quả để đánh giá cho biểu hiện NL GQ3.3, GQ3,6. Phiếu đánh giá số 4 1 phiếu/nhóm + GV dùng để đánh giá bản thiết kế sản phẩm của mỗi nhóm HS. + GV dùng kết quả để đánh giá cho biểu hiện NL GQ5.1, GQ5.2. Phiếu đánh giá số 5 1 phiếu/nhóm + GV dùng để đánh giá sản phẩm hoàn thiện của mỗi nhóm HS. + GV dùng kết quả để đánh giá cho biểu hiện NL GQ6.2. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
71. 61 Phiếu đánh giá số 6 1 phiếu/nhóm + GV dùng để đánh giá phần trình bày (bản thiết kế, sản phẩm) của mỗi nhóm HS. Phiếu đánh giá số 7 1 phiếu/nhóm + Nhóm HS dùng để đánh giá bản thiết kế của các nhóm HS khác. Phiếu đánh giá số 8 1 phiếu/nhóm + Nhóm HS dùng để đánh giá sản phẩm hoàn thiện của các nhóm HS khác. 2.5.4. Bộ câu hỏi định hướng BỘ CÂU HỎI ĐỊNH HƯỚNG SỐ 1 CÂU HỎI TRỌNG TÂM: “Vì sao chúng ta cần phải chế tạo ra những phương tiện như vậy trong cuộc sống hiện đại ngày này?” Bảng 2.14. Bộ câu hỏi định hướng số 1 STT CÂU HỎI CÂU TRẢ LỜI MONG ĐỢI Các xe robot trong video chạy bằng loại 1 Xe chạy bằng năng lượng điện. nhiên liệu gì? So với nhiên liệu xăng hiện nay, nhiên Sử dụng năng lượng điện giúp chúng ta tiết kiệm nhiên liệu, hạn chế việc liệu mà xe robot sử dụng có ưu điểm gì 2 thải khí CO2 ra môi trường, giúp bảo hơn? Và ưu điểm này giúp ích cho môi vệ môi trường, hạn chế hiệu ứng nhà trường sống của chúng ta? kính, biến đổi khí hậu, Trong video, các xe tự động di chuyển rất Có thể giải quyết nạn ùn tắc giao có trật tự, nếu áp dụng điều này cho giao 3 thông, kẹt xe, giảm thiểu tai nạn giao thông thì sẽ giúp giải quyết được những thông. vấn nạn giao thông gì? Các xe robot di chuyển tự động không Giúp giảm nguồn nhân lực lao động cần người lái, vậy việc không cần tài xế 4 là tài xế, tiết kiệm chi phí thuê nhân sẽ có ích như thế nào cho chúng ta? công. Chẳng hạn như đối với kinh tế. BỘ CÂU HỎI ĐỊNH HƯỚNG SỐ 2 CÂU HỎI TRỌNG TÂM: “Dựa vào sơ đồ các bộ phận của robot đã đề xuất, hãy cho biết những nội dung kiến thức (đã học, chưa học hoặc mong muốn học) nào gắn kết với các bộ phận của xe robot?” Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
72. 62 Bảng 2.15. Bộ câu hỏi định hướng số 2. STT CÂU HỎI CÂU TRẢ LỜI MONG ĐỢI Đối với bộ phận động cơ và bánh xe: + Xe chạy bằng nguồn năng lượng điện, + Nguồn điện, ví dụ như pin. dụng cụ nào sẽ giúp chúng ta có được năng lượng này? + Nguồn điện có khả năng cung cấp thứ + Cung cấp dòng điện. gì cho các thiết bị điện trong mạch điện? + Trên mỗi cực của nguồn điện có ghi số + Hiệu điện thế của nguồn điện. hiệu gì đặc trưng cho nguồn điện? 1 + Sơ đồ nào cho ta biết được khái quát + Sơ đồ mạch điện. cách ghép nối giữa các bộ phận, dụng cụ điện? + Để các dụng cụ điện hoạt động bình + Hiệu điện thế định mức. thường, ta cần quan tâm đến số chỉ nào trên các dụng cụ điện? + Thiết bị điện phổ biến nào sẽ giúp quay + Động cơ điện hay motor. bánh xe của xe robot? Đối với Bộ não xử lí Arduino: + Để cho vi mạch Arduino có thể điều + Lập trình cho vi điều khiển hoạt khiển xe robot theo theo như yêu cầu ta động theo ý muốn. mong muốn, ta cần phải làm gì? + Giống như bộ não người truyền tín hiệu + Cách nối dây dẫn giữa Arduino và điều khiển đến cánh tay thông qua dây động cơ. thần kinh, ta cần phải biết điều gì để giúp 2 kết nối và truyền tín hiệu giữa mạch Arduino và động cơ? + Vi mạch Arduino có thể giúp điều + Tốc độ chuyển động. khiển cho động cơ quay làm cho xe robot đi nhanh hay chậm tuỳ ý, vậy đại lượng nào liên quan đến sự nhanh hay chậm của một vật chuyển động? Đối với Cảm biến hồng ngoại: + Nguồn sáng. + Cảm biến hồng ngoại có thể phát ra tia sáng hồng ngoại, một vật nếu có thể tự phát ra ánh sáng thì ta gọi vật đó là gì? 3 + Cảm biến hồng ngoại có 2 mắt là mắt phát và thu tia sáng, mắt phát sẽ phát tia + Sự phản xạ ánh sáng. sáng đến một bề mặt, tia sáng sẽ bật trở Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
73. 63 lại tại bề mặt và tới mắt thu. Hiện tượng tia sáng bị bật lại tại bề mặt gọi là gì? + Chúng ta đang quan tâm đến việc phân + Màu sắc của các vật. biệt vạch trắng và đen, tức là ta đang quan tâm đến yếu tố gì của vật? BỘ CÂU HỎI ĐỊNH HƯỚNG SỐ 3 CÂU HỎI TRỌNG TÂM: “Xe chạy bằng điện đơn giản được thiết kế như thế nào?” Bảng 2.16. Bộ câu hỏi định hướng số 3. STT CÂU HỎI CÂU TRẢ LỜI MONG ĐỢI Hãy kể tên một số bộ phận cơ bản của xe Khung xe, sàn xe, bánh xe, động cơ, 1 ô tô mà các em gặp trong đời sống? vô lăng, đèn. Một chiếc xe cần tối thiểu bao nhiêu bánh Cần ít nhất 3 bánh xe (2 bánh sau + 1 2 xe? bánh trước) hoặc 4 bánh xe. 3 Bộ phận nào giúp quay bánh xe? Động cơ của xe. Xe của chúng ta sử dụng nguồn năng Xe của chúng ta chạy bằng điện, có 4 lượng gì? Để có được nguồn năng lượng thể lấy năng lượng điện từ pin. này, ta có thể dùng thiết bị gì? Hiệu điện thế định mức của motor hoạt Có nhiều cách khác nhau như: động bình thường là 3-9V, Dựa trên các + Có thể ghép 2 tới 6 viên pin AA 5 dụng cụ cung cấp sẵn, chúng ta có thể 1,5V. ghép nguồn pin như thế nào để motor + Sử dụng 1 viên pin 9V. hoạt động tốt? + Sử dụng 1 hoặc 2 pin 3,7V. Cả 2 motor phải hoạt động cùng độ lớn hiệu điện thế với nguồn điện, vậy ta sẽ Ta sẽ cần mắc song song, vì trong 6 mạch song song thì hiệu điện thế ở 2 gắp mạch điện như thế nào? Nối tiếp hay nhánh bằng nhau. song song? BỘ CÂU HỎI ĐỊNH HƯỚNG SỐ 4 CÂU HỎI TRỌNG TÂM: “Làm thế nào để đo tốc độ của xe robot?” Bảng 2.17. Bộ câu hỏi số 4. STT CÂU HỎI CÂU TRẢ LỜI MONG ĐỢI Mạch Arduino hoạt động tốt ở hiệu Có nhiều cách khác nhau như: 1 điện thế từ 5 – 12V. Vậy các em có + Có thể ghép 2 tới 6 viên pin AA 1,5V. + Sử dụng 1 viên pin 9V. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
74. 64 những cách ghép nguồn điện như thế + Sử dụng 1 hoặc 2 pin 3,7V. nào? Để xác định tốc độ, ta cần phải biết Quãng đường đi được và thời gian đi hết 2 được 2 đại lượng nào? quãng đường đó. 3 Làm thế nào để đo quãng đường? Có thể dùng thước dây, thước kẻ. Làm thế nào để xe có thể chạy chính Ta có thể lập trình cho xe chạy chính 4 xác trong khoảng thời gian mong xác trong thời gian mong muốn. muốn? Sau khi có quãng đường và thời gian đi Lấy quãng đường chia cho thời gian. 5 được, làm thế nào để có được tốc độ. BỘ CÂU HỎI ĐỊNH HƯỚNG SỐ 5 CÂU HỎI TRỌNG TÂM: “Làm thế nào để xe có thể đi theo vạch kẻ đen?” Bảng 2.18. Bộ câu hỏi định hướng số 5. STT CÂU HỎI CÂU TRẢ LỜI MONG ĐỢI Làm thế nào để có lập trình điều khiển Có thể sử dụng 1 trong 2 cách sau: cho xe rẽ trái hay rẽ phải? + Điều khiển 1 bên motor quay tiến, bên 1 còn lại quay lùi. + Điều khiển 1 bên motor quay tiến, bên còn lại đứng yên. Xe cần phải làm gì khi bị lệch sang trái Xe cần ngoặt sang bên phải để trở lại 2 vạch kẻ đen? đường vạch kẻ đen. Xe cần phải làm gì khi bị lệch sang phải Xe cần ngoặt sang bên trái để trở lại 3 vạch kẻ đen? đường vạch kẻ đen. Vậy xe robot cần có bao nhiêu (mắt) Cần tối thiểu 2 mắt cảm biến, một mắt cảm biến hồng ngoại để biết mình đang trái để phát hiện khi xe bị lệch sang bên 4 đi theo vạch kẻ? trái vạch kẻ đen, một mắt trái để phát hiện khi xe bị lệch sang bên phải vạch kẻ đen. Bố trí vị trí cho các cảm biến hồng Bố trí 2 cảm biến hồng ngoại phía trước 5 ngoại như thế nào để phát hiện và đi xe (một bên trái, một bên phải) để xác theo vạch đen? định đường đi vạch kẻ đen. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
75. 65 2.6. Tiến trình tổ chức dạy học chi tiết 2.6.1. Hoạt động 1: Đặt vấn đề. Tìm hiểu tổng quan về robot. • Thời lượng: 45 phút. • Nội dung: o GV giới thiệu tính huống học tập, đặt ra vấn đề cho HS. o GV hướng dẫn HS tham gia các hoạt động tìm hiểu cấu tạo và nguyên lí cơ bản của robot. Bảng 2.19. Tiến trình dạy học Hoạt động 1. Hoạt Hoạt động của GV Hoạt động của HS động Đặt GV cho HS xem một đoạn clip trong bộ phim hoạt HS xem đoạn clip và trả vấn đề hình Wall – E (2008). lời các câu hỏi của GV (8 Link: WALL·E - 72 Deegress and Sunny phút) Nội dung clip: Toàn cành về thành phố trong tương lai, nơi mà các phương tiện di chuyển một cách tự động theo các vạch kẻ được vạch sẵn trên đường. GV nêu câu hỏi: HS trả lời: • Các phương tiện trong đoạn clip di chuyển tự + Các phương tiện động hay cần người điều khiển? trong đoạn clip di chuyển tự động. • Các phương tiện trong đoạn clip di chuyển tự + Các phương tiện này động như thế nào? di chuyển tự động theo vạch kẻ đờng có sẵn. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
76. 66 GV sử dụng Bộ câu hỏi số 1 để gợi mở vấn đề HS trả lời các câu hỏi trọng tâm cho HS: “Vì sao chúng ta cần phải chế theo sự định hướng của tạo ra những phương tiện như vậy trong cuộc sống GV. hiện đại ngày này?” HS được mong đợi liệt kê một số lợi ích của các phương tiện tự động so với phương tiện hiện hành: + Tiết kiệm nhiên liệu. + Hạn chế ô nhiễm môi trường. + Triệt tiêu nạn ùn tắc giao thông + Hạn chế số lượng tai nạn giao thông GV hỗ trợ HS và diễn giải về những lợi ích của HS tiếp thu vấn đề của các phương tiện tự động trong tương lai gần đối GV. với con người: Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
77. 67 GV nêu vấn đề: Làm thế nào các phương tiện có HS nhận nhiệm vụ học thể di chuyển tự động theo vạch như trong đoạn tập. phim trên? GV trao đổi nhiệm vụ: Trong vai trò là một người kĩ sư tương lại, HS hãy thiết kế xe có khả HS trình bày lại nhiệm năng tự động dò đường theo vạch kẻ đen nhằm vụ học tập GV đã giao, giúp vận chuyển con người và hàng hoá từ nơi có thể diễn đạt thêm này đến nơi khác mà không cần sự điều khiển bằng ngôn ngữ bản thân từ con người. để làm rõ vấn đề hơn. GV yêu cầu HS trình bày hoặc diễn đạt lại nhiệm vụ chủ đề đã giao. Tìm GV diễn giải ra một số thông tin hoặc yêu cầu HS HS tiếp thu, có thể theo hiểu về đọc thông tin khái quát về nguyên lí hoạt động của dõi thêm trong phần cơ sở robot. Robot gồm có 3 bộ phận chính: phụ lục của Phiếu học nguyên + Bộ phận thu nhận tín hiệu: dùng đề thu thập, ghi nhận tập số 1. lí hoạt các thông tin từ môi trường bên ngoài thông qua các cảm biến, những thông tin này sẽ được cung cấp cho bộ não xử động lí. Bộ phận này xem như là “giác quan” của robot để robot của cảm nhận môi trường xung quanh. robot + Bộ não xử lí, điều khiển: là trung tâm hoạt động của robot, (10 đây là nơi tiếp nhận thông tin đầu vào từ bộ phận thu nhận phút) tín hiệu. Thông tin sẽ được xử lí và nếu thông tin đầu vào đáp ứng đúng một điều kiện nào đó, bộ não sẽ tiến hành gửi tín hiệu điều khiển đến bộ phận thực hiện nhiệm vụ để thực thi một nhiệm vụ cụ thể phản hồi với thông tin đầu vào. + Bộ phận thực hiện nhiệm vụ: là nơi nhận tín hiệu điều khiển từ trung tâm xử lí, bộ phận này sẽ tiến hành thực hiện các thao tác cơ học (như quay bánh xe, cánh tay gắp, chân Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
78. 68 bước ) theo đúng yêu cầu của bộ não. Đôi khi bộ phận này cũng sẽ gửi các thông tin ngược trở lại bộ não xử lí. Mối quan hệ tương tác giữa các bộ phận sẽ được thể hiện như sơ đồ dưới đây: GV giao nhiệm vụ cho các nhóm HS: “Từ sơ đồ HS nhận nhiệm vụ, tiến mối quan hệ các bộ phân này, các em hãy xác định hành thảo luận nhóm, các thông tin cần thiết cho từng bộ phận để giúp hoàn thiện vào Phiếu robot của chúng ta hoạt động theo đúng như học tập số 1 – nhiệm nhiệm vụ phù hợp với vấn đề ‘Xe tự động đi theo vụ 1. vạch kẻ đường’”. GV yêu cầu HS hoạt động theo nhóm và hoàn thiện vào phiếu học tập số 1 – nhiệm vụ 1. Tìm GV tiếp tục giao nhiệm vụ cho HS: “Với các HS nhận nhiệm vụ, tiến hiểu bộ thông tin cần thiết ứng với từng bộ phận của robot hành thảo luận nhóm, phận đã nêu trên, các em hãy tiến hành chọn ra bộ phận hoàn thiện vào Phiếu xe phù hợp nhất tương ứng giúp cho xe robot thực học tập số 1 – nhiệm robot hiện được nhiệm vụ của nó?” vụ 2. (8 GV yêu cầu HS hoạt động theo nhóm và hoàn phút) thành vào Phiếu học tập số 1 – nhiệm vụ 2. Dẫn GV yêu cầu HS thảo luận và thực hiện yêu cầu sau: HS nhận nhiệm vụ, tiến dắt “Dựa vào các bộ phận của robot mà các em đã đề hành thảo luận nhóm, kiến xuất, các em hãy cho biết những nội dung kiến hoàn thiện vào Phiếu thức Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
79. 69 (7 thức (đã học, chưa học hoặc mong muốn học) nào học tập số 1 – nhiệm phút) gắn kết với các bộ phận này?” vụ 3. GV yêu cầu HS thực hiện và tiếp tục điền vào sơ đồ trong Phiếu học tập số 1 – nhiệm vụ 3. GV có thể sử dụng Bộ câu hỏi số 2 đề dẫn dắt và gợi ý cho HS. Giới Từ những kiến thức liên quan đến robot đã tìm HS lắng nghe, tiếp thu thiệu hiểu ở phần trên, GV giới thiệu cho HS về kế nhiệm vụ tiến trình thực tiến hoạch dự án. hiện dự án. trình GV thống nhất cùng HS kế hoạch dự án. chủ đề – Với HS chưa quen làm dự án, GV thông báo tiến và trình và hướng dẫn HS. Đối với HS đã có kinh thống nghiệm thực hiện dự án, GV yêu cầu HS tự đề xuất nhất các công việc và phân phối thời gian trong dự án. tiêu chí – Tiến trình dự án gồm 7 tiết tại lớp + 3 tuần làm đánh việc ở nhà theo thứ tự: giá (Xem hình dưới) (7 phút) Thống nhất tiêu chí đánh giá HS lắng nghe, xem – GV đặt vấn đề: Làm thế nào để đánh giá sản phần bản tiêu chí đánh phẩm học tập là xe robot đi theo vạch kẻ? GV giá sản phẩm, đặt câu nhấn mạnh cần phải có bảng tiêu chí đánh giá hỏi ở những mục chưa sản phẩm để định hướng cũng như đánh giá công hiểu. bằng. HS thống nhất bảng tiêu - GV cho HS tham khảo Phiếu đánh giá số 5 là chí với GV. bảng tiêu chí đánh giá sản phẩm Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
80. 70 – GV và HS thống nhất các tiêu chí đánh giá và tỉ lệ điểm. Tổng - GV tổng kết và trả lời các thắc mắc của HS. HS nhận nhiệm vụ về kết và GV giao nhiệm vụ về nhà: HS ôn tập lại các nhà. giao kiến thức đã học theo các nội dung chủ đề sau: nhiệm Chủ đề 1. Nguồn điện, sơ đồ mạch điện và hiệu vụ điện thế. (3 Chủ đề 2. Tốc độ, chuyển động thẳng đều. phút) Chủ đề 3. Ánh sáng. Sự phản xạ ánh sáng. GV yêu cầu HS sử dụng các câu hỏi trong Phiếu ôn tập kiến thức để ôn tập lại các kiến thức liên quan. Tiến trình dự án: Hình 2.11. Sơ đồ thu gọn tiến trình chủ đề 2.6.2. Hoạt động 2: Khám phá kiến thức 2.6.2.1. Hoạt động 2.1: MODULE khám phá 1: Nguồn điện và động cơ. • Thời lượng: 45 phút. • Mô tả: Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
81. 71 o HS ôn tập lại kiến thức đã học về Điện học lớp 7; o HS thực hành vận dụng kiến thức để lắp ráp xe chạy bằng điện đơn giản. Bảng 2.20. Tiến trình dạy học Hoạt động 2.1 Hoạt Hoạt động của GV Hoạt động của HS động Đặt vấn GV thông báo, ở buổi học này, HS sẽ được HS nhận nhiệm vụ của tiết đề. tìm hiểu về bộ phận “thực hiện nhiệm học. Nhận vụ” của robot. Cụ thể là bộ phận giúp xe nhiệm vụ. chuyển động. (5 phút) GV đặt ra vấn đề: “Cấu tạo cơ bản của HS liệt kê một số bộ phận xe để giúp xe có khả năng chuyển động cơ bản như: động cơ, bánh gồm những bộ phận đơn giản nào?” xe, khung xe, sàn xe, GV đặt ra nhiệm vụ: “Hãy đề xuất mô HS ghi nhận nhiệm vụ. hình xe robot đơn giản chạy bằng điện nhằm đáp ứng được tiêu chí số 1 và số 2 trong bảng tiêu chí đánh giá sản phẩm”. Đề xuất GV yêu cầu HS thảo luận theo nhóm để tiến HS thảo luận theo nhóm, bản thiết hành đề xuất phương án thiết kế xe. thực hiện điền các nội dung kế xe robot Bao gồm: ôn tập kiến thức, đề xuất đơn giản. + Vật liệu sử dụng. phương án thiết kế xe trong (10 phút) + Bản vẽ mô hình xe. phiếu học tập số 2. + Sơ đồ mạch điện. GV yêu cầu HS vừa thực hiện nhiệm vụ vừa hoàn thành các nội dung trong Phiếu học Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
82. 72 tập số 2, bao gồm phần ôn tập kiến thức Điện học. GV có thể sử dụng Bộ câu hỏi số 3 để hướng dẫn gợi ý HS. Báo cáo GV yêu cầu 1 – 2 nhóm HS trình bày trước Nhóm HS trình bày bản thiết lớp về phương án thiết kế xe của nhóm. phương án thiết kế. kế Các nhóm HS khác đặt câu hỏi, góp ý và Các nhóm khác góp ý nhận (5 phút) phản biện, học tập ưu và nhược điểm về xét, học hỏi từ phương án thiết kế từ nhóm bạn. của nhóm bạn. GV góp ý đề xuất chỉnh sửa. Lắp ráp xe. Dựa vào phương án thiết kế, HS hãy tiến HS làm việc nhóm và lắp (20 phút) hành lắp ráp xe robot chạy bằng điện đơn ráp xe chạy bằng điện đơn giản. giản theo phương án đã đề xuất. Tổng kết – HS tiếp tục hoàn thiện phần xe robot của HS nhận nhiệm vụ về nhà. giao nhiệm mình tại nhà. vụ về nhà HS tiếp tục ôn tập kiến thức về Chủ đề 2. (5 phút) Tốc độ và chuyển động. 2.6.2.2. Hoạt động 2.2: MODULE khám phá 2: Vi điều khiển Arduino và lập trình vi điều khiển mBlock. • Thời lượng: 90 phút • Mô tả: o HS tìm hiểu về vi xử lí Arduino và mạch điều khiển động cơ L293D; o HS tìm hiểu về lập trình điều khiển bằng phần mềm mBlock; o HS thực hành hoạt động đo tốc độ của xe robot ở nhiều mức công suất. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
83. 73 Bảng 2.21. Tiến trình dạy học hoạt động 2.2 Hoạt Hoạt động của GV Hoạt động của HS động Đặt vấn GV đặt ra vấn đề cho HS: “Chúng ta đã thiết HS tiếp nhận vấn đề của đề kế chiếc xe robot đơn giản, tuy nhiên xe robot buổi học. (5 phút) này chỉ có thể chạy tới hoặc lui ở một tốc độ duy nhất. Làm thế nào để chúng ta có thể điều khiển chiếc xe chạy nhanh hay chậm, rẽ trái hay rẽ phải theo ý muốn? GV đặt câu hỏi để nhắc lại cho HS: “Trong 3 bộ HS trả lời bộ phận để phận của robot mà các em đã đề xuất ở tiết học điều khiển là bộ “não” 1, các em hãy cho biết, bộ phận nào của robot sẽ xử lí, điều khiển. Bộ đảm nhiệm vai trò điều khiển bánh xe như ở phận này có vai trò đưa trên?” ra các tín hiệu điều “Bộ phận này có vai trò như thế nào?” khiển để điều khiển các bộ phận khác của robot. GV yêu cầu HS nhắc lại và nhấn mạnh với HS HS lắng nghe, tiếp thu. vai trò của bộ não điều khiển: “là trung tâm hoạt động của robot, đây là nơi tiếp nhận thông tin đầu vào từ bộ phận thu nhận tín hiệu. Thông tin sẽ được xử lí và nếu thông tin đầu vào đáp ứng đúng một điều kiện nào đó, bộ não sẽ tiến hành gửi tín hiệu điều khiển đến bộ phận thực hiện nhiệm vụ để thực thi một nhiệm vụ cụ thể phản hồi với thông tin đầu vào. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
84. 74 GV yêu cầu kết nối với robot của HS đang thiết HS trả lời các câu hỏi: kế, cho biết: 1. Tín hiệu điều khiển ở 1. Tín hiệu điều khiển ở đây là gì? đây là tín hiệu để điều 2. Bộ phận thực hiện nhiệm vụ ở đây là gì? khiển chiều quay của (Những thông tin này HS đã đề xuất ở hoạt động motor để làm quay bánh 1, ở đây cần nhắc lại để nhấn mạnh với HS về xe nhiệm vụ của buổi học). 2. Bộ phận thực hiện nhiệm vụ là động cơ motor + bánh xe. GV cũng có thể liên kết với thực tế để HS hiểu HS tiếp thu, lắng nghe được vai trò của bộ não điều khiển robot thông ví dụ. qua ví dụ: Con người chúng ta có bộ não, bộ não này sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến các bộ phận của cơ thể (như tay, chân, ) nhằm thực thi một nhiệm vụ mà chúng ta mong muốn như là bước đi, chạy, cầm nắm đồ vật, vẫy tay, Bộ não robot cũng tương tự như vậy, bộ não robot sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến các bộ phận khác nhằm thực thi nhiệm vụ như quay bánh xe để chạy nhanh hay chậm, gắp đồ vật bằng cánh tay, Từ đó, GV giới thiệu nội dung hoạt động trong HS tiếp thu nội dung tiết học: Tìm hiểu về 2 nội dung chính: trong buổi học. 1. Bộ não của xe robot và cách liên kết bộ não với các bộ phận khác. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
85. 75 2. Cách lập trình điều khiển cho bộ não để có thể giúp bộ não gửi tín hiệu điểu khiển đến các bộ phận khác như mong muốn của chúng ta. GV yêu cầu HS vừa lắng nghe các nội dung kiến thức mới vừa ghi chú và hoàn thành câu hỏi trong phiếu học tập số 3 và số 4 (nhiệm vụ 1). Hoạt động khám phá 2.1.1: Tìm hiểu về “bộ não” robot: Arduino. Tìm hiểu GV giới thiệu cho HS: trong phạm vi chủ đề này, HS lắng nghe, tiếp thu, về mạch chúng ta sẽ sử dụng vi mạch Arduino như là một ghi chú lại nội dung vi điều bộ não xử lí, điều khiển của robot (đưa xem trực kiến thức mới. khiển tiếp). Ngoài ra, chúng ta cũng cần điều khiển tốc Sau đó hoàn thành Arduino độ nhanh chậm của motor, vì vậy ta sẽ sử dụng Phiếu học tập số 3 – và mạch thêm 1 vi mạch hỗ trợ chuyên dụng nữa gọi là vi nhiệm vụ 1. L293D mạch L293D (đưa xem trực tiếp). (20 phút) Để sử dụng kết hợp Arduino và mạch L293D, ta sẽ lắp mạch L293D phía trên mạch Arduino như thế này (thực hiện cho HS xem): Như vậy ta sẽ có được bộ não điều khiển hoàn chỉnh cho chiếc xe robot của chúng ta. Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
86. 76 GV hướng dẫn: ta sẽ cần lưu ý các vị trí nối dây trên module L293D như sau: + Cặp cổng kết nối nguồn điện: kí hiệu M+ và GND, dùng để kết nối lần lượt với cực dương (+) và cực âm (-) của nguồn điện. + 4 cặp cổng kết nối motor: kí hiệu M1, M2, M3, M4 có khả năng kết nối với motor, mỗi motor 1 cặp cổng. + Cổng kết nối USB: dùng để kết nối mạch Arduino với máy tính để lập trình điều khiển. GV lưu ý rằng khi cung cấp nguồn cho Arduino để Arduino hoạt động bình thường thì cần nguồn điện có hiệu điện thế định mức là 5–12V (tức tối thiểu là 5V và tối đa là 12V). GV tiến hành lắp ráp thử 1 motor vào mạch và HS theo dõi thao tác của tiến hành nối với nguồn điện cho HS xem và ghi GV. nhận. GV giao nhiệm vụ cho HS: Dựa vào mô hình xe HS tiến hành hoạt động robot đã thiết kế ở buổi học trước, HS tiếp tục nhóm và hoàn thành Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
87. 77 thực hiện lắp ráp thêm bộ não Arduino và kết nối nhiệm vụ, vẽ sơ đồ vào bộ não Arduino với các motor bánh xe. Phiếu học tập số 3 - GV yêu cầu HS tiến hành thực hiện và vẽ lại sơ nhiệm vụ 2. đồ kết nối theo như Phiếu học tập số 3 - nhiệm vụ 2. GV kiểm tra hoạt động lắp ráp của HS và hỗ trợ chỉnh sửa. Hoạt động khám phá 2.1.2: Lập trình điều khiển cho Arduino bằng mBlock. Tìm hiểu Sau khi các nhóm HS đã lắp ráp hoàn thiện bộ HS lắng nghe, tiếp thu. lập trình não Ardino cho xe robot, GV tiếp tục dẫn dắt HS: mBlock Để có yêu cầu bộ não Arduino điều khiển các bộ cho phận khác (ở đây là motor) thực thi nhiệm vụ Arduino. theo ý muốn của mình. Chúng ta sẽ cần lập trình (20 điều khiển cho nó. Và phần mềm lập trình chúng phút) ta sẽ sử dụng là phần mềm mBlock. Đây là phần mềm lập trình trực quan và đơn giản nhờ các thao tác kéo thả trên màn hình. (GV mở phần mềm và giới thiệu sơ qua về các mục của phần mềm trên màn hình). GV: (Vừa mở phần mềm vừa thực hiện thao tác) HS theo dõi thao tác của Đầu tiên chúng ta cần phải khởi tạo thiết bị và kết GV. nối với thiết bị. Ở cột Device, ta chọn Add → chọn mạch Arduino Uno. Tiếp theo ta cần kết nối đến thiết bị. Đầu tiên cắm cáp USB với mạch Arduino và với máy tính. Sau đó trên mBlock, ta chọn Connect → Chọn mạch Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh
88. 78 đã tìm thấy → Chọn Connect. (Nếu không tìm thấy mạch, các em hãy kiểm tra các đầu cắm kết nối). GV: Để lập trình Arduino, khối lệnh đầu tiên HS theo dõi thao tác của chúng ta cần có là khối lệnh: chọn tab Events → GV. chọn khối lệnh “When Arduino Uno starts up” và Lắng nghe, tiếp thu. kéo thả vào khung giữa màn hình. Hoàn thiện vào Phiếu Khối lệnh này có nhiệm vụ khởi động chương học tập số 4 – nhiệm trình trên Arduino. vụ 1. Để điều khiển một động cơ bất kì. Ví dụ ta cần điều khiển motor kết nối với cổng M1 tiến vế phía trước. Ta sẽ kéo khối lệnh: Trong đó, thông số motor là tên cổng motor kết nối với motor (M1, M2, M3, M4), thông số power là mức công suất của motor. Có giá trị từ 0%–100% Tương tự, để điều khiển motor đi lùi về phía sau, ta sẽ cần khối lệnh: Để dừng motor đang quay, ta dùng khối lệnh: Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Đức Anh