Khóa luận Vận dụng quy trình 6E trong dạy học vật lý trung học cơ sở theo định hướng STEM thông qua chủ đề chậu cây thông minh

Nội dung text: Khóa luận Vận dụng quy trình 6E trong dạy học vật lý trung học cơ sở theo định hướng STEM thông qua chủ đề chậu cây thông minh

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP VẬN DỤNG QUY TRÌNH 6E TRONG DẠY HỌC VẬT LÝ TRUNG HỌC CƠ SỞ THEO ĐỊNH HƯỚNG STEM THÔNG QUA CHỦ ĐỀ CHẬU CÂY THÔNG MINH GV hướng dẫn: Th.S Lê Hải Mỹ Ngân Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Minh Thảo MSSV: 41.01.102.088 TP. Hồ Chí Minh, 2019
2. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến cô Lê Hải Mỹ Ngân, người đã luôn tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành khoá luận. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường, Phòng đào tạo, các thầy cô trong Khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện khoá luận này. Tôi cũng muốn nói lời cảm ơn đến thầy cô và 50 em học sinh (HS) của lớp 8 trường THCS Trần Văn Ơn đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực nghiệm sư phạm. Qua đây tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện khoá luận này. TP. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2019 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Minh Thảo i
3. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp MỤC LỤC Lời cảm ơn i Mục lục ii Danh mục các chữ viết tắt vi Danh mục các hình ảnh vii Mở đầu 1 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 1 3. Đối tượng nghiên cứu 1 4. Nội dung nghiên cứu và các vấn đề cần giải quyết 1 5. Cấu trúc khoá luận 2 Chương 1. Cơ sở lý luận về dạy học theo định hướng stem chủ đề Robotics và quy trình dạy học 6E 3 Giáo dục STEM 3 1.1.1 Khái niệm STEM và giáo dục STEM 3 1.1.2 Các cách tiếp cận dạy học tích hợp STEM 3 STEM Robotics 4 1.2.1 Giới thiệu về STEM Robotics 4 1.2.2 Lợi ích của việc áp dụng Robotics vào dạy học STEM 6 Quy trình dạy học 6E 6 1.3.1 Giới thiệu 6 1.3.2 Các giai đoạn theo quy trình dạy học 6E [6] 7 Năng lực giải quyết vấn đề 12 1.4.1 Khái niệm năng lực giải quyết vấn đề 12 1.4.2 Khung năng lực giải quyết vấn đề [4] 13 Kết luận chương 1 14 Chương 2. Phân tích nội dung và thiết kế tiến trình dạy học chủ đề Chậu cây thông mình 15 ii
4. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Mô tả chủ đề 15 Phân tích nội dung chủ đề trong chương trình phổ thông hiện hành 15 Tài liệu hỗ trợ dạy học chủ đề Chậu cây thông minh 16 2.3.1 Thông tin độ ẩm cho một số cây trồng 16 2.3.2 Công thức tính độ ẩm của đất 17 2.3.3 Sơ đồ tư duy thiết kế hệ thống tưới nước tự động 17 2.3.4 Cảm biến độ ẩm 18 2.3.4.1 Giới thiệu 18 2.3.4.2 Giá trị độ ẩm tương ứng với tín hiệu hiệu điện thế đầu ra AO 18 2.3.5 Máy bơm 20 2.3.5.1 Nguyên tắc hoạt động của máy bơm 20 2.3.5.2 Cách cấp nguồn cho máy bơm 21 2.3.5.3 Sử dụng nguồn 12V 21 2.3.5.4 Sử dụng nguồn 9V 21 2.3.5.5 Sử dụng nguồn 4.5V 21 2.3.6 Rơle 21 2.3.7 Uno Arduino 23 2.3.7.1 Thông tin chung 23 2.3.7.2 Nội dung lập trình cho chủ đề 24 2.3.7.3 Lập trình với mBlock 24 2.3.8 Sơ đồ kết nối các bộ phận của hệ thống tưới tự động 26 2.3.9 Bảng mạch đồng 26 2.3.10 Hệ thống tưới nước tự động 26 2.3.10.1 Bộ dụng cụ hệ thống tưới nước tự động 26 2.3.10.2 Dụng cụ khác 28 2.3.10.3 Quy trình lắp đặt và vận hành 28 Kế hoạch bài dạy 30 iii
5. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp 2.4.1 Định hướng thiết kế bài dạy 30 2.4.2 Kế hoạch tổng thể 30 Tiến trình dạy học 36 2.5.1 Giáo án buổi 1 - Độ ẩm của đất và cây trồng 36 2.5.2 Giáo án buổi 2 - Máy bơm, Rơle và Arduino 44 2.5.3 Giáo án buổi 3 - Người kỹ sư nhí 54 Kết luận chương 2 63 Chương 3. Thực nghiệm sư phạm 64 Mục tiêu, đối tượng, thời gian và phương pháp thực nghiệm sư phạm 64 3.1.1 Mục tiêu 64 3.1.2 Đối tượng và thời gian 64 3.1.3 Phương pháp thực nghiệm sư phạm 64 Kế hoạch thực nghiệm sư phạm 64 Diễn biến và phân tích diễn biến quá trình thực nghiệm 65 3.3.1 Diễn biến quá trình thực nghiệm 65 3.3.1.1 Diễn biến buổi 1 65 3.3.1.2 Diễn biến buổi 2 67 3.3.1.3 Diễn biến buổi 3 70 3.3.2 Phân tích diễn biến quá trình thực nghiệm 73 3.3.2.1 Phân tích buổi 1 73 3.3.2.2 Phân tích buổi 2 73 3.3.2.3 Phân tích buổi 3 74 Đánh giá kết quả thực nghiệm 74 3.4.1 Ý kiến của HS 74 3.4.2 Ý kiến của GV 75 Kết luận chương 3 78 Kết luận chung 79 iv
6. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Danh mục tài liệu tham khảo 80 Phục lục 81 v
7. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Chú giải GV Giáo viên HỌC SINH Học sinh BSCS Biological Sciences Curriculum Study STEM Center for Teaching and STEM – CTL Learning NGSS Next Generation Science Standards THCS Trung học cơ sở vi
8. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1. Sơ đồ tư duy thiết kế hệ thống tưới tự động 18 Hình 2.2. Cảm biến độ ẩm 18 Hình 2.3. Bộ thí nghiệm đo hiệu điện thế cảm biến độ ẩm 20 Hình 2.4. Máy bơm 20 Hình 2.5. Adapter DC 12V và jack đực có domino 21 Hình 2.6. Chân NO, COM và NC của rơle 21 Hình 2.7. Chân DC+, DC- và IN của rơle 22 Hình 2.8 Sơ đồ mô tả nguyên lí hoạt động của rơle 22 Hình 2.9. Sơ đồ mô tả hoạt động của role khi nối với máy bơm 23 Hình 2.10. Arduino Nano 23 Hình 2.11. Đoạn chương trình trên phần mềm lập trình Arduino 24 Hình 2.12. Sơ đồ kết nối các bộ phận 26 Hình 2.13. Mạch đồng được in và hàn một số chi tiết cơ bản 26 vii
9. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Theo Chỉ thị 16/CT-TTg ngày 4/5/2017 [1] về Tăng cường năng lực tiếp cận cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư (còn gọi là cách mạng công nghiệp 4.0), Thủ tướng Chính phủ có yêu cầu 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 STEM bên cạnh ngoại ngữ, tin học trong chương trình giáo dục phổ thông. Thủ tướng Chính phủ cũng đã giao trách nhiệm cho Bộ GD&ĐT thúc đẩy triển khai giáo dục STEM trong chương trình giáo dục phổ thông; tổ chức thí điểm tại một số trường phổ thông ngay từ năm học 2017-2018. Tại Việt Nam, từ năm 2014, Bộ Giáo dục và Đào tạo phối hợp cùng Hội đồng Anh triển khai chương trình thí điểm STEM ở một số trường trung học. Trong thời đại IoT và công nghệ 4.0 như hiện nay, mọi đồ vật, mọi thiết bị đều được kết nối với nhau qua mạng Internet, người dùng có thể điều khiển từ xa hay theo dõi hoạt động của các thiết bị ấy trên các thiết bị thông minh như smartphone, tablet, PC, Chủ đề Chậu cây thông minh giúp HS có thể kết hợp các thiết bị ứng dụng công nghệ hiện đại vào việc thiết kế hệ thống tưới tự động đơn giản cho chậu cây của mình. Bên cạnh đó, khi phân tích chương trình phổ thông hiện nay, chủ đề Chậu cây thông minh liên quan đến nội dung của một số phân môn và nội dung nhất định như Vật lí, Công nghệ, Sinh học và Tin học 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 chính khóa và hoạt động trải nghiệm ngoại khóa, từ đó cho thấy được tính phù hợp để xây dựng chủ đề theo định hướng dạy học STEM. 2. Mục tiêu nghiên cứu Vận dụng quy trình 6E trong dạy học vật lý THCS theo định hướng STEM thông qua chủ đề Chậu cây thông minh nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho HS. 3. Đối tượng nghiên cứu - Kiến thức về các thiết bị trong bộ sản phẩm Chậu cây thông minh - Lý luận và tổ chức dạy học STEM, STEM Robotics, quy trình 6E 4. Nội dung nghiên cứu và các vấn đề cần giải quyết - Tìm hiểu hệ thống lý thuyết về mô hình dạy học 6E kết hợp dạy học theo định hướng STEM, STEM Robotics. 1
10. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp - Phân tích và xây dựng nội dung chủ đề Chậu cây thông minh. - Thiết kế tổ chức dạy học chủ đề STEM Chậu cây thông minh theo quy trình dạy học 6E  Xây dựng một hệ thống các công cụ dạy học: thí nghiệm, video, tranh ảnh, phiếu bài tập, thông tin thêm  Thiết kế tiến trình dạy học để tổ chức các hoạt động - 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. 5. 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 lý luận về dạy học theo định hướng STEM chủ đề Robotics và quy trình dạy học 6E Chương 2: Phân tích nội dung và thiết kế tiến trình dạy học chủ đề Chậu cây thông minh Chương 3: Thực nghiệm sư phạm 2
11. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ DẠY HỌC THEO ĐỊNH HƯỚNG STEM CHỦ ĐỀ ROBOTICS VÀ QUY TRÌNH DẠY HỌC 6E Giáo dục STEM 1.1.1 Khái niệm STEM và giáo dục STEM STEM là chữ viết tắt của khoa học (Science), công nghệ (Technology), kỹ thuật (Engineering), toán học (Mathematics). Giáo dục STEM là phương thức giáo dục tích hợp. Khác với các loại hình giảng dạy truyền thống tử trước - có sự phân tách các môn học một cách riêng rẽ, giáo dục STEM kết hợp 2 hay nhiều môn học chính trên lớp kết hợp bốn thành tố khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học nhằm mục đích tập trung phát triển khả năng suy nghĩ, giải quyết tình huống trong thực tế [9]. Trong dự thảo chương trình giáo dục phổ thông tổng thể [2], giáo dục STEM đã được chú trọng thông qua các biểu hiện cụ thể như sau: - Chương trình giáo dục phổ thông mới có đầy đủ các môn học STEM: Toán học, Khoa học tự nhiên, Công nghệ, Tin học; - Vị trí vai trò của giáo dục tin học và giáo dục công nghệ trong chương trình giáo dục phổ thông mới được chú trọng hơn; - Các chủ đề STEM được thể hiện trong chương trình môn học tích hợp ở giai đoạn giáo dục cơ bản như các môn Tự nhiên và Xã hội , Khoa học, Tin học và Công nghệ (ở tiểu học), môn Khoa học tự nhiên (ở trung học cơ sở); - Định hướng đổi mới phương pháp giáo dục nêu trong chương trình giáo dục phổ thông tổng thể phù hợp với giáo dục STEM ở cấp độ dạy học tích hợp chủ đề liên môn, vận dụng kiến thức liên môn giải quyết các vấn đề thực tiễn; Như vậy giáo dục STEM hiện nay đang là một vấn đề rất được quan tâm đưa vào trường học – môi trường giáo dục chính thức. Giáo dục STEM đưa vào trường học dưới một trong ba hình thức: tích hợp đơn môn, tích hợp đa môn hoặc tích hợp liên môn [6, 7]. 1.1.2 Các cách tiếp cận dạy học tích hợp STEM - Đa ngành o Dạy học theo chủ đề o Bám sát vào chuẩn kiến thức o Chỉ xoay quanh chủ đề và không có mở rộng ngoài chủ đề - Liên ngành 3
12. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp o Kết hợp từ 2 môn học trở lên vào dạy học o Mục tiêu học tập là từ một khái niệm, hình thành các khái niệm mới hay học được một kỹ năng mới - Xuyên ngành o Kiến thức và kỹ năng được triển khai nhờ sự kết hợp từ hai hay nhiều thành tố STEM o Áp dụng cho các vấn đề, dự án thực tế o Hình thành sự hiểu biết sâu rộng về một khái niệm, kiến thức mới (David Lee EdTech, 26/7/2015) STEM Robotics 1.2.1 Giới thiệu về STEM Robotics Robotics là một nhánh liên kết giữa kỹ thuật và khoa học bao gồm các ngành như kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật thông tin, khoa học máy tính và các ngành khác. Theo định nghĩa của NASA, khoa học robot là lĩnh vực nghiên cứu về robot, trong đó robot được hiểu là các hệ thống máy móc có thể được sử dụng để thực hiện một nhiệm vụ. Robot có hai loại bao gồm robot tự vận hành (tự động hóa) theo chức năng đã thiết lập và robot có người điều khiển hoặc tác động để thực hiện một nhiệm vụ [10]. Đây là một định nghĩa khá cụ thể để tiếp cận về khoa học robot. Robotics liên quan đến việc thiết kế, xây dựng, vận hành và sử dụng robot, cũng như các hệ thống máy tính để điều khiển, thu nhận thông tin và xử lý thông tin. Lĩnh vực khoa học Robot là một hướng tiếp cận để cho HS thấy rằng kỹ thuật và công nghệ thông tin có thể thú vị bằng cách làm cho kiến thức trừu tượng trở nên cụ thể hoá. Từ định nghĩa về Robotics, ta thấy là lĩnh vực có sự giao thoa giữa khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học. Từ thiết kế và lập trình đến xây dựng một cỗ máy đều đòi hỏi kiến thức liên ngành cao và khiến HS trải qua một loạt các nhiệm vụ dựa trên việc thực hiện các hoạt động tìm hiểu. Robotics liên quan đến lập trình và điện tử, do đó nó là một phần không thể thiếu của STEM. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng Robotics là một trong những yếu tố thúc đẩy thành công nhất để khiến HS quan tâm đến các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và toán học. Thông qua các hoạt động, HS tích cực tham gia phát triển khả năng giao tiếp, tư duy phê phán và các kỹ năng hợp tác. Dựa vào vai trò của robot trong quá trình học, những dự án hay hoạt động về Robotics ở trường học được chia làm hai loại: 4
13. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp - Robot như là đối tượng học tập: Robot được dạy như một môn học riêng, có các chủ đề liên quan đến Robotics như thiết kế, xây dựng Robot, chương trình robot và trí tuệ nhân tạo. - Robot là công cụ cho học tập: Robot đóng vai trò như một công cụ học tập thường áp dụng cho dạy học liên môn, dạy học dự án trong các môn học Khoa học, toán học, tin học, công nghệ và cung cấp nhiều lợi ích mới cho giáo dục ở tất cả các cấp học. Trong những năm qua những dự án và sáng kiến giáo dục, giảng dạy Robotics được phát triển ở các trường đại học, trường trung học, tiểu học, các trung tâm hoặc các viện nghiên cứu giáo dục. - Nhóm Lifelong Kindergarten tại MIT Media đang phát triển nhiều dự án Robotics mở rộng từ sự khám phá cơ sở của chuyển động cơ học (Learning about Motion) đến học kỹ thuật bằng việc thiết kế Robot. Mục tiêu của họ là thu hút mọi người vào trải nghiệm học tập sáng tạo, đặc biệt là đối tượng mẫu giáo. - Mạng lưới Robo@Scuola của trường học ở Ấn Độ tập hợp thành một trường mạng độc quyền quốc gia từ bậc tiểu học đến trung học cơ sở. - Kama-Lin (vào năm 2006) lưu ý rằng mặc dù Robotics được sử dụng trong giáo dục khắp thế giới như là một công cụ học tập, nhưng nó chỉ được triển khai trong một số môi trường học tập đặc biệt nhất định. Thông qua nghiên cứu chất lượng các hoạt động, nhà nghiên cứu nhận thấy có rất nhiều lợi ích mà dạy học Robotics mang lại: công nghệ robot hỗ trợ cho HS luyện tập và học những kỹ năng cần thiết như kỹ năng hợp tác, khả năng nhận thức, sự tự tin, sự hiểu biết sâu rộng. - Những nghiên cứu khác tập trung vào tích hợp Robotics vào những giai đoạn đầu của giáo dục để phát triển các hoạt động thu hút HS và tạo môi trường luyện tập có hiệu quả. Việc xây dụng và lập trình một thiết bị liên quan đến Robot cho phép HS khám phá những hiện tượng cơ học như sự truyền chuyển động, chức năng của bánh rang, những dự án bảo vệ môi trường. (D Alimisis, 25/3/2009). Robotics là công cụ hỗ trợ đắt lực cho việc học tập của HS. Hơn 20 năm về trước, Robot lần tiên xuất hiện trong các lớp học ở Mỹ vì mục đích giáo dục. Ngoài các hoạt động ở trên lớp, nhiều cuộc thi, cuộc triển lãm về Robot diễn ra như Robotfest, Robot Cup, Robot Cup Junior là các cuộc thi quốc tế về Robot. Ngoài ra còn có các cuộc thi trong nước khác như ở Mỹ, cuộc thi The FISRT LEGO League đã thu hút 2800 nhóm 5
14. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp HS từ 9 đến 14 tuổi trên toàn thế giới. Ở châu Âu có các cuộc thi như RoboParty - được tổ chức bởi trường đại học Minho - thử thách người tham dự thiết kế robot từ ngôn ngữ lập trình scratch, CEABOT – cuộc thi về robot hình người tí hon, RobotChallenge – Robot tự động, Hiện nay, để hỗ trợ cho việc giảng dạy Robotics, trên thị trường xuất hiện nhiều bộ kit với mẫu mã đa dạng, phù hợp với từng mục đích sử dụng giảng dạy Robotics cao cấp như LEGO Mindstorm EV3, LEGO Creator Robot explore, LEGO Mindstorm NXT, STEM DIY Robot, 1.2.2 Lợi ích của việc áp dụng Robotics vào dạy học STEM - Tăng hứng thú và hoạt động: Trẻ em rất tò mò và muốn tương tác, tìm hiểu thế giới xung quanh. Thông qua chương trình lập trình và lắp ráp trẻ có thể thử nghiệm, vận hành mô hình, trẻ phải di chuyển, hoạt động rất nhiều chứ không ngồi một chỗ làm việc với màn hình máy tính. - Phát triển tư duy sáng tạo và tư duy phản biện: Lắp ráp Robot, thiết kế các chương trình là các hoạt động đặt trẻ vào vai một người kỹ sư lắp ráp và lập trình. Bằng cách tìm hiểu các động cơ, cảm biến, tạo ra những dự án, trẻ em có thể phát triển khả năng tưởng tượng và khơi gợi khả năng giải quyết vấn đề của chúng. - Phát triển kỹ năng làm việc nhóm, kỹ năng giao tiếp. - Phát triển kỹ năng thiết kế kỹ thuật. Quy trình dạy học 6E 1.3.1 Giới thiệu Tiền đề của mô hình dạy học 6E là quy trình dạy học 5E. Quy trình 5E là một quy trình dạy học do Biological Sciences Curriculum Study (BSCS) đặt ra vào năm 1980 nhằm giúp cho giáo viên (GV) dựa vào quy trình này để thiết kế tiến trình dạy học với mục tiêu rèn luyện cho HS các kỹ năng của thế kỷ 21 đặt ra như khả năng thích ứng với môi trường, kỹ năng giao tiếp xã hội, kỹ năng giải quyết vấn đề, khả năng tự quản lý, khả năng tư duy [9]. 5E là viết tắt của 5 chữ E đó cũng chính là 5 giai đoạn áp dụng vào thiết kế tiến trình dạy học, bao gồm Engage – gây hứng thú, Explore – khám phá, Explain – giải thích, Enrich – làm phong phú, Evaluate – đánh giá. Vào năm 2004 ITEEA’s STEM Center for Teaching and Learning (STEM – CTL) đã chọn mô hình giảng dạy 5E của BSCS. Những tiêu chuẩn giảng dạy trong chương trình Engeneering by DeSIGN™ Model được phát triển theo khung chuẩn BSCS. 6
15. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp The Next Generation Science Standards (NGSS) nhấn mạnh việc thực hành thiết kế kỹ thuật như một kỹ năng là một bộ phận không thể thiếu trong giáo dục khoa học mà mọi HS nên học [8]. NGSS đặt thiết kế kỹ thuật ngang với các nội dung học thuật các môn khoa học đặt ra trong chương trình giáo dục K12 của Mỹ. Điều này tạo cơ hội cho các chương trình, mô hình giáo dục phát triển, đặt biệt là STEM. Khi đó, tiêu chuẩn NGSS đã thúc đẩy việc tăng cường, làm nổi bật lên thành tố T và E trong STEM. STEM – CTL đề ra mô hình chuẩn của BSCS để đáp ứng NGSS. Tuy nhiên để tăng cường thành tố S và T trong STEM, từ mô hình 5E, họ đưa ra mô hình mới 6E thêm một yếu tố E thứ 6 là eNGINEER – kỹ thuật hoá. Ý tưởng xuất phát của của mô hình học tập 6E bởi DeSIGN™ là để phát triển một mô hình lấy HS làm trung tâm mà sẽ kết hợp giữa thiết kế và khám phá. Mô hình dạy học 5E đã được sử dụng trong nhiều năm. Khi đưa vào giáo dục theo định hướng STEM, mô hình chưa làm rõ được yếu tố thiết kế kĩ thuật trong toàn bộ quy trình. Cuối cùng, mô hình mới thêm một yếu tố mới là e (được gọi là eNGINEER). Mô hình mới 6E trong đó chữ e – eNGINEER được đề xuất bổ sung vào bởi giáo sư Barry N. Burke. Một số nghiên cứu cũng được thực hiện để phát triển việc dạy học sử dụng mô hình 6E [5]. 1.3.2 Các giai đoạn theo quy trình dạy học 6E [6] Giai đoạn Mô tả Hoạt động HS Hoạt động GV Engage  Mục đích của giai đoạn  Làm quen với  Đặt câu hỏi. Engage là để gây sự các khái niệm.  Tập hợp tài chú ý của HS và làm  Kiểm tra sự liệu. cho HS tham gia vào hiểu biết.  Nghiên cứu và bài học và đánh giá sự  Làm rõ ý tưởng trình bày các hiểu biết. lớn và kết nối khái niệm  Trong quá trình trải với hiểu biết. chính. nghiệm, HS lần đầu tiên  Xác định  Kết nối việc bắt gặp và xác định những gì mình học với kiến nhiệm vụ được hướng biết, cần biết và thức và kinh dẫn. Trong suốt giai muốn tìm hiểu. nghiệm trước đoạn Engage, HS tạo  Góp phần xác đó của HS. sự kết nối giữa kiến định và phát  Mô tả quy thức cũ và kiến thức triển mục tiêu trình thiết kế. mới, thiết lập một nền cho các bài tảng có tổ chức cho học. 7
16. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp những hoạt động sắp  Nghiên cứu.  Giám sát tới. Mục đích là để khơi  Tương tác với hướng dẫn an gợi sự tò mò của HS và vật liệu và thiết toàn. khuyến khích các em tự bị.  Đánh giá sự đặt câu câu hỏi cho  Làm sổ ghi hiểu biết của chính mình (Bybee, chép, tài liệu cá HS đối với 1997). nhân. cách triển khai. Explore  Mục đích của giai đoạn  Hình thành  Giới thiệu các Explore là tạo cơ hội khái quát về khái niệm Mô cho HS tự xây dựng cho các khái niệm hình hóa (các bản thân kiến thức cho chính. tiêu chí, giới mỗi chủ đề.  Tham gia thảo hạn, tiên  Trong giai đoạn luận nhóm và đoán). Explore, HS có cơ hội lớp.  Lặp lại quy làm quen trực tiếp với  Tham gia vào trình thiết kế. hiện tượng và tài liệu. thực hiện các  Khuyến khích Khi các em làm việc hoạt động mẫu HS tham gia nhóm, HS có được (phân tích dự thảo luận. những kinh nghiệm đoán).  Sử dụng Câu thông qua chia sẻ và  So sánh dữ liệu hỏi Socratic - giao tiếp. GV đóng vai nhóm với các tìm hiểu sự trò là người hướng dẫn, tiêu chí và yêu hiểu biết của cung cấp tài liệu và cầu. HS, sau đó tìm định hướng cho HS.  Tạo các mục và hiểu thêm Chú trọng vào những phát triển các thông qua câu câu hỏi, nhấn mạnh vào câu hỏi bổ sung hỏi bổ sung. cách đặt câu hỏi, phân trong sổ ghi  Tạo điều kiện tích dữ liệu và tư duy chép. cho quá trình phản biện. Thông qua làm việc việc tự thiết kế hay nhóm. được hướng dẫn tìm tòi,  Khuyến khích HS đưa ra các giả ghi chép và thuyết, rồi tự kiểm tra phản hồi của những phán đoán của HS. 8
17. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp HS rồi tự rút ra kết luận cho riêng mình (Bybee, 1997). Explain  Mục đích của giai đoạn  Áp dụng các  Giới thiệu các Explain là tạo cho HS khái niệm, khái niệm của cơ hội để giải thích và nguyên tắc và chủ đề, sự cải thiện những gì HS lý thuyết liên tương tác, liên đã học được và xác định quan đến hệ kết của chúng được ý nghĩa của nó. thống. với nhau.  Explain là giai đoạn  Sử dụng mô  Sử dụng Câu mà người học bắt đầu hình hóa đưa hỏi Socratic - sử dụng ngôn ngữ của ra giải pháp tìm hiểu sự mình để diễn tả những cho vấn đề. hiểu biết của gì mà họ đã học được.  Dựa vào quy HS, sau đó tìm  Sự giao tiếp diễn ra trình thiết kế để hiểu thêm giữa các người học với hình thành các thông qua câu nhau, với người hướng giải thích. hỏi bổ sung. dẫn thông qua việc  Tạo các mục và  Hướng dẫn tương tác qua các hoạt giải thích các lớp học thảo động và các câu hỏi. khái niệm luận. Giai đoạn Explain giới trong sổ ghi  Làm chính xác thiệu khái niệm liên chép. các khái niệm. quan đến vấn đề và sửa  Sử dụng các hỗ  Cung cấp chữa hay định hướng trợ từ công nguồn tài liệu lại những quan niệm nghệ thông tin thích hợp. sai. (Bybee, 1997). và các kỹ năng  Đặt ra các câu của bản thân. hỏi mở rộng chủ đề.  Khuyến khích sự ghi chép và phản hồi từ HS. Engineering  Mục đích của giai đoạn  Áp dụng các  Giói thiệu các eNGINEER là cho HS khái niệm, khái niệm liên cơ hội hiểu biết sâu hơn nguyên tắc và quan đến việc 9
18. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp về các vấn đề bằng cách lý thuyết liên thiết kế và tư vận dụng các khái niệm quan đến Thiết liệu, mô tả sự và kỹ năng của mình. kế và Tài liệu tương tác kết HS sử dụng các khái hướng dẫn đưa nối giữa niệm đã học được về ra quyết định. chúng. thế giới tự nhiên và áp  Thiết kế, mô  Lặp lại quy dụng vào đời sống cộng hình hóa để trình thiết kế. đồng. phát triển tình  Tạo điều kiện  eNGINEER là giai huống có vấn cho HS học đoạn học tập mà người đề. tập thông qua học sử dụng những gì  Sử dụng sự inquiry và đã khám phá và tích sáng tạo để thiết kế. hợp nó vào các khái thiết kế và xây  Xây dựng sự niệm để đưa ra những dựng các giải hiểu biết về quyết định thiết kế pháp. các lỗi trong trong từng giải pháp.  Sử dụng Quy thiết kế. HS đưa ra những giải trình thiết kế để  Cung cấp cho pháp sáng tạo bằng kiểm tra và HS các nguồn cách sử dụng bảng thiết thiết kế lại các tư liệu áp dụng kế, hệ thống, mô hình, giải pháp theo các giải pháp các nguồn tài nguyên các tiêu chí và kỹ thuật. và giá trị con người làm giới hạn đã đưa  Hướng dẫn HS cơ sở cho sự phát triển, ra. áp dụng các xây dựng, cải tiến, đánh  Xác định các phương pháp giá và thiết kế lại. ”Các vấn đề và sử kiểm tra đánh tài liệu được sử dụng dụng Mô hình gia. trong giai đoạn này hóa để dự đoán  Khuyến khích được thiết kế để làm các giải pháp. ghi chép và tăng cường việc học  Đặt ra câu hỏi đổi mới sáng toán và các môn khoa “sẽ ra sao nếu” tạo. học khác và các môn vào các vấn đề học chính khác và tận khác. dụng những vật liệu có  Kiểm soát chất sẵn tích hợp với kỹ lượng của các thuật” 10
19. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp giải pháp thiết kế.  Tạo các mục và giải thích sự liên kết trong khâu eNGINEERing trong sổ ghi chép. Enrich  Mục đích của giai đoạn  Hiểu quy trình  Cung cấp cho ENRICH là tạo cơ hội thiết kế và áp HS các tài cho HS khám phá sâu dụng cho các nguyên để xác hơn về những gì mà họ tình huống định các ứng đã được học và chuyển mới. dụng mới. từ khái niệm sang  Làm phong  Đặt ra câu hỏi những vấn đề phức tạp phú thêm sự để đảm bảo hơn. hiểu biết về các giải quyết các  Enrich là giai đoạn mà khái niệm vấn đề cho các người học có thể trong quá trình tình huống chuyển sự hiểu biết và ý eNGINEERing rộng hơn. nghĩ tới những tình cho các bối  Hướng dẫn HS huống mới và ứng dụng cảnh và vấn đề giao tiếp hiệu mới. HS hiểu và có thể khác nhau. quả thông qua sử dụng các khái niệm,  Tiến hành phiếu học tập, chuyển hóa những gì đã nghiên cứu sổ ghi chép. học được áp dụng vào sâu. những tình huống mới  Ghi nhận dữ va những vấn đề mới. liệu vào sổ ghi chép. Evaluate  Mục đích của giai đoạn  Thể hiện sự  Sử dụng các Evaluate là để cho HS hiểu biết về các công cụ đánh lẫn GV xác định việc khái niệm và giá trước để học và hiểu đã diễn ra sử dụng chúng. xác định nhu như thế nào. cầu, mong 11
20. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp  Evaluate, chữ “E” cuối  Tự đánh giá để muốn và thiếu cùng, là một quá trình xác định xem sót của HS. đánh giá không ngừng, bản thân đã  Đảm bảo rằng cho phép GV xem học, những gì việc học của người học đã hiểu được cần học hoặc HS dựa trên về các khái niệm và muốn. chuẩn Stem – kiến thức. Sự ước lượng  tìm hiểu trong CTL và và đánh giá không tách giai đoạn NGSS. rời mà phải diễn ra Engage và thực  Sử dụng nhiều đồng thời (trong mọi hiện tự đánh công cụ đánh giai đoạn) liên tục trong giá đan xem giá quá trình suốt quá trình hướng trong từng giai trong mỗi giai dẫn. Một số công cụ hỗ đoạn. đoạn. trợ trong quá trình đánh  Hoàn thành các  Giải thích về giá là các phiếu tự đánh hoạt động đánh các công cụ giá, sự quan sát của giá theo các đánh giá. GV, các cuộc phỏng bảng đánh giá  Cung cấp vấn HS, và các sản được thiết lập. thông tin phản phẩm học tập theo  Sử dụng sổ ghi hồi việc đánh chuyên đề và theo dự chép để cung giá HS. án. Việc phân tích cấp tiến trình  Sử dụng các video bài giảng có thể các hoạt động công cụ đánh sử dụng để xác định đã thực hiện và giá hiệu quả. mức độ hiểu biết của các mục tiêu HS. HS sẽ hứng thú với học tập. việc thể hiện những hiểu biết của mình thông qua các bào chí, bản vẽ, mô hình và các nhiệm vụ. Năng lực giải quyết vấn đề 1.4.1 Khái niệm năng lực giải quyết vấn đề Theo PISA 2012 định nghĩa năng lực giải quyết vấn đề là năng lực được thể hiện trong quá trình nhận thức của cá nhân để hiểu và giải quyết các tình huống có vấn đề. 12
21. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Chỉ cần đưa ra biện pháp chung để giải quyết tình huống, không cần phải nêu rõ phương pháp ngay lập tức [5] 1.4.2 Khung năng lực giải quyết vấn đề [4] NL Thành tố Biểu hiện giải Khám phá và hiểu  Nhận dạng tình huống quyết vấn đề trong thực tiễn  Phát biểu vấn đề vấn đề  Xác định giải thích thông tin về tình huống thực tiễn Trình bày, phát  Sử dụng các cách khác nhau để diễn đạt vấn biểu vấn đề dưới dạng đề bài toán khoa học có  Nhận ra được các nhiện vụ bộ phận của vấn thể giải quyết được đề Đề xuất giải pháp Chỉ ra đích cuối cùng, mục tiêu của từng giai đoạn để giải quyết, chỉ ra chiến lược giải quyết vấn đề, các bước cần thực hiện, các kiến thức cần huy động Thực hiện giải pháp Thực hiện được các giải pháp theo các bước đã đề ra: huy động nguồn lực, tìm kiếm thông tin, kiến thức đã biết Đánh giá và điều  Đánh giá giải pháp chỉnh giải pháp  Điều chỉnh giải pháp  Rút ra kết luận 13
22. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Giáo dục STEM chủ đề Robotics đóng vai trò quan trọng và xuất hiện càng nhiều trong công tác giáo dục HS ở tất cả các cấp lớp. Giáo dục STEM chủ đề Robotics giúp HS hứng thú hơn trong việc học, rèn luyện các kỹ năng như làm việc nhóm, giao tiếp, tư duy, bồi dưỡng năng lực sáng tạo trong các hoạt động cụ thể nhằm tự giải quyết được các vấn đề mà các em gặp phải trong thực tế. Với các hoạt động trải nghiệm HS không chỉ học những kiến thức mà còn từ những kiến thức đó áp dụng vào các hoạt động như làm thí nghiệm, thiết kế, xây dựng, chế tạo mô hình, trình bày sản phẩm, Qua đó, HS được tiếp cận với công nghệ, kỹ thuật hiện đại trên thế giới, giao lưu với nhau qua các lớp học, các cuộc thi, các cuộc triễn lãm. Để hỗ trợ cho công tác giáo dục STEM cho GV, có rất nhiều biện pháp, công cụ, quy trình mẫu được đưa ra một trong số đó là quy trình 6E. Dựa vào quy trình 6E, GV có thể soạn tiến trình dạy học đáp ứng được việc rèn luyện các kỹ năng và tăng sự hứng thú cho HS. Đặc biệt, việc thiết kế các hoạt động theo quy trình này sẽ làm nổi bật lên hai thành tố T và E trong STEM mà hiện nay chính sách về giáo dục đang quan tâm và đẩy mạnh. Như vậy để phát huy hơn nữa những ưu điểm của STEM mang lại cho HS, GV có thể xây dựng tiến trình dạy học theo quy trình 6E và áp dụng chủ đề Robotics vào trong dạy học chủ đề. 14
23. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH NỘI DUNG VÀ THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH DẠY HỌC CHỦ ĐỀ CHẬU CÂY THÔNG MÌNH Mô tả chủ đề Mỗi loại cây trồng sẽ cần một mức độ độ ẩm phù hợp cần được duy trì để đảm bảo cho sự tăng trưởng tốt cho cây. Một hệ thống tưới cây tự động hóa để tự cung cấp nước đảm bảo mức độ ẩm cần thiết là một nhu cầu cần thiết trong một số gia đình hiện nay, đặc biệt khi họ đặt cây ở ngoài ban công, nơi có nắng, gió, mưa và có thể làm ảnh hưởng đến cây. Trong chủ đề này, HS tìm hiểu về nhu cầu của cây, đồng thời thiết kế một hệ thống tưới cây tự động hóa để có thể thiết lập việc cung cấp nước duy trì độ ẩm cần thiết cho cây. Phân tích nội dung chủ đề trong chương trình phổ thông hiện hành Môn Khối Bài Nội dung Vật lý Lớp 7 Bài 19: Dòng điện. - Nguồn điện có khả năng cung cấp Nguồn điện dòng điện để các thiết bị điện hoạt động. - Pin là một nguồn điện. Bài 25: Hiệu điện - Đơn vị hiệu điện thế. thế - Trên mỗi nguồn điện (pin) có ghi một giá trị hiệu điện thế khác nhau. - Dùng vôn kế để đo được hiệu điện thế. Bài 26: Hiệu điện - Trong mạch điện kín, hiệu điện thế thế giữa hai đầu giữa hai đầu bóng đèn tạo ra dòng điện dụng cụ dùng điện chạy trong bóng đèn đó. - Đối với một bóng đèn nhất định, hiệu điện thế giữa hai đầu bóng đèn càng lớn thì dòng điện chạy qua bóng đèn càng lớn. - Số vôn ghi trên mỗi dụng cụ điện cho biết hiệu điện thế định mức để dụng cụ đó hoạt động bình thường. Phần mở rộng Có thể em chưa biết - Mỗi thiết bị điện cần cấp một giá trị hiệu điện thế nhất định để chúng hoạt động bình thường. 15
24. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp - Nếu cấp dưới giá trị này các thiết bị ấy hoạt động yếu hơn bình thường. Bài 27, 28: Thực - Biết cách sử dụng vôn kế đo hiệu điện hành đo hiệu điện thế hai đầu thiết bị điện. thế và cường độ dòng điện Công Lớp 7 Bài 19: Các biện - Cây cần nước để sinh trưởng và phát nghệ pháp chăm sóc cây triển, vì vậy cần phải tưới nước đầy đủ trồng và kịp thời. - Cây trồng rất cần nước, tuy nhiên nếu thừa nước sẽ gây ngập úng và cây trồng sẽ dễ bị chết. Tin Lớp 8 Bài 1: Máy tính và - Con người chỉ dẫn cho máy tính thực học chương trình máy hiện công việc thông qua các lệnh. tính - Viết chương trình là hướng dẫn máy tính thực hiện các công việc giải một bài toán cụ thể. - Ngôn ngữ dùng để viết các chương trình máy tính được gọi là ngôn ngữ lập trình. Bài 6: Câu lệnh - Cấu trúc câu lệnh điều kiện là if then else . Tài liệu hỗ trợ dạy học chủ đề Chậu cây thông minh 2.3.1 Thông tin độ ẩm cho một số cây trồng Link tham khảo: vegetables.html Độ ẩm Tên loại cây 21% - 40% 41% - 60% 61% - 80% Dâu tây x Hoa đồng tiền x Cỏ trái tim x Cây sống đời x 16
25. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Cây hoa cúc x Cây cẩm nhung x 2.3.2 Công thức tính độ ẩm của đất Xét một mẫu đất cần xác định độ ẩm, theo phương pháp xác định độ ẩm của đất của Office of Environment and Heritage – Văn phòng môi trường và Di sản New South Wales, công thức tính độ ẩm của mẫu đất là 푊 − 푊 % = 2 3 100 푊3 − 푊1 Với (moisture content): độ ẩm của đất 푊1: khối lượng lọ chứa 푊2: khối lượng của đất cần tính độ ẩm và lọ chứa 푊3: khối lượng đất đã sấy khô và lọ chứa Theo công thức, ta thấy: 푊3 − 푊1 = đấ푡 ℎô Nếu xem như đất sấy khô không còn chứa nước thì 푊2 − 푊3 = đấ푡 ầ푛 푡í푛ℎ − đấ푡 ℎô = 푛ướ Từ đó ta có công thức tính độ ẩm được ghi lại như sau: % = 푛ướ ∗ 100 đấ푡 ℎô 2.3.3 Sơ đồ tư duy thiết kế hệ thống tưới nước tự động Yêu cầu đặt ra cho hệ thống là duy trì độ ẩm cho cây. Vậy làm sao duy trì được độ ẩm cho cây?. Để dảm bảo được độ ẩm của đất, chúng ta cần phải biết thông tin độ ẩm của đất từ đó sẽ tác động đến việc tưới nước, tức là khi đất thiếu nước, cụ thể là độ ẩm nhỏ hơn giá trị độ ẩm đất cần cho cây thì ta sẽ tưới nước. Để ghi nhận được thông tin này ta sử dụng cảm biến độ ẩm đất. Để thực hiện việc cung cấp nước cho cây một cách tự động, ta dùng máy bơm. Khi độ ẩm dưới giá trị độ ẩm cần cho cây thì máy bơm sẽ hoạt động. Hai thiết bị này tách rời lẫn nhau, để kết nối thông tin từ cảm biến đến máy bơm để vận hành tự động ta sử dụng Arduino và rơle để xử lí thông tin và điều khiển máy bơm. 17
26. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Hình 2.1. Sơ đồ tư duy thiết kế hệ thống tưới tự động 2.3.4 Cảm biến độ ẩm 2.3.4.1 Giới thiệu Cảm biến độ ẩm là thiết bị ghi nhận tín hiệu lượng nước có trong đất dựa trên tính chất dẫn điện của đất. Cảm biến độ ẩm có 2 bộ phận chính: - Bộ phận (1) cắm vào đất để nhận tín hiệu từ đất - Bộ phận (2) gồm có 4 chân: AO, DO, GND, VCC Bộ phận cắm vào đất sẽ nhận các tín hiệu từ đất và gửi vào AO dưới hình thức là giá trị điện thế. Hình 2.2. Cảm biến độ ẩm 2.3.4.2 Giá trị độ ẩm tương ứng với tín hiệu hiệu điện thế đầu ra AO 2.3.4.2.1 Xác định hiệu điện thế AO của cảm biến độ ẩm ứng với các giá trị độ ẩm xách định của đất Bước 1. Xác định khối lượng đất khô - Xác định khối lượng lọ khi không chứa đất: đ1 - Cho đất vào lọ 18
27. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp - Xác định khối lượng lọ chứa có đất: đ2 - Tính khối lượng đất khô: đấ푡 ℎô = đ2 − đ1 Bước 2. Xác định hiệu điện thế xuất ra trên AO của cảm biến độ ẩm ứng với giá trị độ ẩm bằng 0 - Ghim cảm biến độ ẩm vào đất - Dùng đồng hồ đo đa năng:  Cực – của đồng hồ nối với chốt GND trên cảm biến  Cực + của đồng hồ nối với chốt AO trên cảm biến - Đọc và ghi lại giá trị hiển thị trên đồng hồ Bước 3. Tính lượng nước cần thiết để đất dạt được độ ẩm yêu cầu - Ta có công thức tính độ ẩm của đất % = 푛ướ ∗ 100 đấ푡 ℎô - Từ khối lượng đất đã xác định ở Bước 1, ta suy ra khối lượng nước cần có trong đất để đất đạt được độ ẩm nhất định. Bước 4. Xác định hiệu điện thế AO của cảm biến độ ẩm ứng với các giá trị độ ẩm xác định (tương tự Bước 2) Lưu ý: mnước là khối lượng nước chứa trong đất khô, vì vậy sau mỗi lần xác định xong giá trị hiệu điện thế và khối lượng nước cần có trong đất để đất đạt độ ẩm D% thì phải xác định lượng nước cần tưới thêm vào đất bằng cách lấy khối lượng nước cần có trong đất được tính ở Bước 3 trừ đi khối lượng nước đã tưới trong đất và trừ đi khối lượng lọ chứa nước Bảng số liệu đ1 = ⋯ ; đ2 = ⋯ ; đấ푡 ℎô = đ2 − đ1 = ⋯ 푛ướ = 1 / 푙 Hiệu điện thế (mV) Độ ẩm 풏ướ 풕풉ê 풗à풐 풏ướ 풕풓풐풏품 đấ풕 Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung (g) (g) bình 40% 50% 60% 70% 80% 19
28. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp 2.3.4.2.2 Bảng số liệu mẫu Độ ẩm Hiệu điện thế (V) 40% 0.091 50% 0.046 60% 0.027 70% 0.032 80% 0.056 Bộ thí nghiệm đo hiệu điện thế cảm biến độ ẩm Hình 2.3. Bộ thí nghiệm đo hiệu điện thế cảm biến độ ẩm 2.3.5 Máy bơm 2.3.5.1 Nguyên tắc hoạt động của máy bơm - Hiệu điện thế định mức 12V - Bộ phận chính là một motor để bơm và xả nước. Một ống dùng để hút nước và một ống dùng xả nước ra ngoài. Hình 2.4. Máy bơm 20
29. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp 2.3.5.2 Cách cấp nguồn cho máy bơm 2.3.5.3 Sử dụng nguồn 12V Hình 2.5. Adapter DC 12V và jack đực có domino Để tạo ra nguồn 12V, ta sử dụng Adapter 12V DC.  Nối hai đầu của máy bơm vào jack đực có domino, chú ý nối đúng cực.  Cắm Adapter vào nguồn điện để cấp nguồn 12V cho máy bơm. 2.3.5.4 Sử dụng nguồn 9V Nguồn 9V bao gồm pin 9V và nắp pin được nối dây cái ra ngoài. Để cấp nguồn 9V ta nối hai đầu của máy bơm (hai đầu đực) vào hay đầu cái của nắp pin 2.3.5.5 Sử dụng nguồn 4.5V Nguồn 4,5V bao gồm khay pin và 3 pin 1,5V. Cấp nguồn tương tự nguồn 9V. 2.3.6 Rơle Chức năng của Rơle như một khoá gồm 6 chân. Ba chân COM, NO, NC. Một chân COM và NO hoặc NC sẽ được nối với máy bơm và nguồn cấp điện cho máy bơm. Hình 2.6. Chân NO, COM và NC của rơle Ba chân còn lại IN, DC+, DC- với chân IN nhận tín hiệu đầu vào để kích hoặc không kích rơle, chân DC+ và DC- nối với nguồn điện 21
30. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Hình 2.7. Chân DC+, DC- và IN của rơle Sơ đồ mạch điện và nguyên tắc hoạt động của Rơle Hình 2.8 Sơ đồ mô tả nguyên lí hoạt động của rơle Hai đầu máy bơm nối với COM và NO hoặc NC trên rơle, trong trường hợp này nối với NO để khi có tín hiệu máy bơm mới hoạt động. Thông thường, trong các rơle, NC (Normally Close) nối với COM. GV có thể kiểm tra hoặc giới thiệu cách kiểm tra COM đang nối với NO hay NC bằng đồng hồ đo điện. Máy bơm và nguồn cấp điện cho máy bơm phải được nối vào chân COM và một chân NO hoặc NC. Điều kiện chọn NO hoặc NC là lúc chưa kích rơle hoạt động, COM chưa nối với chân nào thì chọn chân đó để nối. Ví dụ như trong hình chân COM chưa nối với NO thì sẽ cho nối máy bơm với NO và COM. 22
31. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Hình 2.9. Sơ đồ mô tả hoạt động của role khi nối với máy bơm 2.3.7 Uno Arduino 2.3.7.1 Thông tin chung Hình 2.10. Arduino Nano Điện áp đầu vào 6V-20V có nghĩa là cấp nguồn cho Arduino từ 6V đến 20V thì Arduino hoạt động bình thường. 23
32. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp 2.3.7.2 Nội dung lập trình cho chủ đề Hình 2.11. Đoạn chương trình trên phần mềm lập trình Arduino Dựa vào bảng số liệu về giá trị hiệu điện thế mà HS đo được theo độ ẩm, HS sẽ thay đổi giá trị được tô vàng cho phù hợp với cây của mình. Tuy nhiên, Arduino không hiểu các giá trị dưới dạng điện thế mà thông tin truyền đến Arduino được mã hoá dưới dạng bit vì vậy giá trị tô vàng phải được thay bằng giá trị bit. HS thực hiện nhân chéo chia ngang để tìm ra giá trị tín hiệu bit cần thay thế vào khung vàng. 5V tương đương với 210 − 1 bit Khi độ ẩm tăng thì hiệu điện thế giảm hay tín hiệu bit giảm, như vậy điều kiện để tưới cây là giá trị độ ẩm nhỏ hơn ngưỡng hay giá trị hiệu điện thế và tín hiệu bit phải lớn hơn ngưỡng. Tên loài cây Độ ẩm Điện thế Tín hiệu bit Sống đời 30% 0.221 V 47 Cúc và cẩm 50% 0.046 V 9 nhung 2.3.7.3 Lập trình với mBlock Trong triển khai dạy học trên lớp, việc lập trình từng dòng lệnh sẽ dễ dẫn đến sai sót, gây ra lỗi, việc kiểm tra lỗi cho từng nhóm HS sẽ mất thời gian. Để khắc phục 24
33. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp vấn đề này, GV có thể sử dụng phần mềm lập trình mBlock theo hình thức scratch hay lập trình khối. Hướng dẫn sử dụng mBlock: Đoạn code sử dụng mBlock: Bước 1. Chọn Boards Arduino Nano Bước 2. Chọn Edit Arduino mode Bước 3. + Nhóm Robot và + Nhóm Operator + Nhóm Control và + Nhóm Data&Block Bước 4. Kết nối các thẻ lệnh và chỉnh sửa giá trị phù hợp với chậu cây của mình Bước 5. Kết nối với Arduino + Cắm cáp nối giữa Laptop và Arduino + Chọn Connect Serial Port COM . + Chọn Upload to Arduino Như vậy cả ba thiết bị đều cần nguồn cấp vào. Và để giải quyết vấn đề nguồn cho cả hệ thống ta kết hợp cấp 1 nguồn chung cho cả mạch. 25
34. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp 2.3.8 Sơ đồ kết nối các bộ phận của hệ thống tưới tự động Hình 2.12. Sơ đồ kết nối các bộ phận 2.3.9 Bảng mạch đồng Mạch đồng được thiết kế sẵn cho HS. Hình 2.13. Mạch đồng được in và hàn một số chi tiết cơ bản 2.3.10 Hệ thống tưới nước tự động 2.3.10.1 Bộ dụng cụ hệ thống tưới nước tự động STT Dụng cụ Số lượng Kích thước Ghi chú/ Hình vẽ Chậu cây kiểng nhỏ, có thể sử dụng trang trí. Gợi ý: sống đời, sen đá, 1 Chậu cây 1 cúc HS tự chuẩn bị hoặc GV sẽ chuẩn bị 26
35. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến độ 2 1 ẩm 3 Role 5V 1 Nano 4 1 Arduino 5 Nguồn 1 6 Công tắc 1 7 Header 1 8 Domino 4 27
36. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp 1 dim 4 chân, 1 dim 3 chân, 9 Dim 3 2 dim 15 chân 5 dây dài 10 Dây nối khoảng Dây dẫn và dây đực đực 10cm Motor máy 11 1 bơm 12V 12 Mạch đồng 1 8cm x 6cm Ống nhựa ∅ 8mm Tuỳ theo khoảng cách có thể thay đổi 13 mềm trong 2 Dài 30cm chiều dài ống suốt Tuỳ theo ý thích có thể thay bằng bất 14 Chai nước 1 500 ml, 1 lit cứ vật gì làm bình trữ nước 15 Ốc vít 4 bộ 2.3.10.2 Dụng cụ khác STT Dụng cụ Số lượng Kích thước Ghi chú/ Hình vẽ 1 Kiềm 1 2 Tua vít 1 Súng bắn 3 1 Để giữ cố định công tắc vào mạch keo 2.3.10.3 Quy trình lắp đặt và vận hành STT Thao tác Hình minh họa 28
37. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp 1 Lắp Role bằng cách bắt 4 ốc vít vào 4 đầu của Role 2 Cắm chân DC+, DC- và IN theo thứ tự lần lượt vào 3 chốt của dim 3 Nối hai đầu NO và COM vào chốt Domino 4 Lắp Arduino vào hai Dim 15 chân 5 Cắm pin vảo zack 29
38. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp 6 Lắp Cảm biến độ ẩm vào Dim 4 chân 7 Kết nối máy bơm và chạy thử Ở bước số 7, HS sẽ thử nghiệm trên đất khô để xem hệ thống hoạt động tưới và sau đó ngưng khi tưới đến độ ẩm thích hợp. Sau đó HS sẽ thiết kế, bố trí vị trí hệ thống, ống dẫn nước sao cho phù hợp với chậu cây của mình. Kế hoạch bài dạy 2.4.1 Định hướng thiết kế bài dạy Chủ đề được triển khai trong vòng 3 tiết. GV có hai phương án để tiến hành 3 tiết:  Phương án 1: Chủ đề thực hiện trong một buổi học hoàn chỉnh với thời lượng 3 giờ.  Phương án 2: Chủ đề được triển khai trong 3 buổi học, mỗi buổi 45 phút Do điều kiện thực nghiệm, cách triển khai giáo án sau đây sẽ theo phương án 2. 2.4.2 Kế hoạch tổng thể Chủ đề HỆ THỐNG TƯỚI TỰ ĐỘNG CHO CHẬU CÂY ĐỂ BÀN 30
39. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Đối tượng HS ;Lớp 7 - 8 Số lượng HS 5 HS/nhóm GV hướng dẫn Thời lượng 3 tiết (135 phút) hoặc 1 buổi học 3 giờ (150-180 phút) 1. Bộ thiết bị hệ thống tưới tự động (Tài liệu hướng dẫn Thiết bị 2.9.1) 2. Dụng cụ hỗ trợ khác (Tài liệu hướng dẫn 2.9.2) Cây trồng đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống của con người và nước là một thành tố quan trọng đảm bảo sự tồn tại và phát triển của cây trồng. Chủ đề giúp HS giải quyết vấn đề chăm sóc một chậu cây nhỏ khi vắng nhà một thời gian bằng cách tạo ra một hệ thống tưới tự động cho chậu cây nhỏ. Với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin cùng với những thiết bị máy móc đa dạng như cảm biến độ ẩm, động cơ máy bơm, rơle và lập trình Arduino, HS có thể thực hiện tìm hiểu cấu tạo, cách vận hành thiết bị, lắp ráp, lập trình cơ bản. Thông qua khám phá các hoạt Mô tả chủ đề động học tập, HS có thể rèn luyện kỹ năng đo đạc, xử lý số liệu, thao tác thí nghiệm, kỹ năng lắp ráp cơ bản. Bài học dựa trên quy trình 6E bao gồm: Khơi gợi và tạo hứng thú (Engaging), Khám phá (Exploring), Giải thích (Explaining), Thiết kế và chế tạo (Engineering), Mở rộng (Enrich) và Đánh giá (Evaluating). Học liệu cũng có nguồn gốc từ mô hình dạy học và phù hợp với HS cấp 2. Chủ đề theo định hướng khơi gợi để HS vận dụng kiến thức đã học hoặc tìm hiểu thêm kiến thức để giải quyết vấn đề, đồng thời HS được rèn luyện các thao tác kĩ thuật, hình thành tư duy giải quyết vấn đề trong cuộc sống. - Vật lý lớp 7: o Bài 19: Dòng điện. Nguồn điện o Bài 25: Hiệu điện thế o Bài 26: Hiệu điện thế giữa hai đầu dụng cụ dùng Các nội dung điện liên quan o Bài 27, 28: Thực hành đo hiệu điện thế và cường độ dòng điện - Công nghệ lớp 7: o Bài 19: Các biện pháp chăm sóc cây trồng - Tin học lớp 8: 31
40. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp o Bài 2: Làm quen với chương trình và ngôn ngữ lập trình o Bài 6: Câu lệnh điều kiện o Bài 7: Câu lệnh lặp  HS tiến hành tìm hiểu về độ ẩm đất, độ ẩm phù hợp với một số loại cây trồng  HS thiết kế cấu trúc hệ thống tưới tự động. Hoạt động của  HS hiểu được các hoạt động của cảm biến độ ẩm, động cơ HS máy bơm, role điều khiển, linh kiện hỗ trợ  HS tiến hành đo đạc hiệu điện thế đầu ra của cảm biến độ ẩm, lắp ráp và hàn các linh kiện vào mạch điện  HS bước đầu lập trình với Arduino Tài liệu hướng File hướng dẫn, hình ảnh, video, bộ thiết bị thực hành dẫn GV Kết nối, tạo hứng thú【Engaging】 1. HS giới thiệu về loại cây trồng đã chọn. 2. HS khẳng định vai trò quan trọng của nước trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây. 3. HS đề xuất một số biện pháp để cung cấp đủ nước cho cây khi vắng nhà. Tìm tòi, khám phá【Exploring】 1. HS hiểu nguyên tắc hoạt động của cảm biến độ ẩm, động cơ máy bơm, rơle và lập trình Arduino. 2. HS hiểu và đề xuất cách xác định độ ẩm của đất. Mục tiêu theo 3. HS biết cách sử dụng các linh kiện và thiết kế mạch điện quy trình 6E hệ thống tự động hóa. Giải thích 【Explaining】 1. HS giải thích được nguyên lí cơ bản của hệ thống tưới tự động. 2. HS trình bày rõ được vai trò và nhiệm vụ của các bộ phận chính của hệ thống tưới tự động cơ bản. Thực hành kĩ thuật【Engineering】 1. HS xác định được các linh kiện điện tử khác nhau và cách lắp đặt đúng vào vị trí trên bảng mạch đồng. 2. HS biết cách sử dụng tua-vit để lắp ráp, nối dây giữa các 32
41. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp linh kiện. 3. HS vận hành được hệ thống tưới tự động và nhận xét hiệu quả của sản phẩm. Mở rộng【Enriching】 1. HS suy nghĩ về phương án với hệ thống nhiều cây hơn. Đánh giá 【Evaluating】 1. HS tự đề xuất cải tiến đối với sản phẩm đã thực hiện. 2. HS có thể sử dụng mô hình hệ thống tưới tự động để chăm sóc cho chậu cây của bản thân. Buổi Nội dung học - GV giới thiệu vai trò của cây trồng và nhấn mạnh yếu tố nước đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của cây trồng. - GV cung cấp bảng độ ẩm thích hợp ứng với từng loại cây 1 trồng, và giới thiệu công thức độ ẩm. - GV đặt vấn đề và hình thành sơ đồ tư duy để thiết kế sản phẩm. Tiến - HS tìm hiểu về cảm biến độ ẩm và cách tiến hành đo hiệu trình điện thế đầu ra AO của cảm biến. dạy - GV nêu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ bơm học nước, rơle, giới thiệu lập trình Arduino. - GV giới thiệu phần mềm lập trình dạng scratch “mBlock”. 2 - GV giải thích ý nghĩa các thẻ lệnh trong chương trình và đưa ra chương trình mẫu. - HS tiến hành code và nạp code cho Arduino. - GV giới thiệu board đồng và cách tạo ra board đồng. - GV giới thiệu tên các linh kiện hỗ trợ để kết nối động cơ, 3 rơle, Arduino vào mạch đồng. - HS tiến hành lắp ráp các thiết bị vào mạch đồng. - GV tổ chức nhóm để HS hoàn thiện sản phẩm. 33
42. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Bảng tham khảo độ ẩm thích hợp với một số loại cây trồng Tài liệu tham khảo and-vegetables.html TIẾN TRÌNH DẠY HỌC Hoạt động dạy TG Học liệu Buổi 1 – Độ ẩm của đất và cây trồng Hoạt động 1. Khởi động 【Tạo hứng thú】【Khám phá】 1. Mỗi nhóm lần lượt giới thiệu về loại cây nhóm đã chọn trong vòng 1 phút.  tên loài cây 5  độ ẩm đất trồng thích hợp  công dụng của cây 2. HS xem hình ảnh và nhận xét nước đóng vai trò 2 quan trọng đối với cây trồng. Hướng dẫn 3. GV đưa ra bảng độ ẩm cho một số loại cây 5 GV 2.1 Hoạt động 2. Tạo tình huống có vấn đề 【Tạo hứng thú】 1. Tình huống: Ai cũng có những chuyến nghỉ ngơi dài hạn cùng gia đình bạn bè, khi đó những con vật cưng trong nhà thì được gửi đến nhờ bạn 2 bè, hàng xóm chăm sóc. Vậy những cây trồng trong nhà thì sẽ như thế nào? 2. HS thảo luận nhóm đề xuất phương án. HS vẽ 5 để thể hiện ý tưởng. 3. GV dẫn dắt vào chủ đề Một vài loại cây có thể chịu được một thời gian dài mà không cần nước, tuy nhiên có những 1 loại cây chúng ta phải tưới nước hằng ngày. Như vậy khi đi chơi, chúng ta vẫn phải đảm bảo cây 34
43. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp của chúng ta nhận đủ nước để tồn tại. GV đề cập về hệ thống tưới tự động. Hoạt động 3. Hình thành sơ đồ tư duy thiết kế hệ thống tưới tự động 【Khám phá】【Giải thích】 1. GV hình thành tư duy thiết kế sản phẩm hệ thống Hướng dẫn 5 tưới tự động thông qua sơ đồ. GV 2.2 Hoạt động 4. Tìm hiểu về cảm biến độ ẩm 【Khám phá】【Thiết kế, chế tạo】 Hướng dẫn 1. Giới thiệu cảm biến độ ẩm và công thức tính độ 3 GV 2.3.1 và ẩm đất 2.1 2. GV hướng dẫn HS đo hiệu điện thế đầu ra AO 3 trên cảm biến 3. HS thực hành đo giá trị hiệu điện thế đầu ra AO Hướng dẫn 12 ứng với giá trị độ ẩm. GV 2.3.2 GV tổng kết buổi 1. 2 Buổi 2 – Máy bơm, role, và Arduino Hoạt động 1. Tìm hiểu về máy bơm 【Khám phá】【Thiết kế, chế tạo】 Hướng dẫn 1. GV nêu nguyên tắc hoạt động của máy bơm 5 GV 2.4 2. HS khảo sát hoạt động của máy bơm ứng với hai Hướng dẫn giá trị hiệu điện thế nguồn cấp khác nhau và tìm 10 GV 2.4 đầu xả nước, đầu hút nước của máy bơm. Hoạt động 2. Tìm hiểu về rơle 【Khám phá】 1. GV đưa ra sơ đồ mạch điện và giải thích nguyên Hướng dẫn 5 tắc hoạt động của rơle. GV 2.5 Hoạt động 3. Giới thiệu về Arduino. 【Khám phá】 35
44. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Hướng dẫn 1. HS tìm hiểu về Arduino Nano 3 GV 2.6 2. GV giới thiệu và hướng dẫn HS sử dụng phần 2 mềm lập trình dưới dạng scratch “mBlock” 3. HS thực hành lập trình và nap code vào 10 Arduino. GV tổng kết buổi 2 10 Buổi 3 - Kỹ sư nhí Hoạt động 1. Xây dựng sơ đồ kết nối các bộ phận cho Hướng dẫn hệ thống tưới tự động 7 GV 2.7 【Khám phá】【Thiết kế, chế tạo】 Hoạt động 2. Giới thiệu mạch đồng 【Khám phá】【Thiết kế, chế tạo】 Hướng dẫn 1. GV giới thiệu board đồng (phíp đồng) 2 GV 2.8 2. GV chỉ ra vị trí các bộ phận cần được lắp trên 1 board mạch Hoạt động 3. Kỹ sư lắp ráp 【Thiết kế, chế tạo】 1. GV hướng dẫn HS bắt ốc, gắn Rơle vào board 3 Hướng dẫn 2. GV hướng dẫn nối dây giữa role và domino và 15 GV 2.9.3 lắp động cơ máy bơm, cảm biến Hoạt động 4. Chạy thử và vận hành sản phẩm 【Thiết kế, chế tạo】 1. HS cắm cảm biến vào đất và chạy thử trên đất 5 khô 2. HS thiết kế, áp dụng cho chậu cây của mình và 10 đánh giá sản phẩm GV tổng kết buổi 3 và cả chủ đề. 2 Tiến trình dạy học 2.5.1 Giáo án buổi 1 - Độ ẩm của đất và cây trồng Các môn STEM tích hợp: Sinh học, Vật lý 36
45. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp I. Mục tiêu 1. Kiến thức - Hiểu được công thức tính độ ẩm - Biết độ ẩm cho từng loại cây trồng - Biết cảm biến độ ẩm vả cách hoạt động của nó 2. Kỹ năng - Tạo ra được môi trường đất với các giá trị độ ẩm - Đo được hiệu điện thế AO của cảm biến độ ẩm ứng với các giá trị độ ẩm của đất II. Thiết bị Bộ dụng cụ cho mỗi nhóm gồm có: 1 chậu cây 1 que gỗ trộn đất 1 ống pipet 1 ly chứa đất 50g hoặc can đong đất khô 1 cảm biến độ ẩm 1 hộp đựng pin 1 đồng hồ đo Nước 3 pin 1.5V điện đa năng III. Tiến trình dạy học 37
46. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Hoạt động của GV Hoạt động của Ghi chú/ Dụng HS cụ cần thiết Hoạt động 1: Khởi động 【 Tạo hứng thú】【 Khám phá】 GV đố các con về tên, công dụng của một số 10 phút loại cây. Các con hãy đoán xem tên các loài 6 chậu cây cây mà cô có. Sau khi trồng cây mình phải làm gì nữa để giữ cho cây luôn tươi tốt? Chăm sóc, bón Việc quan trọng mà chúng ta cần làm mỗi phân, tưới ngày đó chính là tưới cây nhưng tưới như thế nước . nào cho hợp lý? Các con hãy nhìn hình ảnh. Một cây thiếu nước, một cây đủ nước, một cây dư nước. Các con thấy cây nào là tươi tốt nhất? Cây bị thiếu nước các con thấy nó như thế Cây ở giữa nào? Như vậy nước đóng vai trò rất quan Là úa, cây bị trọng đối với cây trồng. Nước là một thành tố quằng xuống rất cần cho cây, một số loại cây có thể chịu được khá lâu mà không cần nước, nhưng một số loài cây khác thì cần được chăm sóc hằng ngày. Như vậy muốn cây tươi tốt thì chúng ta phải tưới đủ nước cho cây hay nói cách khác mình phải giữ cho đất, nơi cây đang sống có một độ ẩm thích hợp. đất có nước Vậy cô hỏi các con hiểu độ ẩm của đất là gì? Đất ẩm tức là như thế nào? Độ có nghĩa là mức độ. Vậy độ ẩm là mức độ hay lượng nước có trong đất. Cây đậu xanh 38
47. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Nếu con trồng một cây xương rồng với một cây đậu xanh thì cây nào cần nước nhiều hơn? Như vậy mỗi loài cây sẽ cần một lượng nước khác nhau hay sẽ phát triển ổn định với mỗi Tưới nước loại đất có giá trị độ ẩm khác nhau. Đất không khô quá cũng không ẩm quá. Nếu độ ẩm đất dưới mức độ ẩm thích hợp thì mình cần làm gì cho cây? Nhìn vào Bảng giá trị Cô có 3 chậu cây bây giờ cô cho 3 nhóm, mỗi bảng và tra giá trị slide PPT nhóm 1 chậu (phát ngẫu nhiên). độ ẩm thích hợp Sau đây cô sẽ giới thiệu cho các con bảng độ ứng với loại cây ẩm thích hợp của đất cho một số loại cây. mà nhóm phụ Các con hãy nhìn vào bảng và tìm giá trị độ trách ẩm thích hợp cần duy trì cho đất trồng các loại cây mà cô đã đưa cho nhóm. Hoạt động 2: Xác định nhiệm vụ 【 Tạo hứng thú】 Giải sử gia đình đi chơi xa nhiều ngày, vậy 8 phút các con cần làm gì để giữ cho cây vẫn tươi xanh? Các con hãy thảo luận nhóm trong vòng 2 phút và đề ra các biện pháp làm cách Nhờ người nào để tưới cây vào những trường hợp mà khác/ bác hàng mình phải đi chơi hoặc vắng nhà? xóm tưới cây dùm Đúng rồi nhưng còn cách nào khác mà chúng ta không cần nhờ đến cô chú hàng xóm hoặc bạn bè chăm sóc cho cây? Một cách nào đó mà có thể giúp đỡ con người, thay thế con người làm việc này? (Ví dụ như con người ta không cần bật đèn mà khi bước vào phòng đèn tự động được bật lên, khi bước ra khỏi phòng đèn tự động tắt). Chủ đề STEM trong 3 tuần sắp tới đây, cô Hệ thống tự động sẽ hướng dẫn các con cùng chế tạo một hệ tưới nước cho cây. thống tưới nước tự động cho chậu cây nhỏ 39
48. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp để đảm bảo mức độ ẩm phù hợp cho một loại cây. Hoạt động 3: Hình thành sơ đồ tư duy về hệ thống tưới tự động 【 Khám phá】【 Giải thích】 Nhiệm vụ của chúng ta sẽ làm một hệ thống 5 phút tưới tự động để đảm bảo đất trồng cây luôn ở giá trị độ ẩm thích hợp. Mỗi nhóm đã biết giá trị độ ẩm cần cho cây của mình chưa? Từng nhóm có thể Muốn cho hệ thống này hoạt động hay nhắc lại giá trị. đơn giản muốn cho hệ thống hoạt động thì các con phải cung cấp cho nó dữ liệu để hoạt động. - Vậy dữ liệu cần cung cấp để hệ Đó là giá trị độ thống hoạt động tưới là gì? ẩm của đất. - Nếu dữ liệu độ ẩm đất thấp hơn giá Cung cấp nước trị độ ẩm thích hợp của cây trồng cho cây. Giới thiệu từng thì hệ thống sẽ như thế nào? chi tiết và - Làm thế nào để lấy được dữ liệu độ vẽ/chiếu các chi ẩm của đất? tiết tương ứng GV giới thiệu cảm biến độ ẩm. sử dụng thiết bị theo sơ đồ đo. Để tưới nước thì chúng ta cần sử dụng vật dụng gì? Vậy thì khi cảm biến nhận xong độ ẩm nó sẽ kêu mình xách xô đi Xô, bình tưới tưới. Nhưng mà mình đâu có ở nhà để HS đưa ra phương tưới. Đó là không tự động. Vậy tự động án tưới thì phải làm sao? Mình cần phải có máy bơm. Máy bơm giúp mình bơm nước đến cho cây. Đúng vậy, hệ thống sẽ nhận dữ liệu từ cảm biến để bật tắt máy bơm, tuy nhiên hệ thống không giống con người, nó cần có một 40
49. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp bộ phận để xử lý dữ liệu và thực hiện nhiệm vụ. Vậy thiết bị cần sử dụng để xử lí dữ liệu và thực hiện kích hoạt máy bơm mình sử dụng chính là Arduino và Rơle. Hệ thống tưới tự động của chúng ta sẽ bao gồm các thiết bị như trong sơ đồ và chúng ta sẽ lần lượt đi tìm hiểu từng thiết bị để xem chúng hoạt động như thế nào sau đó lắp ráp thành một hệ thống tưới tự động cho chậu cây của mình. Hoạt động 4: Tìm hiểu về cảm biến độ ẩm 【 Khám phá】【 Thiết kế, chế tạo】 Bộ phận thứ nhất chúng ta tìm hiểu là cảm 15 phút biến độ ẩm. Cảm biến độ ẩm là thiết bị ghi nhận tín hiệu lượng nước có trong đất dựa trên tính chất dẫn điện của đất. Cảm biến độ ẩm có 2 bộ phận chính: - Bộ phận (1) cắm vào đất để nhận tín hiệu từ đất - Bộ phận (2) gồm có 4 chân: AO, DO, GND (có nghĩa là GROUND tức là nối đất, VCC Bộ phận cắm vào đất sẽ nhận các tín hiệu từ đất và gửi vào AO dưới hình thức là giá trị 41
50. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp điện thế. Vậy thì cảm biến độ ẩm cho chúng ta giá trị hiệu điện thế chứ không phải là giá trị độ ẩm. Nhưng giá trị hiệu điện thế đó liên quan đến độ ẩm của đất nơi chúng ta cắm cảm biến độ ẩm vào. - Viên pin này có hiệu điện thế bao 1.5V nhiêu? Dùng pin 1.5V cho HS xem, mỗi nhóm 3 cục để sử dụng làm - Để đo hiệu điện thế thì chúng sử Vôn kế thí nghiệm dụng dụng cụ gì để đo? luôn. Chúng ta sử dụng Vôn kế cắm vào hai đầu AO và GND để đo hiệu điện thế cho ra của cảm biến. Tuy nhiên, muốn cung cấp điện cho một thiết bị hoạt động, ví dụ muốn cái đèn, cái tivi của con hoạt động thì con cần Cấp nguồn điện/ phải làm gì để cho có dòng điện chạy qua để bật tivi, bật đèn nó hoạt động?  Mình phải cấp điện cho cảm biến. Không vì nó chỉ Nguồn điện để cảm biến hoạt động có 1,5V nhỏ hơn hiệu điện thế cần có thể từ 3.8V đến 5V. Như vậy một cấp cục pin của các con có đủ không? Vì 3 viên sao? 4.5V  Mình cần gộp bao nhiêu viên pin lại để có được nguồn điện cho cảm biến? Mình sẽ mắc 3 cục pin ấy nối tiếp nhau để thành 4.5V khi đó lắp vào cảm biến sẽ hoạt động. Để mắc nối tiếp 3 cục pin đó cô có một hộp pin 3 ngăn để lắp vào. 42
51. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Bây giờ chúng ta sẽ thực hành đo một số giá trị hiệu điện thế ứng với các giá trị độ ẩm mà cô yêu cầu. Dụng cụ mỗi nhóm có bao gồm:100g đất khô, 1 ly nhựa, que gỗ, pipet, cảm biến độ ẩm, khay 3 pin (cảm biến đã được lắp pin vào), đồng hồ đa năng, đồng hổ này có thể đo được các giá trị hiệu điện thế. Thứ nhất, các nhóm tạo môi trường đất có độ ẩm cần đo. Thứ hai, đo hiệu điện thế đầu ra AO. Các con nhìn vào bảng số liệu trong phiếu học tập và điền giá trị độ ẩm cây trồng của các con vào, ví dụ độ ẩm mà cây trồng của các con phù hợp là từ 60-80% thì các con điền 3 giá trị 60%, 70% và 80% vào ba dòng của cột Độ ẩm. Ta có, công thức tính độ ẩm là GV làm trước % = 푛ướ ∗ 100 tất cả cho HS đấ푡 ℎô quan sát Ví dụ cô nói cô muốn tưới cây cho độ ẩm 0% của đất trong chậu cây là 60% tức là nếu cô xúc 100g đất khô thì lượng nước cô cần thêm vào là 60g. 40g Cô cho các nhóm là đất đã sấy khô hoàn toàn không chứa nước, như vậy theo công thức thì độ ẩm lúc này bằng bao nhiêu? 40ml Vậy đối với 100g đất khô, để tạo độ ẩm, cô vì dụ là 40%, thì mình cần thêm vào bao nhiêu gam nước? Mà khối lượng riêng của nước là 1g/ml tức là 1g nước tương ứng với 1ml nước, vậy 40g nước tương ứng với bao nhiêu ml nước? 43
52. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Các con có thể đong nước bằng Pipet nhựa có chia sẵn vạch thể tích. Và dùng que gỗ trộn đều hỗn hợp đất lên. Hoàn thành xong thứ nhất, các con đến giai đoạn 2 là đo hiệu điện thế. HS tiến hành Đầu tiên con cắm phần cọc nhọn của cảm thí nghiệm biến vào đất sao cho ngập cảm biến. Tiếp theo, một bạn giữ cho cảm biến đứng yên, một bạn dùng đồng hồ đo đa năng, một đầu của đồng hồ cắm vào chốt GND trên cảm biến, đầu còn lại cho tiếp xúc vào chân AO trên cảm biến, đợi 5s cho đồng hồ ổn đi và đọc số liệu ghi vào bảng. Đo 3 lần và ghi kết quả vào bảng. Mỗi nhóm sẽ cử nhóm trưởng lên nhận dụng cụ, các con có 12 phút cho hoạt động này. Hoạt động 4: Tổng kết Các nhóm hoàn thành bảng số liệu. 5 phút GV hỏi số liệu mà các nhóm đã đo được. Ngày hôm nay chúng ta đã tìm hiểu về cảm biến độ ẩm, đo được hiệu điện thế đầu ra của cảm biến. Tuần tới các con sẽ tiếp tục học về Máy bơm, Rơle và trở thành nhà lập trình Arduino. 2.5.2 Giáo án buổi 2 - Máy bơm, Rơle và Arduino Các môn STEM tích hợp: Vật lý, Tin học I. Mục tiêu 1. Kiến thức - Biết được máy bơm và cách sử dụng máy bơm - Biết được Rơle và công dụng của Rơle - Biết được Arduino 2. Kỹ năng 44
53. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp - So sánh khả năng hoạt động của máy bơm ứng với hai mức giá trị hiệu điện thế nguồn cung cấp - Xác định được đầu hút nước và đầu xả nước của máy bơm - Nhập được các câu lệnh và chỉnh sửa nội dung câu lệnh phù hợp với loại cây của nhóm II. Thiết bị x3 1 Motor máy bơm 2 2 đoạn ống nhựa 1 Hộp + pin 12V chai nước trong suốt 4.5V 1 Arduino Nano 1 laptop 1 cap nối laptop và Arduino III. Tiến trình dạy học Hoạt động của GV Hoạt động của Ghi chú/ Dụng HS cụ cần thiết Hoạt động 1: Nhắc lại nhiệm vụ và những điều đã tìm hiểu trong Buổi 1 【 Tạo hứng thú 】 Trong buổi trước chúng ta đã nêu được 5 phút biện pháp tưới cây trong trường hợp các con đi chơi xa, không thể tự tưới được, đó là tạo ra một hệ thống mang tên là gì? 45
54. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Hệ thống tưới tự động Vậy yêu cầu đặt ra cho hệ thống là phải duy trì độ ẩm cho cây. Vậy thì làm sao để duy trì Tưới nước độ ẩm cho cây? cho cây khi cần Tức là khi cây thiếu nước hay cụ thể là độ thiết ẩm của đất hiện tại nhỏ hơn giá trị cần thiết cho cây. Để duy trì được độ ẩm thì mình phải biết thông tin độ ẩm đất. Làm thế nào để ghi nhận giá trị độ ẩm? Mình đã làm thí nghiệm đo hiệu điện thế Dùng cảm đầu ra AO, các con đo được mấy lần. Đo 3 lần biến độ ẩm nhưng 3 lần thì ít quá mà đo ít như vậy thì sai số lớn. Vì vậy cô sẽ cung cấp giá trị hiệu điện 3 lần thế ứng với độ ẩm 50% và 70%. Các con thấy độ ẩm tăng thì giá trị hiệu điện thế này như thế nào? Nếu hiệu điện thế đất phải như thế Giảm nào so với hiệu điện thế ở độ ẩm 50% thì các con mới đi tưới nước? Các con ghi nhận số liệu này. Từng nhóm báo cáo và ghi lại trong phiếu. Lớn hơn Có giá trị độ ẩm rồi thì để thực hiện việc tự động cung cấp nước cho cây ta cần sử dụng dụng cụ gì? Máy bơm Vậy khi nào thì máy bơm cần hoạt động? nước Khi độ ẩm Làm thế nào kết nối thông tin từ cảm biến dưới giá trị độ với máy bơm để vận hành tự động? ẩm cần cho cây 46
55. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp thì máy bơm sẽ Như vậy cả hệ thống của chúng ta gồm có hoạt động. cảm biến độ ẩm, máy bơm nước, rơle và Sử dụng arduino. Trong buổi học trước, ta đã tìm hiểu Arduino và Rơle thành phần đầu tiên của hệ thống tưới tự động để xử lí thông tin đó là cảm biến độ ẩm đất. và điều khiển Và trong buổi học hôm nay các con sẽ máy bơm được tìm hiểu về các bộ phận còn lại của hệ thống. Hoạt động 2: Tìm hiểu hoạt động của máy bơm 【Khám phá】【Thiết kế, chế tạo】 Bộ phận tiếp theo là máy bơm. Công dụng của 20 phút máy bơm là gì? Để máy bơm hoạt động ta cần Bơm nước 1 Motor phải làm gì? Theo các con, với chiếc máy Cấp điện cho máy bơm bơm nhỏ gọn này thì chúng ta cần cung cấp máy bơm 12V cho máy bơm hiệu điện thế là bao nhiêu? Điện áp mà máy bơm hoạt động bình 2 đoạn thường là 12V. Điều này có nghĩa là nếu ta ống nhựa cấp nguồn 12V thì máy hoạt động bình trong thường còn cấp nguồn thấp hơn thì máy bơm suốt dẫn hoạt động yếu hơn. nước - Máy bơm gồm có 2 đầu, đầu hút nước 1 Hộp + và đầu xả nước. Làm cách nào để biết pin 4.5V đầu nào là hút nước, đầu nào là xả 1 Pin 9V nước? Chúng ta phải làm cho máy bơm 2 chai hoạt động. nước Muốn máy hoạt động thì phải cấp nguồn cho máy bơm, bao nhiêu volt thì máy bơm Chạy thử máy hoạt động bình thường? bơm Như vậy nếu cấp nguồn nhỏ hơn thì máy bơm có hoạt động được hay không? Chúng ta sẽ làm thí nghiệm với nhiệm vụ 12V đặt ra là: 47
56. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp  Khảo sát hoạt động của máy bơm dưới hiệu điện thế nguồn 4.5V và 9V và so sánh mức độ hoạt động mạnh yếu của máy bơm dưới hai hiệu điện thế nguồn.  Đánh dấu đầu hút nước và đầu xả nước. Dụng cụ cần thiết gồm: - Motor máy bơm 12V - Hộp pin và 3pin: 4.5V - Pin 9V - Ống nhựa trong suốt 2 đoạn - 2 chai nhựa có chứa nước khoảng ½ chai Hướng dẫn làm mẫu cách nối nguồn với máy bơm. Đầu tiên để máy bơm hoạt động ta phải cấp nguồn cho máy bơm. Để cấp nguồn 4,5V thì ta dùng một khay 3 pin như tiết trước đã dùng và nguồn 9V ở đây là 1 cục pin 9V. Sau đó các con cắm hai đầu ống dẫn nước vào hai chai nước đều có nước, và xem bên nào mực nước dâng lên thì đánh dấu và ghi chú lại ống bên đó là xả nước còn ống bên kia là hút nước. Để khảo sát mức độ hoạt động của máy bơm ứng với hai hiệu đỉện thế nguồn cung cấp ta sẽ so sánh tốc độ vận chuyển nước của máy bơm mà cụ thể là khảo sát với cùng một lượng nước so sánh thời gian máy bơm vận chuyển nước từ chai này sang chai kia ứng với từng 48
57. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp giá trị hiệu điện thế nguồn, tiến hành làm như sau: B1_ Làm đầy một chai nước và chai kia rỗng B2_ Cắm phần đầu hút nước vào trong chai đầy nước, đầu còn lại cắm vào chai không chứa nước B3_ Cấp nguồn cho máy bơm và đo thời gian máy bơm vận chuyển hết nước từ chai này sang chai kia. *Thực hiện với mỗi giá trị hiệu điện thế. Các con sẽ thực hành trong 10 phút Cô mời một bạn báo cáo kết quả thí nghiệm của nhóm con. Hoạt động 3: Tìm hiểu hoạt động Rơle 【 Khám phá】 Để bật tắt máy bơm thì ta sử dụng công cụ 5 phút đó là Rơle  Rơle Rơle như một cái công tắc nhưng đây là công tắc tự động, để Rơle hoạt động thì mình cần cung cấp nguồn với hiệu điện thế là 5V Rơle gồm 6 chân - Một bên là ba chân IN, DC+, DC- với chân IN nhận tín hiệu đầu vào Rơle để kích hoặc không kích máy bơm, chân DC+ và DC- nối với nguồn điện 5V - Một bên là ba chân COM, NO, NC. Thông thường, ban đầu chân COM và NC (normal close) thường nối với nhau bởi một cái khoá. Khoá này có thể di chuyển từ NC sang NO (theo sơ đồ mạch) 49
58. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Khi có tín hiệu độ ẩm của đất nếu tín hiệu này thấp hơn mức ngưỡng, khoá chuyển sang NO tức là COM sẽ nối với NO. Như vậy ta sẽ nối máy bơm vào hai chốt NO và COM, lúc ban đầu, COM và NO bị cách biệt nhau, tức là mạch chứa máy bơm đang hở, khi đó máy không hoạt động. Khi có tín hiệu độ ẩm khoá Rơle chuyển sang đóng mạch nối COM và NO khi đó mạch kín máy bơm hoạt động. Khi đất đủ ẩm, Rơle không nhận tín hiệu cần bật công tắc, khi đó khoá chuyển sang NC và máy bơm ngừng hoạt động. Như vậy nhờ vào Rơle ta có thể bật tắt tự động máy bơm. Hoạt động 4: Tìm hiểu về lập trình Arduino 【 Khám phá】 Và một bộ phận rất quan trọng trong hệ 15 phút thống hay cô gọi nó là trung tâm của hệ thống để điều khiển các bộ phận khác hoạt động, đó 1 laptop chính là Arduino. 1 Arduino Arduino là board mạch xử lý các lệnh mà Nano người dùng yêu cầu. Arduino có rất nhiều loại (Đưa hình các loại cho HS xem qua) và loại 1 cap nối mà chúng ta dùng xử lý trong hệ thống tưới laptop và tự động là Arduino Nano. Arduino Arduino Nano có tổng cộng 30 chân, mỗi bên 15 chân. Để Arduino hoạt động thì chúng ta cần cấp nguồn cho nó, điện thế nguồn cấp từ 6V-20V. 50
59. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Vậy muốn hệ thống hoạt động theo ý mình Không thì mình phải làm gì nó? Mình ngồi im nó có biết mình cần làm gì không? Mình sẽ ra lệnh cho trung tâm của hệ thống hay nói cách khác ra lệnh cho Arduino điều khiển. Nhưng Arduino là một cái mạch, các con không thể nào ra lệnh bằng lời nói được, mà phải dùng một loại ngôn ngữ giao tiếp khác - ngôn ngữ lập trình. Giống như việc lập trình Pascal đã được học, chúng ta sẽ lập trình cho Arduino bởi phần mềm lập trình cho Arduino. Nhưng đơn giản hơn, không cần phải soạn thảo câu lệnh mà chúng ta chỉ cần kéo thả hộp thoại chứa lệnh. Hướng dẫn hình thành sơ đồ khối Sau khi cảm biến nhận giá trị độ ẩm gửi về cho Arduino, Arduino sẽ so sánh giá trị này với giá trị ngưỡng mà cô đã cung cấp cho các con. Tuy nhiên, Arduino không hiểu nó dưới dạng điện thế Vôn mà hiểu nó dưới dạng phân giải tín hiệu bit. Điện áp Arduino đọc từ 0V 10 đến 5V tương ứng với 0 đến 2 -1 tín hiệu bit. Vì vậy giá trị ngưỡng của đất phải đổi ra tín hiệu bit để so sánh thì Arduino mới hiểu đúng. 10 5V tương ứng với 2 -1, với giá trị độ ẩm cần thiết các con hãy đổi từ Vôn sang tín hiệu bit, 51
60. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp mình sẽ nhân chéo chia ngang tức là lấy giá trị độ ẩm nhân 210-1 và chia 5.Như vậy các con đã biết cần chỉnh sửa trong sơ đồ khối. Từ Các nhóm báo sơ đồ cô sẽ hướng dẫn các con lập trình cho cáo và ghi nhận Arduino của mình. số liệu Đây là chương trình mBlock giúp các con lập trình Arduino bằng những thẻ lệnh Mở chương trình. Vừa nói vừa thực hiện thao tác. B_1 Chọn Boards Arduino Nano vì mình đang sử dụng Arduino Nano B_2 Chọn Edit Arduino mode. Cửa sổ sẽ chuyển qua giao diện làm việc với Arduino Trong chế độ Arduino mode có 4 nhóm mảnh ghép - Robot - Operators - Control Lớn hơn - Data&Block 52
61. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Chúng ta lần lượt đi vào từng nhóm Đầu tiên nhóm Robot. Với nhóm Robot chúng ta thực hiện chọn thẻ Arduino Program bằng cách kéo thả thẻ lệnh vào khung màn hình giữa để bắt đầu chương trình, chính là khung tròn thứ nhất trong sơ đồ khối. Nếu các con muốn bỏ thẻ lệnh chỉ cần kéo thả vào khung bên trái hoặc nhấn chuột phải chọn lệnh Delete. Tiếp theo, nhóm Operators, có các phép gán và so sánh, dựa vào sơ đồ khối, các con cho cô biết cần sử dụng phép so sánh nào? Mình kéo thả thẻ lớn hơn vào và nhập do am > giá trị tín hiệu bit mà các con đã tính. Nhóm thứ 3 là Control bao gồm vòng lặp và các lệnh if. Để hệ thống hoạt động liên tục nhiều lần thì mình cần một vòng lặp. Sơ đồ của chúng ta có điều kiện nếu độ ẩm lớn hơn giá trị nào đó thì thực hiện lệnh, không thì If Else thực lệnh khác. Vậy ta cần chọn thẻ nào trong nhóm này? Nhóm thứ 4 là Data&Block, nhóm này hỗ trợ chúng ta thiết lập thẻ lệnh giúp Arduino biết giá trị độ ẩm sẽ được nhận bởi Arduino ở chân AO. Chúng ta chọn Make a Variable (Tạo một biến số). Biến số là độ ẩm nên cô nhập vào là chữ “do am” lưu ý nhập không dấu. Kéo thả thẻ set vào màng hình giữa. Trên sơ đồ khối còn một nhiệm vụ là kích hoạt rơle. Chúng ta sẽ dùng những thẻ lệnh trong nhóm Control. Chọn thẻ “set analog pin A0” để kết nối chung với thẻ biến số mới lập. Tiếp tục chọn thẻ set digital pin High, thẻ này có công dụng kích hoạt Rơle nếu cuối thẻ là HIGH và ngược lại nếu chọn LOW. Chỉnh 53
62. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp sửa pin lại thành pin “3”. Chúng ta kết nối hai thẻ này vào trong thẻ điều kiện if. Tiếp theo ta sẽ kết nối các thẻ lệnh lại với nhau theo sơ đồ khối. Để chuyển đoạn lệnh này vào Arduino chúng ta cần một đoạn dây cap. Các con sẽ cắm cap vào. Chọn Connect Serial Port Tại đây sẽ hiển thị COM tức là vị trí cắm USB cap nối. Các con chọn vào COM. Tiếp tục chọn Upload to Arduino để đưa đoạn code vào trong Arduino. Các nhóm tiến hành lập trình. Nhóm nào xong thì giơ tay lên cô đến kiểm tra và phát dây cap + Arduino để các con chuyển đoạn code vào Arduino của mình. Khi chuyển xong các con hãy cất Arduino và trong túi zip có tên nhóm mình. Các nhóm thực hành trong vòng 5 phút. Hoạt động 5: GV tổng kết lại buổi 2 2.5.3 Giáo án buổi 3 - Người kỹ sư nhí I. Mục tiêu 1. Kiến thức - Biết được mạch đồng 2. Kỹ năng - Thiết lặp sơ đồ cấp nguồn cho các bộ phận - Thiết lập quy trình hệ thống hoạt động - Sử dụng tua vit để lắp ráp các thiết bị - Làm việc nhóm - Trình bày về sản phẩm của nhóm 54
63. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp II. Thiết bị (cho mỗi nhóm) 1 bộ 5 mảnh ghép (có dán keo sẵn) 1 phiếu học tập (theo nhóm) 1 pin 9V và jack 1 Arduino Nano 1 Rơle 1 Cảm biến độ ẩm nối 1 bảng mạch đồng 1 tua vít đầu 2-3mm 1 máy bơm được 1 ly đất khô gắn vào chai nước 2 đoạn ống nước 1 chậu cây Lưu ý: GV mang theo cap mini USB và laptop phòng trường hợp HS nhấn và nút reset chương trình trên Arduino. III. Tiến trình dạy học Hoạt động của GV Hoạt động của HS Ghi chú/ Dụng cụ Hoạt động 1: Nhắc lại nhiệm vụ và những điều đã tìm hiểu trong Buổi 1 + 2 【 Tạo hứng thú】 55
64. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Trong những buổi học trước chúng Hệ thống tưới tự 5 phút ta đã xác định nhiệm vụ cần làm để động tưới chậu cây nhỏ khi mình đi chơi xa là chúng ta sẽ chế tạo một hệ thống mang tên là gì? Cảm biến độ ẩm Hệ thống tưới tự động này gồm đất, máy bơm nước, những bộ phận nào? Mỗi nhóm hãy liệt rơle và Arduino kê một bộ phận giúp cô. Ở buổi 1 chúng ta đã tìm hiểu về Đo độ ẩm đất cảm biến độ ẩm đất, công dụng của cảm biến độ ẩm là gì? Cảm biến độ ẩm đo giá trị độ ẩm đất Máy bơm và xuất ra giá trị hiệu điện thế, có tín hiệu về độ ẩm đất, nếu nhỏ hơn thì sẽ kích hoạt thiết bị nào hoạt động tưới cây? Và các con đã biết được đầu nào là hút nước đầu nào là tưới nước. Làm Rơle sao để mở tắt máy bơm? Mình cần một dụng cụ đóng vai trò như là công tắt đó là gì? Có Rơle có thể bật tắt máy bơm rồi, nhưng khi nào thì bật, khi nào thì tắt? Mình lại phải cần thêm một trung tâm xử lý thông tin đó là Arduino. Arduino sẽ nhận thông tin từ cảm biến, so sánh với giá trị ngưỡng mà các con đã nhập code sau đó Rơle đóng bật tắt máy bơm. Như vậy ta đã tìm hiểu tất cả các bộ phận riêng lẻ và sự hỗ trợ lẫn nhau của chúng. Vậy thì làm sao có thể lắp ráp chúng lại với nhau để tạo được sản phẩm là cả một hệ thống tưới tự động hoàn chỉnh? Ngày hôm nay chúng ta sẽ 56
65. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp trở thành những kỹ sư lắp ráp, chế tạo nên một hệ thống tưới tự động cho chậu cây nhỏ xinh của nhóm mình Hoạt động 2: Xây dựng sơ đồ kết nối các bộ phận cho hệ thống 【 Khám phá】【 Thiết kế, chế tạo】 Muốn hệ thống hoạt động thì ta phải Cấp nguồn/ Cấp 10 phút cấp gì cho cả hệ thống? điện Như vậy ta phải cấp nguồn cho từng bộ phận của hệ thống. Các con hãy nhắc lại điện áp cần cung cấp cho Cảm 5V biến và Rơle là bao nhiêu? Cảm biến và Ro-le cùng chung điện áp hoạt động nên ta chỉ cần 1 nguồn điện cấp chung cho cả rơle và cảm biến. Còn Arduino? Arduino thì ta có thể 6-20V cấp bất kỳ giá trị nào trong khoảng 6- 20V để Arduino hoạt động bình thường. 12V Máy bơm? Hai linh kiện này có điện áp khác nhau nhưng ta có thể cấp chung một nguồn điện là 9V nhỏ hơn giá trị điện áp hoạt động bình thường của máy Có, vì đã thử rồi bơm, như vậy máy bơm có hoạt động không? Tại sao các con biết? Nhưng lúc này máy bơm sẽ hoạt Yếu hơn động yếu hơn hay mạnh hơn so với điện áp lớn hơn? Như vậy, mình có thể cung cấp nguồn cho Arduino và máy bơm bằng cục pin 9V. Quay trở lại cảm biến và rơle cần 5V vậy mình phải tốn thêm một khay pin 4.5V để cấp nguồn nữa phải 57
66. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp không? Không cần đâu vì trên Arduino có chốt 5V và GND. Hai chốt này đóng vai trò như một nguồn điện, 5V là dương còn GND là âm. Vậy khi Arduino hoạt động, nó có thể tạo ra một nguồn điện đúng bằng 5V giúp Rơle và Cảm biến hoạt động. *Hoạt động nhóm: Dựa vào bảng hiệu điện thế và những gì cô giới thiệu cho các con, các con hãy hoàn thành sơ đồ cấp nguồn thích hợp cho các bộ phận trong hệ thống tưới tự động. Ở đây có 5 bức hình tương ứng với 5 bộ phận trong hệ thống, các con hãy sắp xếp và dán vào các ô trong sơ đồ sao cho thích hợp. Để bắt đầu cho hoạt động nhóm, đầu tiên, cô sẽ phát cho mỗi nhóm một phiếu học tập. Các con sẽ cử một bạn là nhóm trưởng và một bạn là thư ký và ghi vào bảng phân công nhiệm vụ. Sau khi đề cử xong thì nhóm trưởng giơ tay lên và cô sẽ đến phát các mảnh ghép để các con hoàn thành sơ đồ trong phiếu học tập. Các con có 5 phút để thảo luận và hoàn thành sơ đồ của nhóm. GV chốt lại sơ đồ 58
67. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Như vậy cả 4 bộ phận Cảm biến, Arduino, Rơle, máy bơm với 4 giá trị hiệu điện thế cần cấp khác nhau nhưng chúng ta đã giải quyết được bằng cách chỉ cần cấp một nguồn từ pin 9V là có thể chạy cả hệ thống của chúng ta. Nhưng thứ tự các thiết bị sẽ hoạt động như thế nào? Đầu tiên cảm biến nhận giá trị độ ẩm. Sau đó gửi giá trị này đến bộ phận nào để xử lý? Arduino Arduino nhận được thông tin tiến hành so sánh với giá trị ngưỡng và điều khiển đến bộ phận nào? Rơle Rơle làm nhiệm vụ bật tắt máy bơm. Hoạt động 3: Tìm hiểu về mạch đồng 【 Khám phá】 Hệ thống gồm 4 bộ phận riêng lẻ 4 phút vậy làm cách nào để có thể sắp xếp chúng một cách ngay ngắn gọn gàng và kết nối chúng lại với nhau? Cô giới thiệu cho các con một linh kiện điện tử có thể làm được điều đó đó là bảng mạch in. Bảng mạch in làm từ mạch đồng hay còn gọi là phíp đồng là một miếng nhựa cứng, có một mặt được tráng một lớp kim loại đồng. Do được tráng một lớp kim loại nên mạch sẽ có khả năng 59
68. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp dẫn điện. Sau đó người ta tiến hành các thao tác in mạch để tạo thành Bảng mạch in theo ý muốn. Đây chính là bảng mạch in từ phíp đồng làm ra, các con thấy trên bảng mạch in này là một hệ thống đường dẫn điện, những đường trên bảng đó chính là bề mặt đồng còn lại mà người ta muốn in. Khi lắp các thiết bị vào mạch các thiết bị này có thể kết nối với nhau nhờ những con đường trên bảng mạch. Để gắn các bộ phận lên mạch đồng chúng ta sẽ dùng biện pháp hàn. Sử dụng mũi hàn để đính những bộ phận lên mạch. Và cô đã hàn các linh kiện hỗ trợ lên bảng mạch in. Hoạt động 4: Người kỹ sư lắp ráp 【 Thiết kế, chế tạo】 Nhiệm vụ của các con là trong vai 16 phút trò của những kỹ sư lắp ráp, các con sẽ lắp ráp, sắp xếp một cách ngay ngắn, gọn gàng tất cả các thành phần của hệ thống lên trên bảng mạch theo các bước trong phiếu học tập. 60
69. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Các con sẽ tiến hành thảo luận và lắp ráp trong vòng 15 phút. Đầu tiên các con sẽ xem qua các bước lắp ráp trong phiếu học tập và phân công nhiệm vụ cho từng bạn trong 2 phút, sau 2 phút cô sẽ phát dụng cụ và các con sẽ tiến hành lắp ráp trong vòng 13 phút còn lại. Thời gian 2 phút thảo luận bắt đầu. Và tiếp theo chúng ta có 13 phút để lắp ráp. Lưu ý khi lắp ráp Arduino vào bảng mạch cẩn thận không được nhấn vào nút trắng trên Arduino vì nút đó là nút reset tất cả chương trình đã nạp vào Arduino Hoạt động 4: Vận hành【 Thiết kế, chế tạo】 Hệ thống tưới nước tự động cho Nguồn điện/Pin 5 phút chậu cây của mình còn thiếu bộ phận nào để hoạt động? Ngoài ra còn thiếu gì để tưới? Nước Mình tưới cho cây nên sẽ phải có thêm một chậu cây để tưới, nhưng để chạy thử xem hệ thống của mình cấp nước như thế nào, khi nào thì tưới khi nào không tưới, cô sẽ cung cấp cho mỗi nhóm một phần đất khô, các nhóm hãy làm theo các bước sau để chạy thử hệ thống trước khi áp dụng cho chậu cây của mình. - Cắm đầu hút nước của ống bơm vào chai nước, đầu còn lại cắm vào đất 61
70. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp - Cắm cảm biến độ ẩm vào đất, cách đầu ống bơm khoảng 2- 3cm - Cung cấp nguồn điện bằng cách cắm zack nối pin 9V vào bảng mạch - Bật công tắt và quan sát hoạt động Chúng ta có 5 phút để chạy thử hệ thống. Các con lưu ý không được xe dịch các dụng cụ khi mạch đang hoạt động, nếu muốn dừng việc bơm nước thì tắt công tắt. Hoạt động 5: Áp dụng cho chậu cây của mình【 Thiết kế, chế tạo】 Sau đây cô sẽ phát cho mỗi nhóm 5 phút chậu cây mà nhóm mình cần tưới nước, các con hãy thiết lập hệ thống cho chậu cây của mình và cô sẽ mời hai nhóm đại diện báo cáo về sản phẩm của các con theo các tiêu chí sau 1. Giới thiệu bản thân, tên nhóm, số lượng thành viên. 2. Tên chậu cây 3. Độ ẩm thích hợp 4. Hệ thống của con gồm những bộ phận nào? Hoạt động 6: GV tổng kết cả 3 buổi 62
71. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Dựa trên cơ sở lý luận được đề cập ở chương I, chúng tôi xây dựng mục tiêu của chủ đề và các nội dung trong chủ đề. Chúng tôi đã xây dựng tài liệu hỗ trợ, giáo án chi tiết cho từng buổi. Đồng thời thiết kế, chế tạo và chuẩn bị các bộ thí nghiệm, dụng cụ học tập cho từng buổi hoạt động. Trong quá trình chuẩn bị, chúng tôi đề ra những sai lầm mà HS có thể mắc phải, từ đó thay đổi phương án, sử dụng thêm nhiều công cụ hỗ trợ, chế tạo các dụng cụ thí nghiệm dễ sử dụng. Trong quá trình xây dựng đề tài, chúng tôi nhận thấy rằng các kiến thức không những liên quan đến bộ môn Vật lý mà còn liên quan đến các môn học khác như Tin học, Công nghệ. Sau khi hoàn thành các công việc đó, chúng tôi có một kế hoạch dạy học chủ đề hoàn chỉnh và tiến hành thực nghiệm sư phạm. 63
72. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM Mục tiêu, đối tượng, thời gian và phương pháp thực nghiệm sư phạm 3.1.1 Mục tiêu - Đánh giá sự phù hợp về nội dung và tiến trình dạy học đối với HS THCS. - Đánh giá sự hứng thú và tích cực của HS khi tham gia. - Đánh giá mức độ khả thi của nội dung và tiến trình dạy học và ghi nhận ý kiến từ GV THCS tham gia dự giờ để có những điều chỉnh phù hợp. 3.1.2 Đối tượng và thời gian - Đối tượng: 50 em HS lớp 8 của trường THCS Trần Văn Ơn, Q1, Tp.HCM. - Thời gian: 135 phút diễn ra trong ba tuần mỗi tuần một buổi, mỗi buổi một tiết học 45 phút. 3.1.3 Phương pháp thực nghiệm sư phạm - Theo dõi, quan sát, chụp hình và quay phim buổi học. - Quan sát và ghi chú thao tác thực hiện của HS thông qua sự hướng dẫn của GV. - Phỏng vấn lấy ý kiến của HS sau khi hoàn thành ba buổi học. - Trao đổi và xin ý kiến của GV về nội dung và hình thức triển khai của chủ đề. Kế hoạch thực nghiệm sư phạm Thời gian Nội dung thực hiện Người phối hợp + hỗ trợ 19/03/2019 Liên hệ GV Cô Lê Hải Mỹ Ngân 19-26/03/2019 Trao đổi nội dung + thống Cô Lê Hải Mỹ Ngân và các thầy cô nhất giáo án trong tổ STEM trường Trần Văn Ơn 27/03/2019 Thực nghiệm buổi 1 Cô Lê Hải Mỹ Ngân và các thầy cô trong tổ STEM trường Trần Văn Ơn 03/04/2019 Thực nghiệm buổi 2 Cô Lê Hải Mỹ Ngân, bạn Tạ Thị Mỹ Hạnh và các thầy cô trong tổ STEM trường Trần Văn Ơn 10/04/2019 Thực nghiệm buổi 3 Cô Lê Hải Mỹ Ngân, bạn Tạ Thị Mỹ Hạnh và các thầy cô trong tổ STEM trường Trần Văn Ơn 64
73. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Diễn biến và phân tích diễn biến quá trình thực nghiệm 3.3.1 Diễn biến quá trình thực nghiệm 3.3.1.1 Diễn biến buổi 1 Mô tả diễn biến Hình ảnh Hoạt  Trong buổi học đầu tiên, GV làm động quen với HS. Các nhóm HS đã được 1 – sắp xếp chia thành 6 nhóm, và ngồi Khởi theo vị trí một nhóm gồm 2 dãy HS động ngồi đối diện nhau để thuận lợi làm việc nhóm.  GV đặt vấn đề bằng cách giới thiệu một số loại cây trồng và trao đổi với HS về việc chăm sóc cây, đặc biệt là tưới nước cho cây. GV đặt vấn đề HS tìm hiểu độ ẩm của các loại cây trồng.  Khi GV hỏi về độ ẩm phù hợp cho các loại cây khác nhau, HS phát biểu và nhận ra được rằng mỗi loại cây tùy điều kiện phát triển sẽ cần một mức độ ẩm nhất định.  GV phân chia cho mỗi nhóm phụ trách chăm sóc một loại cây và các nhóm ghi nhận thông tin độ ẩm thích hợp với loại cây của nhóm. Hoạt  Khi trao đổi về tình huống nếu phải động vắng nhà vài ngày làm sao có thể 2 – đảm bảo việc cấp đủ nước cho cây. Đặt Các nhóm HS trao đổi và đưa ra một vấn số phương án: nhờ hàng xóm, đề trong đó có một nhóm đã nêu được ý kiến làm hệ thống tưới nước tự động. GV dựa vào ý kiến của HS để tổng hợp và đặt nhiệm vụ cho chủ đề. 65
74. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Hoạt  GV hình thành sơ đồ tư duy cho HS, động nêu ra các bộ phận trong hệ thống 3 – tưới tự động. HS nêu được để tưới Hình nước một cách tự động thì sử dụng thành máy bơm để bơm nước. sơ đồ tư duy về hệ thống tưới tự động Hoạt  GV giới thiệu cảm biến độ ẩm và đặt động vấn đề cảm biến độ ẩm xuất tín hiệu 4 – đầu ra là giá trị hiệu điện thế. Tìm  GV đặt ra hai nhiệm vụ cho HS. hiểu  Tạo môi trường đất có độ ẩm về đúng bằng ngưỡng độ ẩm thích cảm hợp với cây trồng HS chọn biến một giá trị độ ẩm ngưỡng. độ  Đo hiệu điện thế đầu ra AO của ẩm cảm biến độ ẩm .  Mỗi nhóm nhận được một bộ dụng cụ thí nghiệm được sử dụng để HS khảo sát độ ẩm của đất và tín hiệu đầu ra thông qua cảm biến độ ẩm.  Các nhóm HS tiến hành thí nghiệm thực hiện hai nhiệm vụ.  HS dựa vào công thức độ ẩm, tính khối lượng nước cần đong từ khối lượng riêng của nước, HS suy ra khối lượng nước cần tưới, tiến hành đong 66
75. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp nước tạo môi trường độ ẩm tương ứng với loại cây của nhóm.  HS đo hiệu điện thế giữa hai cực AO và GND trên cảm biến độ ẩm bằng cách sử dụng đồng hồ đo điện đa năng. Hoạt  GV yêu cầu HS đọc kết quả thí động nghiệm và tổng kết lại buổi 1. 5 –  HS phát biểu được giá trị cho ra của Tổng cảm biến là giá trị hiệu điện thế và kết nêu được nhiệm vụ tổng quát là chế tạo một hệ thống tưới tự động. 3.3.1.2 Diễn biến buổi 2 Mô tả diễn biến Hình ảnh Hoạt  GV khái quát lại những nội dung động 1 – đã học ở buổi 1, hỏi HS về nhiệm Nhắc lại vụ cần chế tạo ra hệ thống gì khi nhiệm gia đình đi chơi xa, các bộ phận vụ và trong hệ thống. HS phát biểu về những các bộ phận đó. điều đã tìm hiểu  GV yêu cầu HS nhắc lại loại cây trong trồng nhóm phụ trách và cung cấp Buổi 1 giá trị hiệu điện thế chính xác ứng với các giá trị độ ẩm của mỗi nhóm. HS ghi chép các giá trị hiệu điện thế vào phiếu học tập làm tư liệu cho các hoạt động sau. 67
76. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Hoạt  GV giới thiệu máy bơm nước và động 2 – đưa ra hai nhiệm vụ: Tìm  Xác định đầu hút nước và đầu hiểu xả nước của máy bơm. hoạt  So sánh hoạt động của máy động bơm ứng với các giá trị hiệu của máy điện thế khác nhau. bơm  GV hướng dẫn thực hiện hai hoạt động: cách nối dây cung cấp nguồn, cách tìm ra đầu hút, xả, đếm thời gian và so sánh.  Các nhóm HS tiến hành thí nghiệm thực hiện hai nhiệm vụ trên  Với nhiệm vụ thứ nhất, HS nhận diện được đầu hút và đầu xả nước bằng cách xem mực nước hạ xuống và dâng lên.  Với nhiệm vụ thứ hai, HS so sánh hoạt động của máy bơm ứng với hai giá trị điện thế bằng cách so sánh thời gian máy bơm vận chuyển hết một lượng nước như nhau khi dùng hai nguồn khác nhau.  Mỗi HS hoàn thành phiếu học tập và một thành viên đại diện báo cáo kết quả thí nghiệm cho GV. HS báo cáo vị trí nào là đầu hút, đầu xả nước. Thời gian máy bơm vận chuyển nước, so sánh hai thời gian đó và nêu ra nhận xét. 68
77. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Hoạt  GV giới thiệu về role, đưa ra hình động 3 – ảnh mô tả hoạt động của role. HS Tìm biết được role như một công tắt, hiểu bật tắt máy bơm. hoạt động Rơ-le Hoạt  GV giới thiệu về Arduino, Arduino động 4 – nano. Tìm  Để giao tiếp với Arduino thì không hiểu về thể sử dụng ngôn ngữ giao tiếp lập giống con người bình thường. HS trình phát biểu được phải dùng ngôn ngữ Arduino lập trình để ra lệnh cho Arduino và GV giới thiệu ngôn ngữ lập nghĩ ngay đến ngôn ngữ lập trình trình Scratch trên phần mềm Pascal đang được học. “mBlock”  GV giới thiệu một dạng ngôn ngữ lập trình không cần phải viết những đoạn code dài mà chỉ cần kéo các hộp lệnh vào khung chương trình và kết nối chúng lại với nhau. Khi chiếu đoạn chương trình, một vài HS nhận diện ngay đó là ngôn ngữ lập trình scratch.  GV giới thiệu phần mềm “mBlock” để lập trình cho Arduino.  GV yêu cầu HS tính giá trị tín hiệu bit mà Arduino hiểu được. 69
78. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp  Mỗi nhóm HS được phát một laptop và tiến hành lập trình theo sự hướng dẫn trên phiếu học tập.  Mỗi nhóm HS được phát một Arduino và các nhóm nạp đoạn chương trình vào Arduino của nhóm mình, sau đó ghi tên nhóm vào giấy đánh dấu Arduino của nhóm và nộp lại cho GV. 3.3.1.3 Diễn biến buổi 3 Mô tả diễn biến Hình ảnh Hoạt  HS phát biểu nội dung liệt kê các động 1 bộ phận trong hệ thống tưới tự – Nhắc động và hiệu điện thế tương ứng để lại các bộ phận hoạt động bình nhiệm thường. vụ và những điều đã tìm hiểu trong Buổi 1 + 2 Hoạt  Từ việc biết được hiệu điện thế cần động 2 cấp, GV lý luận tổng hợp các thiết – Xây bị có thể cấp chung một nguồn dựng sơ điện và giới thiệu Arduino như một đồ kết nguồn điện thứ cấp có thể cung cấp nối các nguồn 5V cho rơle và cảm biến 70
79. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp bộ hoạt động. Nhấn mạnh cho HS “để phận giải quyết vấn đề cấp nguồn cho cả cho hệ hệ thống, chúng ta chỉ cần một thống nguồn từ cục pin 9V”.  Nhờ vào kiến thức GV vừa cung cấp về nguồn điện cấp cho hệ thống, HS tiến hành hoạt động nhóm với nhiệm vụ hoàn thành sơ đồ kết nối các bộ phận của hệ thống.  Mỗi nhóm được phát 1 phiếu học tập và bộ 5 mảnh ghép. Các nhóm thảo luận và hoàn thành sơ đồ trong 5 phút.  GV đưa ra đáp án, giải thích sơ đồ và các nhóm chỉnh sửa lại sơ đồ. Hoạt  GV giới thiệu board mạch. Những động 3 bộ phận có thể được kết nối với – Tìm nhau nhờ những đường dây đồng. hiểu về  GV giới thiệu hoạt động lắp ráp mạch cho các nhóm. đồng và  Mỗi nhóm nhận một bộ dụng cụ và lắp ráp tiến hành lắp ráp từ bước 1 đến các chi bước 6 theo hướng dẫn trong phiếu tiết học tập.  Nhóm trưởng và thư kí phân chia công việc cho từng thành viên. 71
80. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp  HS lắp ráp theo các bước trong phiếu học tập.  HS sử dụng tua-vit để gắn các bộ phận lên trên board mạch. Hoạt  Các nhóm HS được phát ống nước động 4 và đất khô để chạy thử sản phẩm. – Chạy thử Hoạt  Các nhóm HS giơ tay thông báo động 5 hoàn thành sản phẩm. – Áp  GV tổng kết và gợi mở cho HS suy dụng nghĩ về ưu điểm, nhược điểm và cho cách cải tiến bộ thiết bị. chậu cây của mình 72
81. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp 3.3.2 Phân tích diễn biến quá trình thực nghiệm 3.3.2.1 Phân tích buổi 1 Khi GV đặt tình huống học tập làm sao đảm bảo cây đủ nước khi vắng nhà, HS nhanh chóng đưa ra được nhiều ý kiến (chỗ này em nhớ HS phát biểu gì thì ghi vào). Trong đó một HS đã đề xuất phương án sử dụng một hệ thống tưới tự động. Việc HS đề cập đến hệ thống tưới tự động mà chưa cần gợi ý của GV cho thấy các em đã có ý thức về vấn đề IoT trong cuộc sống. Đây là một chủ đề đang rất được quan tâm và rõ ràng cũng HS cũng rất quan tâm. Đặc biệt, trên thực tế hệ thống tưới tự động cũng đã được quảng cáo cũng như được cung cấp từ nhiều nhà phân phối, do đó cũng không xa lạ với HS. Song GV dựa vào đó có thể nhấn mạnh về việc là nếu các em tự thiết kế và chỉ cần dùng cho một chậu cây nhỏ, yêu thích của mình thì như thế nào. HS theo dõi phiếu học tập và lắng nghe những thông tin trao đổi của GV để điền những thông tin cần thiết vào phiếu, thực hiện các hoạt động đúng theo sự hướng dẫn của GV. Điều này thể hiện HS tập trung và chú ý trong quá trình được hướng dẫn thực hiện nhiệm vụ. Tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế: GV chưa cho HS phân công công việc từng thành viên trong nhóm, một số HS trong nhóm không làm hoặc trong một nhóm chỉ có hai ba HS thực hiện, qua đó cho thấy các bạn làm nhiều thì tập trung làm, các bạn không làm thì lo ra. Ngoài ra, GV chưa chưa nhấn mạnh nhiệm vụ nên khi tổng kết lại buổi 1, một số em chưa nêu lại được nhiệm vụ cần thực hiện. 3.3.2.2 Phân tích buổi 2 HS ghi chép phiếu học tập đầy đủ thể hiện HS tập trung chú ý trong giờ học. Khi GV hỏi lại những kiến thức trong buổi 1, HS phát biểu tích cực cho thấy HS hiểu được và tái hiện được các hoạt động, nội dung chính của buổi 1. Với hoạt động tìm hiểu về máy bơm nước, HS phân công cho từng thành viên hỗ trợ giúp đỡ nhau, thực hiện thí nghiệm nhiều lần, cả nhóm đồng loạt đếm thời gian máy bơm vận chuyển nước cho thấy HS tích cực, thích thú khi quan sát máy bơm vận chuyển nước và tổ chức hoạt động nhóm tốt. HS hoàn thành phiếu học tập phần hoạt động của máy bơm. Điều này thể hiện khả năng quan sát, so sánh số liệu và tổng hợp, nhận xét số liệu. HS dễ dàng tạo được đoạn chương trình lập trình cho Arduino thông qua phần hướng dẫn trong phiếu học tập mà không cần sự hướng dẫn chi tiết của GV cho thấy HS có khả năng đọc tài liệu hướng dẫn và tự chủ tốt. Khi chiếu đoạn chương trình mẫu trên phần mềm mBlock, một vài HS nhận diện ngay đó là ngôn ngữ lập trình scratch. Qua đó cho thấy HS đã 73
82. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp được tiếp xúc và sử dụng dạng ngôn ngữ lập trình này, cho thấy sự hiểu biết về một dạng ngôn ngữ khác ngoài chương trình học. Hạn chế: hai nhóm HS không nạp được code vào Arduino do lỗi đánh máy phần “doam” bị sai cú pháp. Để hạn chế lỗi đánh máy, GV sử dụng trực tiếp thẻ lệnh “doam” trong phần khai báo biến. 3.3.2.3 Phân tích buổi 3 HS tích cực phát biểu, đóng góp ý kiến khi GV hỏi về các bộ phận của hệ thống tưới tự động và nguồn cấp vào cho thấy HS tái hiện được kiến thức cũ. Đối với hoạt động xây dựng sơ đồ kết nối các bộ phận, hầu hết các nhóm đều hoàn thành đúng sơ đồ. Điều này cho thấy HS nhận dạng được các bộ phận thông qua hình vẽ và thảo luận sôi nổi để chọn mảnh ghép thích hợp gắn vào phiếu học tập. Đối với hoạt động lắp ráp, có sự phân công cụ thể công việc các thành viên, tất cả các thành viên đều được làm việc, HS biết sử dụng tua vít, hiểu được tài liệu hướng dẫn lắp ráp theo từng bước (phiếu học tập) và lắp ráp được sản phẩm. Qua đó cho thấy HS tích cực lắp ráp, có kỹ năng cơ bản về việc sử dụng tua-vit để bắt ốc, có khả năng tự đọc hiểu các bước lắp ráp. Tuy nhiên, có một số nhóm chưa hoàn thành xong việc lắp ráp trong thời gian 10 phút. Sau đó HS vẫn có thể tiếp tục hoàn thành trong hoạt động chạy thử bộ sản phẩm trên đất trồng. Phần thiếu sót trong buổi 3 là cho HS đánh giá về sản phẩm, nêu ưu, nhược điểm và đề ra cách khắc phục cho hệ thống tưới tự động. Đánh giá kết quả thực nghiệm Sau ba buổi thực nghiệm, có 3/6 nhóm hoàn thành được sản phẩm. Các nhóm còn lại chưa hoàn thành được sản phẩm vì những lý do sau: - Ốc siết không kỹ khiến dây nối bị lỏng, không dẫn điện tiếp xúc - HS nhấn vào nút reset Arduino trên board Arduino 3.4.1 Ý kiến của HS Sau tiết học phỏng vấn lấy ý kiến được thực hiện với ba em HS là Trí, Quân và Thanh về các buổi học. Câu hỏi thứ nhất về các hoạt động mà các con yêu thích trong ba buổi học. Cả ba em đều thích lắp ráp, tạo sản phẩm vào buổi 3 và hoạt động về máy bơm nước ở buổi 2 vì các hoạt động này thiên về khảo sát, thí nghiệm. Ngoài ra, Quân còn thích phần lập trình Arduino. Qua đó phần nào cho thấy 74
83. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp mong muốn thực hành và việc phát triển các năng lực về kĩ thuật là rất cần thiết đối với trẻ ở độ tuổi THCS. Câu hỏi thứ hai về những khó khăn mà các con gặp phải trong quá trình làm. Thanh trả lời là mấy bạn quậy quá làm không được. Quân nói rằng khi lắp ráp, phần đuôi đực quá nhỏ, ghi vào bị hụt, không tiếp xúc. Cả ba HS cảm thấy mạch quá nhỏ, chi tiết trên mạch nhỏ, các lỗ bắt ốc vít, domino nhỏ dẫn đến khó khăn trong việc lắp ráp, bắt ốc vít. Câu hỏi thứ ba về mong muốn áp dụng sản phẩm này vào thực tế cuộc sống. Quân và Trí trả lời là có và sẽ chỉnh sửa một tí theo ý của mình. Câu hỏi thứ tư về việc áp dụng hệ thống này cho một khu vườn rộng lớn? Quân trả lời sẽ áp dụng nhiều bộ hệ thống lại với nhau, tất cảc mạch này đều liên kết với nhau và chịu sự điều hành dưới một máy tính chủ. Anh có ý kiến là thay vì mình làm nhiều cái nhỏ gộp lại thì mình sẽ dùng một cái to để áp dụng cho vườn lớn. Trí nghĩ là phụ kiện phải to lên. Câu hỏi thứ năm về những điều mà HS đánh giá bản thân đã biết được thêm những điều gì? Thanh: tốt cho bản thân, đỡ tốn thời gian tưới, lỡ mình quên tưới cây thì hệ thống sẽ giúp mình. Quân nói rằng cách máy bơm bơm nước, một hệ thống hoạt động như thế nào, cách lập trình để hệ thống hoạt động khi mình không có ở nhà. Trí cho rằng hệ thống này áp dụng cho nông nghiệp rất tốt, đỡ tốn công mình đi tưới, tiết kiệm nước. Sau khi phỏng vấn lấy ý kiến của ba em HS, chúng tôi nhận thấy cả ba em đều hứng thú với các hoạt động chính trong hai buổi học cuối, xác định được nhiệm vụ, tư duy được cách mà hệ thống tưới tự động hoạt động, rèn luyện thao tác thực hành, thí nghiệm, lắp ráp, nhận ra được những lợi ích cho bản thân, cho nông nghiệp và có những ý tưởng tốt để phát triển hệ thống theo một quy mô lớn. Tuy nhiên bên cạnh đó, về mặt sản phẩm, các chi tiết còn nhỏ, khiến các em gặp khó khăn trong việc lắp ráp. 3.4.2 Ý kiến của GV Sau quá trình giảng dạy, thực hiện khảo sát bằng bảng hỏi, thu được ý kiến của thầy Lê Trần Lộc – GV tin học trường THCS Trần Văn Ơn, đã trực tiếp theo dõi và tham dự tiến trình dạy học, như sau: Nội dung Mức độ 75
84. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Hoàn Hoàn Không có Không toàn toàn Đồng ý ý kiến đồng ý không đồng ý đồng ý Quá trình giảng dạy đạt được mục tiêu x đặt ra trong từng buổi học. Nội dung chủ đề, nội dung các hoạt động kích thích x động cơ học tập của HS. Mức độ hoạt động đề xuất phù hợp với x đối tượng HS. Cách tổ chức hoạt động kết hợp phiếu học tập hỗ trợ hiệu x quả giúp đạt được mục tiêu kiến thức và kĩ năng khoa học. Tài liệu hướng dẫn GV đầy đủ và rõ x ràng Các phiếu học tập có giá trị hỗ trợ GV x trong việc triển khai hoạt động cụ thể. Hình thức trình bày hướng dẫn thực hiện hoạt động phù hợp x với HS và GV khi sử dụng. 76
85. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp Dung cụ trong các thí nghiệm, hoạt động (đo hiệu điện thế cảm biến độ ẩm, khảo sát hoạt động x máy bơm, lập trình, lắp ráp sản phẩm) thuận lợi, dễ sử dụng. Đánh giá chi tiết hơn của Thầy  Về mục tiêu chủ đề: Mục tiêu đưa ra thấp hơn khả năng của HS.  Về nội dung chủ đề: Nên sử dụng mạch uno vì HS mắc và đi dây trực quan, sẽ thể hiện kỹ năng HS rõ ràng hơn.  Về cách triển khai các nội dung trong chủ đề: Cách triển khai ổn, tuy nhiên khi đứng lớp trong quá trình giao nhiệm vụ, để nhiệm vụ được rõ ràng, HS chú ý và biết làm từ đâu thì thay vì nói miệng, GV nên chiếu lại nhiệm vụ trên bảng chiếu trong lúc HS thực hiện. Sau khi thông qua các đánh giá từ thầy, chúng tôi rút ra được những kinh nghiệm đứng lớp cho bản thân và có thể thay đổi mục tiêu chủ đề tuỳ thuộc vào đối tượng HS thực dạy. 77
86. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 Quá trình nghiệm được diễn ra trên đối tượng 50 HS lớp đã đạt được các mục tiêu đề ra. Qua quá trình giảng dạy trực tiếp, quá trình lấy phản hồi của HS và GV, chúng tôi nhận thấy rằng chủ đề này phù hợp cho việc triển khai vào các tiết học STEM. Thông qua các hoạt động diễn ra trong chủ đề, HS tích cực, hứng thú, lĩnh hội được vấn đề, các khái niệm, làm quen và biết thêm được những điều mới và có cái nhìn sâu rộng hơn về vấn đề đặt ra của chủ đề. Nội dung, mục tiêu đểu được đánh giá triển khai tốt, các tài liệu tham khảo, tư liệu học tập cho HS đáp ứng được việc tổ chức các hoạt động trong từng buổi. Tuy nhiên bên cạnh đó vẫn còn những hạn chế: Thời gian diễn ra ít hơn dự tính do HS phải di chuyển từ lớp đến địa điểm học. Số lượng HS khá đông và do GV đứng lớp chưa có nhiều kinh nghiệm nên việc ổn định lớp gặp khó khăn. Đánh giá của GV dự giờ về mục tiêu bài học còn thấp so với trình độ HS. Thực nghiệm sư phạm mới chỉ tiến hành trên phạm vi 50 HS lớp 8 ở một trường THCS trong địa bàn TP Hồ Chí Minh và hầu hết là các HS đã được tiếp cận với hình thức dạy học theo định hướng STEM nên chưa thể khẳng định tính hiệu quả với toàn bộ HS lớp 7 – 8 THCS. 78
87. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp KẾT LUẬN CHUNG Từ kết quả của khoá luận, chúng tôi nhận thấy đề tài đã có những đóng góp sau: Vận dụng được quy trình 6E vào dạy học theo định hướng STEM cho chủ đề Chậu cây thông minh. Xây dựng được quy trình dạy học chủ đề Chậu cây thông minh nhằm phát huy tính tích cực và phát triển khả năng giải quyết vấn đề cho HS. Tổ chức dạy học chủ đề Chậy cây thông minh thành công, hướng dẫn HS tìm hiểu, nghiên cứu, thực hiện các thí nghiệm. Một số đề xuất: - Suy nghĩ và bổ sung thêm các mục tiêu phù hợp với khả năng của HS, các hoạt động tăng khả năng sáng tạo cho HS. - Tập trung nghiên cứu sâu hơn về bộ thí nghiệm để tăng tính thẩm mỹ, độ bền, tính chính xác. - Thiết kế thêm tiêu chí đánh giá sản phẩm cho HS, sổ tay ghi chép để HS có cái nhìn tổng quan và ghi chép lại những kiến thức cần thiết của buổi học. - Thiết kế phiều đánh giá cho GV sau mỗi tiết dạy. - Tổ chức thực nghiệm sư phạm với quy mô lớn hơn và thực nghiệm nhiều lần đan xen với sữa chữa bổ sung đến hoàn thiện để có sự đánh giá chính xác hơn. 79
88. Nguyễn Thị Minh Thảo Khoá luận tốt nghiệp DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Thủ Tướng Chính Phủ, Chỉ thị 16/CT-TTg Nâng cao năng lực tiếp cận cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 4. 2017. [2]. Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo, Dự thảo chương trình Giáo dục phổ thông tổng thể. 2017. [3]. L.X. Quang, Dạy học môn Công nghệ phổ thông theo định hướng giáo dục STEM, in Khoa Sư phạm Kĩ thuật. 2017, Đại học Sư Phạm Hà Nội [4]. Nguyễn Tố Khuyên. Dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh THCS [5]. AJ Martin, 30 Sep 2010. PISA 2012 Field Trial Problem Solving Framework [6]. B.N. Burke, D.T.E., 2014. THE ITEEA 6E learning byDeSIGN(TM) model MAXIMIZING INFORMED DESIGN AND INQUIRY IN THE INTEGRATIVE STEM CLASSROOM. Technology and Engineering Teacher, 73(6), pp. 14-19 [7]. C.-C. Chung, C.-L. Lin, and S.-J. Lou, 2018. Analysis of the learning effectiveness of the STEAM-6E special course—A case study about the creative design of IoT assistant devices for the elderly. Sustainability [8]. C.C. Johnson, E.E. Peters-Burton, and T.J. Moore, 2015. STEM road map: A framework for integrated STEM education. Routledge [9]. E.J. Hom. What is STEM. 2014; Available from: [10]. Next Generation Science Standards. Available from: [11]. R.W. Bybee, et al., 2006. The BSCS 5E instructional model: Origins and effectiveness. Colorado Springs, Co: BSCS, 5, pp. 88-98 [12]. What Is Robotics? 2009; Available from: knows/what_is_Robotics_58.html. 80