Thiết kế tổ chức dạy học hợp tác chủ đề robot hút bụi cho học sinh trung học cơ sở

Trong giáo dục robotics, HS không chỉ có thể lĩnh hội được các kiến thức về vật lí, sinh học, địa lí, toán học, khoa học, điện tử và kĩ thuật cơ khí, đồng thời đạt được các kĩ năng học t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÍ

ĐẶNG ĐÔNG PHƯƠNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ TỔ CHỨC DẠY HỌC HỢP TÁC CHỦ ĐỀ ROBOT HÚT BỤI CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ

CHUYÊN NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÍ

TP HỒ CHÍ MINH – 5/2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÍ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ TỔ CHỨC DẠY HỌC HỢP TÁC CHỦ ĐỀ ROBOT HÚT BỤI CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ

SINH VIÊN THỰC HIỆN: ĐẶNG ĐÔNG PHƯƠNG

MSSV: 43.01.102.046

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Th.S LÊ HẢI MỸ NGÂN

TP HỒ CHÍ MINH – 5/2021

LỜI CẢM ƠN

Quá trình thực hiện khóa luận đối với tôi phải trải qua rất nhiều khó khăn Để hoàn thiện được khóa luận, tôi đã nhận được nhiều sự động viên, giúp đỡ, hướng dẫn định hướng tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khóa luận của tôi, Th.S Lê Hải Mỹ Ngân là người đã luôn tận tình, tận tâm trong việc hướng dẫn và định hướng cho tôi, đưa cho tôi những lời động viên chân thành trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện khóa luận

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, giảng viên khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh đã truyền dạy, tiếp thêm lòng yêu nghề cho tôi qua những các kiến thức, kinh nghiệm trong suốt thời gian tôi theo học tại trường

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trường THCS – THPT Hoa Sen đã luôn

hỗ trợ tôi và tạo điều kiện tốt nhất trong quá trình thực nghiệm sư phạm để tôi có thể thu nhận được kết quả tốt đẹp

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn bạn Vũ Quốc Thắng đã giúp đỡ và tạo động lực cho tôi trong suốt quá trình thực nghiệm sư phạm; cũng như bạn Nguyễn Thanh Tú

và Mai Thị Kim Ngọc đã cùng đồng hành, hỗ trợ với tôi trong suốt khoảng thời gian học tập tại trường và cả trong quá trình thực hiện khóa luận

Xin chân thành cảm ơn

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5, năm 2021

Tác giả

Đặng Đông Phương

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

MỞ ĐẦU 1

1.Lí do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 3

3 Giả thuyết khoa học 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

5 Nhiệm vụ đề tài 3

6 Phương pháp nghiên cứu 3

7 Cấu trúc khoá luận 4

Chương 1 CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 5

1.1 Giáo dục STEM 5

Khái niệm 5

Quy trình thiết kế kĩ thuật 6

1.2 Giáo dục robotics (Educational robotics) 8

Giới thiệu 8

Giáo dục STEM – robotics 9

Cấu trúc của robot 11

Công cụ trong giáo dục robotics 12

1.3 Năng giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM – robotics 15

Khái niệm 15

Khung năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM – robotics 15

Công cụ đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của HS trong giáo dục robotics 18

1.4 Dạy học hợp tác 22

Giới thiệu 22

Cơ sở lí thuyết của dạy học hợp tác 23

Các thành tố của dạy học hợp tác 26

Các hình thức học tập hợp tác 30

TỔNG KẾT CHƯƠNG 1 33

Chương 2 THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM “ROBOT HÚT BỤI TỰ ĐỘNG TRÁNH VẬT CẢN” THEO DẠY HỌC HỢP TÁC 34

2.1 Bối cảnh và ý nghĩa thực tiễn của chủ đề 34

Bối cảnh sử dụng công nghệ vào các công việc nội trợ (Household tasks) 34

Mô tả chủ đề 35

Sản phẩm dự kiến robot hút bụi đơn giản 35

2.2 Mục tiêu dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề 38

2.3 Phân tích nội dung kiến thức tích trong chủ đề 41

Tính tích hợp STEM của các nội dung kiến thức ứng với các bộ phận cơ học của robot 41

Tính tích hợp STEM của các nội dung kiến thức ứng với cấu tạo chung và nhiệm vụ của robot 41

Phân tích nội dung kiến thức môn Khoa học tự nhiên 43

Phân tích nội dung kiến thức môn Công nghệ 44

Phân tích nội dung kiến thức môn Tin học 45

Phân tích nội dung kiến thức môn Toán học 45

2.4 Thiết bị dạy học và học liệu 46

Bộ dụng cụ Arduino Uno R3 – based robotic kit 46

Tài liệu hướng dẫn thực hiện sản phẩm 49

Học liệu trong chủ đề 55

2.5 Tiến trình tổng quát các pha hoạt động của tiến trình dạy học 57

2.6 Tiến trình tổng quát nội dung hoạt động theo định hướng dạy học hợp tác 60

2.7 Tiến trình tổ chức dạy học chi tiết 61

Hoạt động 1: Đặt vấn đề và giới thiệu dự án học tập (35 phút) 61

Hoạt động 2: Khám phá kiến thức (4 tiết) 70

Hoạt động 3: Lập bản thiết kế sản phẩm robot hút bụi (1 tuần tại nhà và 2 tiết trên lớp) 90

Hoạt động 4: Lắp ráp và vận hành sản phẩm (1 tuần tại nhà) 95

Hoạt động 5: Báo cáo và cải tiến sản phẩm 98

2.8 Đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của HS 100

Công cụ thu nhận thông tin và đánh giá 100

Khung rubric đánh giá năng lực giải quyết vấn đề 103

Bảng kiểm đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của HS 114

TỔNG KẾT CHƯƠNG 2 115

Chương 3 THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM 116

3.1 Mục đích và nhiệm vụ thực nghiệm sư phạm 116

Mục đích 116

Nhiệm vụ 116

3.2 Đối tượng và thời gian thực nghiệm sư phạm 116

3.3 Thuận lợi và khó khăn trong quá trình thực nghiệm sư phạm 118

Thuận lợi 118

Khó khăn 118

3.4 Kế hoạch thực nghiệm sư phạm 118

3.5 Diễn biến thực nghiệm sư phạm 119

Công tác chuẩn bị 119

Diễn biến và phân tích diễn biến, kết quả quá trình thực nghiệm 122

3.6 Đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm 144

Đánh giá định tính 144

Đánh giá định lượng 152

3.7 Khảo sát sự tiếp nhận của HS qua chủ đề robot hút bụi 164

Giới thiệu bảng hỏi khảo sát 164

Kết quả khảo sát 165

TỔNG KẾT CHƯƠNG 3 166

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 167

CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐƯỢC CÔNG BỐ 169

TÀI LIỆU THAM KHẢO 170

PHỤ LỤC 1

Phụ lục 1: Giao diện nghiên cứu nhóm chuyên gia hoạt động 2.2.1 - Google Forms 1

Phụ lục 2: Nội dung trạm nghiên cứu hoạt động 2.3 – nghiên cứu hệ thống hút bụi 12

Phụ lục 3: Bảng khảo sát ý kiến HS về sự tiếp nhận đối với chủ đề Robot hút bụi 14

Phụ lục 4: Tài liệu hướng dẫn thực hiện sản phẩm chi tiết 16Phụ lục 5: Hệ thống phiếu nhiệm vụ các hoạt động trong chủ đề robot hút bụi 23Phụ lục 6: Hệ thống phiếu học tập trong các hoạt động trong chủ đề robot hút bụi 29Phụ lục 7: Hệ thống bộ hướng dẫn trong các hoạt động trong chủ đề robot hút bụi 34

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh bộ công cụ LEGO Mindstorm EV3 và Arduino Uno theo (Chen &

Chang, 2018) 14

Bảng 1.2 Khung năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục robotics cho HS THCS (Bien & Ngan, 2020) 16

Bảng 1.3 Khung rubric đánh giá năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục robotics cho HS THCS (Bien & Ngan, 2020) 18

Bảng 1.4 Phân loại các loại phụ thuộc tích cực trong dạy học hợp tác 27

Bảng 2.1 Chú thích các bộ phận của hệ thống 35

Bảng 2.2 Mục tiêu dạy học phát triển giải quyết vấn đề theo khung năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục robotics 38

Bảng 2.3 Yêu cầu cần đạt kiến thức môn Khoa học tự nhiên 43

Bảng 2.4 Yêu cầu cần đạt kiến thức môn Công nghệ 44

Bảng 2.5 Yêu cầu cần đạt kiến thức môn Tin học 45

Bảng 2.6 Yêu cầu cần đạt kiến thức môn Toán học 45

Bảng 2.7 Bộ dụng cụ sử dụng trong chủ đề robot hút bụi 47

Bảng 2.8 Tài liệu hỗ trợ tiến trình dạy học 49

Bảng 2.9 Hướng dẫn thực hiện chế tạo robot hút bụi 50

Bảng 2.10 Hướng dẫn kết nối các bộ phận robot hút bụi 54

Bảng 2.11 Danh sách học liệu sử dụng trong chủ đề 55

Bảng 2.12 Bảng tiến trình dạy học tổng quát chủ đề robot hút bụi 57

Bảng 2.13 Bảng tổng hợp phương tiện và cách thức đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của HS dựa trên khung năng lực giải quyết vấn đề robotics (Bien & Ngan, 2020) 100

Bảng 2.14 Bảng tổng hợp các chỉ số hành vi năng lực giải quyết vấn đề trong từng hoạt động chủ đề robot hút bụi 102

Bảng 2.15 Khung rubric đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của HS theo từng hoạt động trong chủ đề robot hút bụi 103

Bảng 2.16 Bảng kiểm đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của HS theo từng hoạt động trong chủ đề robot hút bụi 114

Bảng 3.1 Danh sách HS tham gia thực nghiệm sư phạm 117

Bảng 3.2 Kế hoạch thực nghiệm sư phạm 118

Bảng 3.3 Nội dung các học liệu được sử dụng trong quá trình thực nghiệm 119

Bảng 3.4 Nội dung các dụng cụ và vật liệu được sử dụng trong quá trình thực nghiệm 120

Bảng 3.5 Một số câu trả lời của HS về lợi ích của robot 125

Bảng 3.6 Điểm số đánh giá quá trình thực hiện trên các nhóm chuyên gia 134

Bảng 3.7 Kết quả ghi nhận biểu hiện năng lực giải quyết vấn đề của HS 144

Bảng 3.8 Bảng đánh giá chỉ số hành vi năng lực giải quyết vấn đề của HS 152

Bảng 3.9 Kết quả năng lực giải quyết vấn đề đạt được của các HS nhóm 1 153

Bảng 3.10 Kết quả năng lực giải quyết vấn đề đạt được của các HS nhóm 2 154

Bảng 3.11 Kết quả năng lực giải quyết vấn đề đạt được của các HS nhóm 3 156

Bảng 3.12 Kết quả năng lực giải quyết vấn đề đạt được của các HS nhóm 4 158

Bảng 3.13 Kết quả năng lực giải quyết vấn đề đạt được của các HS nhóm 5 160

Bảng 3.14 Kết quả trung bình năng lực giải quyết vấn đề đạt được của HS theo từng nhóm 161

Bảng 3.15 Cấu trúc bảng hỏi khảo sát sự tiếp nhận của HS 164

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mục tiêu giáo dục STEM 6

Hình 1.2 Sơ đồ quy trình thiết kế kĩ thuật EDP 8

Hình 1.3 Sơ đồ tổng hợp cấu trúc, nguyên lí các bộ phận robot và mối liên hệ giữa các lĩnh vực STEM và các bộ phận robot 12

Hình 1.4 Robot Boebot 13

Hình 1.5 Vi điều khiển Arduino Uno R3 13

Hình 1.6 Mạch điều khiển động cơ L293D 14

Hình 1.7 Sơ đồ phân loại các nhóm và tính chất của các loại nhóm 23

Hình 1.8 Các thành tố của dạy học hợp tác 26

Hình 2.1 Bản vẽ cấu tạo các mặt của robot hút bụi 35

Hình 2.2 Sơ đồ nối dây hệ thống hút bụi 36

Hình 2.3 Sơ đồ tóm tắt nguyên lí và bộ phận của robot hút bụi ứng với sơ đồ xử lí thông tin của robot 37

Hình 2.4 Nội dung lập trình trên phần mềm mBlock ứng với sơ đồ xử lí thông tin 37 Hình 2.5 Sơ đồ kiến thức của các bộ phận ứng với các lĩnh vực STEM 41

Hình 2.6 Sơ đồ kiến thức các lĩnh vực STEM ứng với các nhiệm vụ của robot 42

Hình 2.7 Hướng dẫn thực hiện lập trình và diễn giải nội dung robot hút bụi 55

Hình 2.8 Sản phẩm robot hút bụi mẫu 55

Hình 2.9 Sơ đồ mối liên hệ giữa tiến trình dạy học với kĩ thuật dạy học và các thành tố trong dạy học hợp tác 60

Hình 3.1 GV chuẩn bị laptop và máy quay trước khi thực nghiệm 122

Hình 3.2 Quá trình HS phân chia thành viên và vai trò nhóm 124

Hình 3.3 HS quan sát video và trả lời các câu hỏi đặt vấn đề 125

Hình 3.4 Kết quả phân chia thành viên và vai trò nhóm của HS 125

Hình 3.5 HS thảo luận nhóm và trình bày khăn trải bàn về cấu tạo chung của robot 127

Hình 3.6 HS tìm kiếm linh kiện trên Google 129

Hình 3.7 Sản phẩm thảo luận nhóm và cá nhân khăn trải bàn cấu tạo robot hút bụi của HS 129

Hình 3.8 Phần ghi chú các bộ phận linh kiện tìm kiếm của HS 130

Hình 3.9 Bộ dụng cụ GV chuẩn bị cho HS ở các nhóm chuyên gia 131

Hình 3.10 HS tham gia hoạt động ở các nhóm chuyên gia 133

Hình 3.11 Bộ dụng cụ GV chuẩn bị cho HS ở nhiệm vụ tổng kết 133

Hình 3.12 HS thực hiện nhiệm vụ tổng kết lắp ráp và lập trình xe tự hành 134

Hình 3.13 Kết quả lập trình của HS ở hoạt động tổng kết 135

Hình 3.14 Hình ảnh bộ dụng cụ sử dụng ở hoạt động 2.3 136

Hình 3.15 HS thực hiện nghiên cứu hệ thống hút bụi và vẽ sơ đồ tổng kết kiến thức 136

Hình 3.16 Phần trình bày của HS khi nghiên cứu các trạm về hệ thống hút bụi 137

Hình 3.17 Phần trình bày của HS khi nghiên cứu các trạm về hệ thống hút bụi 137

Hình 3.18 GV ôn tập nhiệm vụ của robot và giới thiệu các bước thiết kế bản vẽ 138 Hình 3.19 Dụng cụ của HS ở hoạt động thiết kế bản vẽ cấu tạo 138

Hình 3.20 HS thực hiện thiết kế bản vẽ cấu tạo robot hút bụi 139

Hình 3.21 Sản phẩm bản thiết kế robot hút bụi của các nhóm HS 140

Hình 3.22 Bộ dụng cụ HS sử dụng ở hoạt động 4 141

Hình 3.23 HS thực hiện quá trình gia công vật liệu cho robot hút bụi 143

Hình 3.24 HS thực hiện nhiệm lắp đặt các dụng cụ, linh kiện vào robot hút bụi 143 Hình 3.25 HS thực hiện nhiệm vụ lập trình chuyển động của robot hút bụi 143

Hình 3.26 Một số sản phẩm robot hút bụi của HS thực hiện 144

Hình 3.27 HS ghi chú quá trình thử nghiệm và cải tiến sản phẩm 144

Hình 3.28 Biểu đồ thể hiện mức độ đạt được năng lực giải quyết vấn đề của các HS nhóm 1 153

Hình 3.29 Biểu đồ thể hiện mức độ đạt được năng lực giải quyết vấn đề của các HS nhóm 2 155

Hình 3.30 Biểu đồ thể hiện mức độ đạt được năng lực giải quyết vấn đề của các HS nhóm 3 157

Hình 3.31 Biểu đồ thể hiện mức độ đạt được năng lực giải quyết vấn đề của các HS nhóm 4 159

Hình 3.32 Biểu đồ thể hiện mức độ đạt được năng lực giải quyết vấn đề của các HS nhóm 160Hình 3.33 Biểu đồ thể hiện trung bình mức độ đạt được năng lực giải quyết vấn đề của HS theo từng nhóm 162Hình 3.34 Kết quả khảo sát sự tiếp nhận của HS qua chủ đề robot hút bụi 165

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, giáo dục STEM là một xu hướng được quan tâm ở nhiều nước như Trung Quốc, Ấn Độ, Malaysia, Úc, Anh và Canada (Miwa A Takeuchi, Pratim Sengupta, Marie-Claire Shanahan, 2020) và mối quan tâm này đang dần được nâng cao và không có dấu hiệu giảm đi Các nhà giáo dục, các tổ chức kinh doanh đang nhấn mạnh tính cấp thiết của việc học tập và cải thiện các kĩ năng STEM nhằm đáp ứng các thách thức xã hội, kinh tế hiện tại của và tương lai (Czerniak và cộng sự, 1999; Honey và cộng sự, 2014; Marginson và cộng sự 2013; Prinsley và cộng sự, 2015) Ở Việt Nam, giáo dục STEM đang được rất nhiều sự quan tâm từ những năm 2010 đến nay Cụ thể, khái niệm giáo dục STEM được nêu rõ trong chương trình giáo dục phổ thông 2018 và được nhắc đến trong các chương trình học liên quan bao gồm Toán, Khoa học, Tin học và Công nghệ (Bộ Giáo dục và Đào tạo, 2018) Mục đích của giáo dục STEM hướng tới sự phát triển năng lực đặc thù của các môn học Khoa học (Science), Công nghệ (Technology), Kĩ thuật (Engineering) và Toán học (Mathematics), phát triển năng lực chung và định hướng nghề nghiệp cho

HS

Trong thời kì cách mạng công nghiệp 4.0, robot đang dần được tích hợp trong xã hội và vì sự tiện ích của chúng trong cuộc sống đối với con người Không những vậy, các tác động tích cực của robot đối với xã hội thể hiện tầm quan trọng lớn đối với trẻ

em và thanh thiếu niên, bởi dần trở thành công cụ hoặc đối tượng được đưa vào để phát triển và tăng trưởng trí tuệ của HS tại các trường học trên thế giới (Mubin, Stevens, Shahid, Mahmud, & Dong, 2013) Một số nghiên cứu cho thấy rằng, việc triển khai robot trong dạy học mang lại nhiều hiệu quả trong dạy học các môn học liên quan (Yanik, Kurz, & Memis, 2016) Theo (T J Kopcha et al., 2017), giáo dục robotics là một trong các hình thức triển khai giáo dục STEM mang lại nhiều hiệu quả

Giáo dục khoa học robot hay giáo dục robotics (Educational robotics) với định

hướng đưa khoa học robot và giáo dục nhằm hướng đến việc nâng cao trải nghiệm

học tập của HS thông qua các hoạt động gắn liền với robot Giáo dục robotics cung cấp một môi trường học tập lí thú và tích cực cho HS với tính chất thực hành và sự tích hợp công nghệ được đề (Myint Swe Khine, 2017) Trong giáo dục robotics, HS không chỉ có thể lĩnh hội được các kiến thức về vật lí, sinh học, địa lí, toán học, khoa học, điện tử và kĩ thuật cơ khí, đồng thời đạt được các kĩ năng học thuật quan trọng, chẳng hạn như nghiên cứu, sáng tạo, cộng tác, kĩ năng tư duy phản biện, đưa ra quyết

định, giải quyết vấn đề và giao tiếp cũng như kĩ năng tư duy thiết kế và tính toán

Ban đầu, chương trình giáo dục robotics chủ yếu nhấn mạnh vào lập trình hoặc lắp ráp robot nhưng ít thể hiện sự tích hợp kiến thức của các bộ môn STEM và các kĩ năng giải quyết vấn đề liên quan (Benitti, 2012) Lí do có thể kể đến là do việc sử dụng LEGO vào trong dạy học robot trở nên phổ biến và trở thành xu hướng như hiện nay Theo nghiên cứu của (Chen & Chang, 2018), bộ dụng cụ LEGO còn thiếu sự linh hoạt nên vẫn còn tồn tại những hạn chế trong việc bồi dưỡng và phát triển một

số kĩ năng học tập STEM chẳng hạn như kĩ năng vận dụng các kiến thức thuộc lĩnh vực STEM để giải quyết các vấn đề, kĩ năng tư duy thiết kế, kĩ năng sáng tạo, Để khắc phục các vấn đề này, đề tài Robot hút bụi tự động tránh vật cản sẽ khai thác lĩnh vực STEM – Robotics bằng việc sử dụng mã nguồn mở kết hợp vi điều khiển Arduino với các ưu điểm như kích thước nhỏ gọn dễ dàng lắp ráp, chế tạo, giá thành thấp hơn

so với LEGO và tính linh hoạt, khả năng tương tích cao cho phép người dùng tự do thiết kế và sáng tạo (Fortunati, Esposito, Ferrin, & Viel, 2014)

Trong phạm vi khóa luận, chúng tôi tiếp cận và nghiên cứu xây dựng chủ đề STEM – robotics với nội dung Robot hút bụi tự động tránh vật cản Với sự tích hợp các kiến thức thuộc các bộ môn Công nghệ, Khoa học tự nhiên, Tin học, Toán học thuộc khuôn khổ chương trình trung học phổ thông 2018, chủ đề này giúp HS tìm hiểu, khám phá

cơ chế của robot hút bụi hoàn chỉnh nhằm hút bụi bám và vệ sinh nhà cửa qua việc nghiên cứu về cấu tạo nguyên lí của hệ thống hút bụi, các bộ động cơ, cảm biến và

bộ lập trình điều khiển Arduino Ngoài ra, kết hợp với tính thực tiễn cao, gắn liền với đời sống của con người, các kiến thức STEM, năng lực giải quyết vấn đề của HS sẽ được củng cố và bồi dưỡng thông qua các hoạt động học tập, nghiên cứu dưới được hướng dẫn của GV bằng mô hình dạy học hợp tác

2 Mục tiêu của đề tài

- Thiết kế tổ chức dạy học chủ đề Robot hút bụi cho HS THCS theo định hướng dạy học hợp tác qua đó bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho HS

3 Giả thuyết khoa học

- Nếu tổ chức dạy học hợp tác chủ đề robot hút bụi theo tiến trình phù hợp thì

sẽ bồi dưỡng được năng lực giải quyết vấn đề cho HS THCS

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Hoạt động học tập hợp tác của HS trong chủ đề STEM

– Robotics trong trường THCS

- Phạm vi nghiên cứu: Hoạt động dạy và học môn Khoa học tự nhiên, công

nghệ, tin học theo chương trình phổ thông 2018 cấp THCS

5 Nhiệm vụ đề tài

- Tìm hiểu cơ sở lí luận và thực tiễn về dạy học theo định hướng giáo dục STEM, đặc biệt là giáo dục STEM lĩnh vực robotics

- Tìm hiểu về năng lực giải quyết vấn đề của HS

- Tìm hiểu tiến trình dạy học chủ đề STEM lĩnh vực robotics

- Tìm hiểu tiến trình dạy học hợp tác

- Phân tích và xây dựng nội dung chủ đề robot hút bụi tự động dò tránh vật cản

- Thiết kế tổ chức dạy học hợp tác chủ đề robot hút bụi:

● Xây dựng hệ thống các công cụ dạy học: Bộ dụng cụ chế xe dò tránh vật cản, hệ thống hút, thí nghiệm, video, tranh ảnh, phiếu bài tập

● Xây dựng kế hoạch bài dạy tổ chức các hoạt động theo định hướng dạy học hợp tác

● Xây dựng hệ thống câu hỏi, bảng tiêu chí đánh giá năng lực giải quyết vấn

đề của HS, đánh giá quá trình dạy – học hợp tác của HS và GV

● Thực nghiệm sư phạm một phần của đề tài và đánh giá kết quả thực nghiệm

6 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lí luận

- Nghiên cứu thực tiễn

- Thực nghiệm sư phạm

7 Cấu trúc khoá luận

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, cấu trúc dự kiến của đề tài gồm

3 chương:

- Chương 1 CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI

- Chương 2 THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ “ROBOT HÚT BỤI TỰ ĐỘNG TRÁNH VẬT CẢN”

- Chương 3 THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM

Chương 1 CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI

1.1 Giáo dục STEM

Khái niệm

STEM là viết tắt của Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering

(Kĩ thuật) và Mathematics (Toán học) Trong phạm vi luận văn, chúng tôi tiếp cận giáo dục STEM theo quan điểm của chương trình giáo dục phổ thông 2018: “Giáo

dục STEM là mô hình giáo dục dựa trên cách tiếp cận liên môn, giúp HS áp dụng các kiến thức Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học vào giải quyết một số vấn đề thực tiễn trong bối cảnh cụ thể” (Bộ Giáo dục và Đào tạo, 2018)

Mặc dù có thể được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau, song giáo dục STEM đều thể hiện được ba đặc điểm chính (Nguyễn Thanh Hải, 2017):

(1) Sự tiếp cận liên ngành: Các lĩnh vực trong STEM được kết nối, bổ trợ lẫn

nhau trong từng ngành

(2) Sự lồng ghép lí thuyết và thực hành: Mục tiêu giáo dục STEM cần phải kết

hợp lí thuyết với thực hành nhằm tạo ra các sản phẩm cụ thể hoặc giải quyết các vấn đề thực tiễn

(3) Sự kết nối xã hội: Giáo dục STEM không chỉ hướng đến vấn đề cụ thể của

địa phương mà phải đặt trong mối liên hệ với bối cảnh kinh tế toàn cầu và các

xu hướng chung của thế giới như biến đổi khí hậu, năng lượng tái tạo… Tại Việt Nam, trong tài liệu tập huấn cán bộ quản lí, GV về xây dựng chủ đề giáo dục của Bộ Giáo Dục (Bien et al., 2020) đã xác định ba nhóm mục tiêu chính của giáo

dục STEM theo sơ đồ hình 1.1

(1) Phát triển các năng lực đặc thù các môn học thuộc lĩnh vực STEM: khả

năng vận dụng những kiến thức, kĩ năng liên quan đến các môn học Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học nhằm vận dụng vào thực tiễn

(2) Phát triển các năng lực chung cho HS: năng lực giải quyết vấn đề và sáng

tạo, năng lực giao tiếp và hợp tác, năng lực tự chủ và tự học

(3) Định hướng nghề nghiệp cho HS: Giáo dục STEM cung cấp cho HS kiến

thức, kĩ năng mang tính nền tảng cho việc học tập ở các bậc học cao hơn cũng như cho nghề nghiệp trong tương lai

Hình 1.1 Mục tiêu của giáo dục STEM Quy trình thiết kế kĩ thuật

Quy trình thiết kế kĩ thuật EDP là quá trình được lặp đi lặp lại của kĩ sư sử dụng

để giải quyết vấn đề Đây là một quy trình động, khép kín và không bao giờ kết thúc, giúp nhấn mạnh các việc cần làm của một kĩ sư đặt câu hỏi, nghiên cứu thông tin, thử nghiệm ý tưởng, sửa đổi và cải thiện cũng như chia sẻ với cộng đồng Quy trình này đóng vai trò như một khuôn khổ hỗ trợ việc học khoa học, toán học, kĩ thuật và công nghệ (STEM) thông qua việc giải quyết các vấn đề thực tiễn (Kim, Oliver, & Kim, 2019; Moore et al., 2014) Các bước của quy trình thiết kế kĩ thuật không tuyến tính

mà quá trình này lặp đi lặp lại một cách linh hoạt Từ đó, người thực hiện có thể

chuyển từ bước thiết kế này từ bước thiết kế khác, xác định vấn đề và đặt ra các giải

pháp khả thi, trình bày bối cảnh thực tiễn và xác định mối liên hệ các những nội dung

kiến thức với các bối cảnh đó (Walker, W S., Moore, T J., Guzey, S S., & Sorge,

2018)

Điểm đặc biệt của quy trình này là không tồn tại một công thức thiết kế sẵn cụ thể

và không tồn tại một bản vẽ cho trước (Crismond, 2013) Vì vậy, quy trình này phù hợp để tạo cơ hội cho học sinh “nghiên cứu, suy nghĩ thiết kế và lập kế hoạch” trước khi tiến hành thi công và thử nghiệm Theo (Crismond, 2013), những người mới bắt đầu với quy trình thiết kế kĩ thuật thường gặp một số vấn đề như: (1) không có cơ sở

để việc thiết kế, (2) phác thảo ý tưởng không chính xác, (3) không biết cách thử nghiệm, (4) thiếu tính sáng tạo, (5) không nghiên cứu các những kiến thức liên quan

Do đó, việc áp dụng quy trình EDP nhằm tăng cường hiểu biết của HS về thiết kế mở

để đưa ra các ý tưởng mới, áp dụng các khái niệm khoa học và toán học, biết thử nghiệm và tự đánh giá để đưa đến những điều chỉnh cải tiến phù hợp

Quy trình thiết kế kĩ thuật được nhiều tác giả sử dụng với nhiều hình thức khác

nhau ứng với các mục tiêu, mức độ vấn đề cần giải quyết khác nhau Trong phạm vi luận văn, chúng tôi vận dụng quy trình thiết kế kĩ thuật được xây dựng bởi các kĩ sư NASA (National Aeronautics and Space Administration) đóng vai trò nền tảng xuyên

suốt chủ đề (NASA’s best, 2011) với 6 bước chính được thể hiện trong hình 1.2 (1) Đặt câu hỏi (Ask): Xác định vấn đề, các yêu cầu cần phải đáp ứng và các hạn

chế cần xem xét

(2) Tưởng tượng (Imagine): Tư duy, suy nghĩ về các giải pháp và các ý tưởng

nghiên cứu

(3) Lập kế hoạch (Plan): Lựa chọn từ 2 đến 3 ý tưởng tốt nhất và phác thảo các

ý tưởng khả thi, từ đó xem xét lựa chọn một mẫu thiết kế cuối cùng để thực hiện

(4) Sáng tạo (Create): Chế tạo mô hình, sản phẩm dựa trên các yêu cầu thiết kế (5) Kiểm tra (Test): Thực nghiệm để đánh giá kết quả thực hiện; từ đó thu nhập

thông tin và phân tích dữ liệu; thông qua đó xác định được điểm mạnh và điểm yếu cần khắc phục với mô hình, sản phẩm đã thực hiện

(6) Cải tiến (Improve): Cải tiến mô hình, sản phẩm của mình, xác định những

thay đổi mình sẽ thực hiện và đưa ra những giải thích cho sự thay đổi đó

Hình 1.2 Sơ đồ quy trình thiết kế kĩ thuật EDP theo (NASA’s best, 2011)

1.2 Giáo dục robotics (Educational robotics)

Giới thiệu

Nhiều nghiên cứu cho rằng robot có thể mang lại nhiều hiệu quả giáo dục khác nhau cho HS ở tất cả các cấp học (Atmatzidou, Demetriadis, & Nika, 2018; Erkan Çalişkan, 2020; J Johnson, 2003) Các tác động tích cực này của robot thể hiện rõ hơn đối với HS ở tiểu học và trung học, khi đó robot là công cụ hiệu quả trong việc

sử dụng cho sự phát triển và tăng trưởng trí tuệ của HS Do đó, yêu cầu đặt ra là cần phải kết hợp robot với giáo dục giúp HS có thể học tập thông qua chúng (Mubin, Omar & Stevens, Catherine & Shahid, Suleman & Mahmud, Abdullah & Dong, 2013) Theo (Myint Swe Khine, 2017), giáo dục robotics (educational robotics) là một công cụ dạy và học mạnh mẽ, linh hoạt, thu hút HS tham gia vào các hoạt động xây dựng và điều khiển robot bằng các công cụ lập trình cụ thể Trong các hoạt động giáo dục robotics, HS giải quyết các vấn đề phức tạp thông qua việc chế tạo, thiết kế, thử nghiệm một sản phẩm hữu hình cụ thể (robot) Qua đó HS được bồi dưỡng và phát triển năng lực giải quyết vấn đề trong các bối cảnh thực tiễn

Giáo dục robotics cung cấp một môi trường học tập lí thú và tích cực cho HS với tính chất thực hành và sự tích hợp công nghệ (D Alimisis, 2009) Giáo dục robotics

được tổ chức theo các phương pháp dạy học dự án, dạy học giải quyết vấn đề, dạy học dựa trên thiết kế, trong đó trọng tâm là quá trình học, thay vì sản phẩm cuối cùng (Myint Swe Khine, 2017) Thông qua quá trình học tập, HS không những tăng cường

sự hứng thú học tập và nghiên cứu (Chen & Chang, 2018) mà HS còn được bồi dưỡng các nhóm kĩ năng chẳng hạn: (a) kĩ năng tư duy (quan sát, dự đoán, vận dụng), (b) kĩ năng về quy trình khoa học, giải quyết vấn đề (đưa và kiểm tra giả thuyết, đưa và kiểm tra giải pháp), (c) kĩ năng xã hội, làm việc nhóm (Myint Swe Khine, 2017)

Giáo dục STEM – robotics

Robot là sản phẩm của sự tương tác giữa kiến thức và tư duy của khoa học và công nghệ nên có liên hệ mật thiết đến các lĩnh vực STEM Giáo dục robotics góp phần thúc đẩy HS trong việc học tập STEM (Alimisis, 2013; Benitti, 2012) Các nghiên cứu chỉ ra rằng, trong quá trình tham gia hoạt động robotics, HS không chỉ lĩnh hội được các kiến thức về vật lí, sinh học, địa lí, toán học, khoa học, điện tử và kĩ thuật

cơ khí, đồng thời còn đạt được các kĩ năng học thuật quan trọng, chẳng hạn như nghiên cứu, sáng tạo, cộng tác, kĩ năng tư duy phản biện, đưa ra quyết định, giải quyết vấn đề và giao tiếp cũng như kĩ năng tư duy thiết kế và tính toán (Atmatzidou, 2012; Benitti, 2012; Carbonaro, Rex, & Chambers, 2004; D Alimisis, 2009; Eguchi, 2014b, 2016; Kolberg & Orlev, 2001; Miller, Nourbakhsh, & Siegwart, 2008; Nourbakhsh, Hamner, Crowley, & Wilkinson, 2004; Sklar & Eguchi, 2005)

Nhiều nghiên cứu đã đưa ra được những lợi ích của giáo dục STEM - robotics đối với việc thu nhận kiến thức, phát triển nhận thức và thái độ của HS:

(1) Các kĩ năng học thuật: Bao gồm kiến thức và kĩ năng khoa học (Benitti,

2012; Mitnik, Nussbaum, & Recabarren, 2009; Williams, Ma, Prejean, Ford,

& Lai, 2008), kĩ thuật, công nghệ (Barker & Ansorge, 2007), toán học (Eguchi, 2016; Hussain, Lindh, & Shukur, 2006) và lập trình máy tính của HS (Nugent, Barker, Grandgenett, & Adamchuk, 2010)

(2) Năng lực cốt lõi: Theo nghiên cứu của (Arís & Orcos, 2019; M Bers,

Flannery, Kazakoff Myers, & Sullivan, 2014), một trong các năng lực được

phát triển một cách rõ ràng nhất khi HS tham gia giáo dục robotics là năng lực

giải quyết vấn đề đặc biệt là tư duy máy tính (computational thinking)

(3) Khả năng tìm hiểu khoa học: Khả năng tìm hiểu khoa học của HS được cải

thiện thông qua việc phải áp dụng kiến thức và kĩ năng để tìm ra giải pháp và chế tạo một robot để giải quyết một vấn đề (Jojoa, Bravo, & Cortes, 2010;

Nugent, Barker, Grandgenett, & Welch, 2016)

(4) Thúc đẩy, tạo hứng thú học tập, tăng cường nhận thức của HS: Đối với

các lĩnh vực liên quan đến công nghệ (Becker, K & Park, 2011) Nghiên cứu của (Hernandez et al., 2014), cho rằng các nhiệm vụ liên quan đến thiết kế kĩ thuật có thể kích thích sự tham gia của HS và tăng cường hứng thú của HS Ngoài ra, chương trình giảng dạy STEM khi được tích hợp với giáo dục robotics có thể thúc đẩy nhận thức HS về mối quan tâm của HS đối với nghề nghiệp trong lĩnh vực STEM nhằm định hướng nghề nghiệp cho HS (Abaid, Kopman, & Porfiri, 2013; Doerschuk et al., 2016; Jojoa et al., 2010) do tính chất vận dụng lí thuyết vào thực hành cao

Giáo dục STEM lĩnh vực robotics có thể được hiểu là giáo dục STEM với bối cảnh gắn với lĩnh vực robotics, và công cụ robot được khai thác trong quá trình triển khai các hoạt động học tập Trong giáo dục STEM – robotics, công cụ robot vừa được xem

là đối tượng vừa được xem là công cụ học tập tạo cơ hội cho HS nghiên cứu, thiết kế

và chế tạo robot nhằm giải quyết các vấn đề thực tiễn (Arís & Orcos, 2019)

(1) Robot là công cụ học tập: Robot là công cụ dạy học hiệu quả, hỗ trợ GV

trong quá trình giảng dạy và cho HS cơ hội tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức

ở các lĩnh vực STEM (M U Bers, Ponte, Juelich, Viera, & Schenker, 2002; Eguchi, 2014a; Eteokleous, 2017) HS có thể tự tìm hiểu và hình thành các kiến thức trong các môn học thông qua việc tương tác với robot, vận dụng các kiến thức đã được học tham gia các hoạt động củng cố sử dụng robot là công

cụ chẳng hạn các thí nghiệm, hoạt động thực hành, trải nghiệm,… (Altin & Pedaste, 1980) Từ đó giúp HS tiếp thu kiến thức hiệu quả hơn và vận dụng tốt hơn các kiến thức được học vào thực tiễn

(2) Robot là đối tượng học tập: Lĩnh vực robotics được xem là một môn học

riêng, có chủ đề học tập riêng (Jung & Won, 2018) Ở khía cạnh này, tính chất tích hợp của STEM và robotics được thể hiện rõ thông qua các bối cảnh thực

tiễn mà người học phải tham gia tìm hiểu, khám phá các ứng dụng của robot hoặc thậm chí phải tự thiết kế, chế tạo robot để giải quyết các vấn đề (Benitti, 2012; T Kopcha et al., 2017)

Cấu trúc của robot

Theo (Alimisis, 2012), cấu tạo của robot gồm ba bộ phận được thể hiện ở hình 1.3,

bao gồm: (1) Bộ phận cảm biến, (2) bộ não xử lí và (3) bộ phận vận hành

(1) Bộ phận cảm biến tiếp nhận các thông tin từ môi trường bên ngoài thông qua

các cảm biến, các thông tin này (thông tin đầu vào – input) sau đó sẽ được đưa

vào bộ não xử lí

(2) Bộ não xử lí hay còn gọi là trung tâm xử lí thông tin của robot được cài đặt

các yêu cầu mà con người đặt ra thông qua lập trình Các thông tin đầu vào

lúc này sẽ được đối chiếu, phân tích với các yêu cầu, từ đó xuất ra thông tin

(thông tin đầu ra – output) truyền tới bộ phận vận hành

(3) Dựa vào các “chỉ thị” của bộ não xử lí, bộ phận vận hành thực hiện các thao

tác như đã thiết lập

Với hướng tiếp cận STEM – robotics, trong đó robot vừa là đối tượng vừa là công

cụ học tập, (Bien & Ngan, 2020) đã đưa ra mối liên hệ giữa các lĩnh vực STEM và

các bộ phận của robot được thể hiện trong hình 1.3

(1) Kiến thức, kĩ thuật và công nghệ là nền tảng thiết kế, chế tạo và vận hành sản

phẩm Kiến thức công nghệ, kĩ thuật và tin học là nền tảng cho việc tìm hiểu các bộ phận của robot cũng như để thiết kế chế tạo một robot Với các khía

cạnh này, robot chính là đối tượng học tập để HS tìm hiểu, nghiên cứu, thiết kế

và chế tạo, được thể hiện bởi các mũi tên liền nét

(2) Kiến thức khoa học và toán học dùng để thiết lập “thuộc tính tư duy” cho robot,

hay nói cách khác là nền tảng kiến thức để thiết lập các mệnh lệnh đúng cho

các bộ phận của robot Với khía cạnh này, robot chính là công cụ học tập hỗ

trợ HS khám phá kiến thức, được thể hiện bởi các mũi tên đứt nét

Hình 1.3 Sơ đồ tổng hợp cấu trúc, nguyên lí các bộ phận robot và mối liên hệ giữa

các lĩnh vực STEM và các bộ phận robot dựa vào các nghiên cứu của (Alimisis,

2013; Altin & Pedaste, 1980) và (Bien & Ngan, 2020) Công cụ trong giáo dục robotics

Trong giáo dục robotics, bộ công cụ đóng vai trò quan trọng Theo (Mubin et al., 2013), công cụ robot được chia thành ba loại chính đáp ứng các nội dung, mục tiêu học tập khác nhau:

(1) Bộ công cụ robot điện tử: ví dụ: Arduino,

Boebot Trong quá trình thiết kế và chế tạo, HS

có thể áp dụng các kiến thức vào các quá trình,

hay vận dụng để sáng tạo các ý tưởng đặc biệt

(Huang, Chen, & Liu, 2016)

(2) Bộ công cụ robot cơ học: bộ công cụ này tập

trung vào yếu tố cấu trúc của robot, người học

có thể linh hoạt lắp ráp robot tùy theo yêu cầu

thiết kế cũng như nhiệm vụ robot thực hiện Bộ công cụ robot cơ học nổi tiếng

có thể kể đến là bộ LEGO Mindstorms với các ưu điểm giúp HS học được

nhiều môn học khác nhau từ ngôn ngữ, lập trình, vật lí, thiết kế kĩ thuật, (3) Bộ công cụ robot người máy: ví dụ: bộ công cụ này có thiết kế giống con

người, hay các loại động vật Những robot như vậy được sử dụng để dạy các môn học phi kĩ thuật như ngôn ngữ, âm nhạc, và đòi hỏi robot phải tham gia

vào một số hình thức tương tác xã hội với HS

Trong chủ đề chế tạo robot hút bụi, chúng tôi

chọn sử dụng bộ công cụ robot điện tử do tính

tích hợp các kiến thức, sự linh hoạt trong việc lựa

chọn linh kiện nhằm bồi dưỡng và phát triển

năng lực giải quyết vấn đề của HS Cụ thể, chúng

tôi sử dụng vi điều khiển Arduino Uno là công

cụ nền tảng cho bộ não của robot và tích hợp với

nó là mạch điều khiển động cơ L293D Vi điều

khiển Arduino sử dụng ngôn ngữ lập trình Java,

C hoặc lập trình thông qua các phần mềm lập trình trực quan như Scratch, Ardublock (Fernandes, Couceiro, Portugal, Santos, & Rocha, 2015; López-Rodríguez & Cuesta, 2016) Trong đề tài này, HS được tiếp cận phần mềm lập trình trực quan mBlock

Hình 1.4 Robot Boebot

Hình 1.5 Vi điều khiển Arduino

Uno R3

Bảng 1.1 được tổng hợp bởi (Chen & Chang, 2018) so sánh bộ công cụ Arduino

và bộ công cụ robot cơ học đang được sử dụng phổ biến là LEGO Mindstorm, hiện đang được sử dụng phổ biến Qua đó, những ưu điểm của Arduino so với LEGO Mindstorm được thể hiện chi tiết, các ưu điểm nổi

bật của Arduino được thể hiện như sau:

(1) Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ: Dễ chế

tạo và tích hợp vào các mô hình có cấu trúc

phức tạp

(2) Chi phí thấp: Phù hợp trong việc triển khai

vào trường học với số lượng HS lớn

(3) Tính linh hoạt và khả năng tương thích

cao: Cho phép người sử dụng tự do sáng tạo

do đây là nền tảng điện tử mã nguồn mở và có thể tích hợp với nhiều dụng cụ,

thiết bị điện tử khác nhau

Bảng 1.1 So sánh bộ công cụ LEGO Mindstorm EV3 và Arduino Uno theo (Chen

++ : Tiềm năng tốt nhưng còn hạn chế

+ : Không có tiềm năng

1.3 Năng giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM – robotics

Khái niệm

Giải quyết vấn đề là quá trình xây dựng và áp dụng các biểu diễn tinh thần của các vấn đề để tìm ra giải pháp cho những vấn đề gặp phải trong hầu hết mọi bối cảnh

(Jonassen & Hung, 2012) Năng lực giải quyết vấn đề là khả năng của một cá nhân

tham gia vào quá trình xử lí nhận thức để hiểu và giải quyết các tình huống có vấn đề

mà khi đó chưa thể giải quyết ngay lập tức Nó bao gồm sự sẵn sàng tham gia vào các tình huống có vấn đề để đạt được mục đích để xây dựng và phản chiếu lại chúng (OECD, 2014) Năng lực giải quyết vấn đề của HS được thể hiện ở khả năng huy động mọi nguồn lực phù hợp (kiến thức, kĩ năng, thái độ, phương tiện vật chất, con người, tài chính, thời gian, ) để giải quyết thành công một nhiệm vụ phức hợp trong học tập hay trong thực tiễn của cuộc sống (Nga, 2019)

Trong quá trình tham gia học tập chủ đề STEM – robotics, một trong các năng lực được phát triển một cách rõ ràng nhất là năng lực giải quyết vấn đề (Arís & Orcos, 2019) Ngoài ra, theo (Atmatzidou et al., 2018), trong quá trình tương tác, tìm hiểu các công cụ, kiến thức hay quá trình sáng tạo, lắp ráp, chế tạo, lập trình robot sẽ giúp

HS nhận biết vấn đề và thúc đẩy quá trình tìm hiểu, khám phá, giải quyết vấn đề

Khung năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục STEM – robotics

Trong đề tài này, năng lực giải quyết vấn đề của HS được thể hiện qua quá trình giải quyết các vấn đề thực tiễn dựa trên sự vận dụng các kiến thức từ các lĩnh vực

khác nhau trên khuôn khổ cấu tạo và hoạt động của robot Bảng 1.2 là khung năng

lực giải quyết vấn đề của HS trong giáo dục robotics được xây dựng bởi (Bien & Ngan, 2020) với các biểu hiện hành vi được liên kết chặt chẽ với giáo dục robotics, cấu tạo, nguyên lí vận hành robot và tư duy máy tính

Bảng 1.2 Khung năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục robotics cho HS THCS

(Bien & Ngan, 2020)

HS phát hiện các thông tin trong vấn đề thực tiễn cần giải quyết trong tình huống hoặc bối

cảnh, từ đó phát biểu vấn đề sử dụng ngôn ngữ cá nhân

A.1.2 Mô tả

bối cảnh

HS mô tả được bối cảnh để thấy sự phù hợp

và cần thiết sử dụng giải pháp robot

vụ và yêu cầu

kĩ thuật đối với robot

HS làm rõ nhiệm vụ cụ thể robot cần thực hiện, và các thông tin chi tiết cần thiết theo nguyên lí hoạt động cơ bản của robot, bao gồm: thông tin tín hiệu đầu vào, các yêu cầu trong việc xử lí bthông tin, và thông tin tín

hiệu đầu ra hoặc thao tác robot cần thực hiện

HS xác định và nêu rõ các linh kiện phù hợp với từng bộ phận của robot trên cơ sở nhiệm

vụ cụ thể của robot, bao gồm: cảm biến (thu

nhận thông tin), bộ não xử lí và bộ phận thực hiện tác động ra bên ngoài

B.1.2 Nghiên

cứu thông tin

HS tìm hiểu các kiến thức thông tin liên quan cần thiết

- Kiến thức về cấu tạo, nguyên lí vận hành của từng bộ phận

- Kiến thức cần thiết để thiết lập các mệnh lệnh cho bộ não của robot

B.2 Đề

xuất

thiết kế

B.2.1 Xác định sơ đồ mạch điện

HS trình bày bằng hình vẽ hoặc viết về cách nối dây các bộ phận của robot phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ

B.2.2 Xây dựng sơ đồ xử

lí thông tin

HS thể hiện rõ các bước “xử lí thông tin”

robot cần thực hiện để ghi nhận được thông tin từ cảm biến và thực hiện đúng nhiệm vụ theo yêu cầu

B.2.3 Đề xuất

thiết kế robot

HS mô tả cấu trúc, cách lắp đặt các linh kiện

bộ phận để cấu thành 1 robot hoàn chỉnh

định

HS sử dụng phần mềm mBlock để lập trình theo sơ đồ khối đã đưa ra

C.1.2 Chế tạo

được robot hoàn thiện theo bản thiết

đánh giá

HS thử nghiệm vận hành hoạt động của robot, ghi nhận kết quả hoạt động so với yêu cầu trong nhiệm vụ

C.2.2 Cải tiến

và điều chỉnh

HS phát hiện lỗi sai của sản phẩm; trình bày

dự định cải tiến và điều chỉnh

Công cụ đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của HS trong giáo dục robotics

Bảng 1.3 Khung rubric đánh giá năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục

robotics cho HS THCS (Bien & Ngan, 2020)

cần giải quyết dưới sự hướng dẫn của GV

Tự phát hiện

và nêu được

vấn đề cần giải quyết trong tình huống học tập

bằng ngôn ngữ bản thân

GV

Lựa chọn được

thông tin trong vấn đề thể hiện được sự cần thiết sử dụng hệ thống robot để giải quyết vấn

đề

Nhận định và làm rõ được

yếu tố cần thiết

và lợi ích sử dụng robot trong giải quyết vấn đề

kĩ thuật cho robot dưới sự gợi ý của GV

Tự trình bày được nhiệm vụ

và các yêu cầu

kĩ thuật cần thiết cho robot

Tự phân tích

và nêu được

nhiệm vụ và các yêu cầu kĩ thuật cần thiết của

robot, kết nối

với thông tin thực tiễn cuộc sống

phận robot phù hợp theo dẫn dắt và gợi ý của

GV

Tự đề xuất được các linh

kiện bộ phận robot phù hợp với nhiệm vụ

Tự đề xuất được các linh kiện, và đánh giá được sự phù

hợp và hiệu quả của các linh kiện bộ phận

của robot trong

điều kiện thực tiễn

cấu tạo và nguyên lí hoạt động các bộ phận của robot theo gợi ý và hướng dẫn của

GV

Làm rõ và sử

dụng được kiến thức về cấu tạo

và nguyên lí hoạt động các

bộ phận của robot để giải quyết nhiệm vụ

Tự tìm hiểu các

kiến thức về các

bộ phận của robot và vận dụng trong trường hợp cụ thể để giải quyết nhiệm vụ

kiện và sơ đồ nối dây theo gợi

ý của GV

Tự trình bày được sơ đồ nối

dây với các linh kiện do GV đề xuất hoặc yêu cầu

Tự đề xuất được các linh

kiện sử dụng và

làm rõ được sơ

đồ nối dây giữa các linh kiện

giải được sơ đồ

khối được cung

cấp sẵn

Ghi nhớ và vẽ lại được sơ đồ

khối xử lí thông

tin sẵn có do GV

cung cấp

Trình bày được tiến trình

xử lí thông tin

cho robot phù

hợp với linh kiện đã xác định

theo gợi ý của

GV

Xây dựng được sơ đồ khối

Trình bày được hình dạng, cấu trúc của sản phẩm

Tự trình bày

hình dạng, cấu trúc của sản phẩm robot và

giải thích được

robot theo gợi ý

của GV

robot theo ý tưởng cá nhân

cơ sở để cho

thấy thiết kế

hiệu quả và phù hợp trong thực tiễn

Lập trình được

theo sơ đồ khối

đã lập nhưng cần những tài liệu hỗ trợ của giáo viên về thao tác các bước

Lập trình được theo sơ đồ

khối đã vẽ hoàn toàn tự lực

Tự thực hiện chế tạo và hoàn thiện sản phẩm

theo đúng bản thiết kế

và ưu, nhược điểm của sản phẩm dưới sự

Vận hành, ghi nhận được hiệu quả hoạt động

và ưu, nhược điểm của sản phẩm tự lực

Vận hành, ghi nhận được hiệu quả hoạt động

và ưu, nhược điểm của sản phẩm tự lực; đối chiếu so sánh

Phát hiện được lỗi và đề xuất phương án cải tiến

Phát hiện được lỗi và đề xuất phương án cải tiến Đề xuất phương án nâng cao hiệu quả sản phẩm

1.4 Dạy học hợp tác

Giới thiệu

Hợp tác ở đây nghĩa là làm việc cùng nhau nhằm hướng đến mục tiêu và lợi ích chung Dạy học hợp tác nhằm thu hút sự tương tác và hoạt động tích cực các HS, trong đó, HS được làm việc trong các nhóm nhỏ nhằm thúc đẩy khả năng học tập của bản thân cũng như của các thành viên trong nhóm (D W Johnson, Johnson, &

Holubec, 1998; Robert Slavin, 2011) Hay theo tác giả (Nam, 2006):“Học hợp tác là

một hình thức tổ chức dạy học trong đó các nhóm HS cùng nhau giải quyết các nhiệm

vụ học tập do GV nêu ra, từ đó rút ra bài học dưới sự hướng dẫn của GV” Như vậy,

điểm quan trọng trong dạy học hợp tác là HS cần phải học tập cùng nhau, tăng cường

sự tương tác giữa HS với HS, giữa GV và HS để đạt được mục đích học tập (Anna Abramczyk & Susanne Jurkowski, 2020)

Nhiều ý kiến nhầm lẫn rằng, học tập theo nhóm cũng chính là học tập hợp tác

Tuy nhiên, học động theo nhóm chưa đồng nghĩa là học tập hợp tác Các nhóm học

tập cần phải đáp ứng được các yếu tố cần thiết từ phía HS, GV hay cơ sở vật chất, khi

đó mới được gọi là nhóm học tập hợp tác Đối với một số nhóm học tập làm cản trở

việc học tập của HS trong nhóm và tạo ra sự bất hòa, bất mãn hay không có hướng

dẫn đầy đủ từ người dạy không phải là nhóm học tập hợp tác (D W Johnson, Johnson,

& Holubec, 1998) Johnson và cộng sự đã đưa ra sự phân cấp về các nhóm học tập để

phân loại nhóm hợp tác và không hợp tác được thể hiện qua hình 1.7

Hình 1.7 Sơ đồ phân loại các nhóm và tính chất của các loại nhóm

Cơ sở lí thuyết của dạy học hợp tác

Tổng hợp từ các nghiên cứu (Alzahrani, 2013; Robert Slavin, 2011; W Johnson

& T Johnson, 2019) dạy học hợp tác có cơ sở hình thành chủ yếu từ thuyết động lực (Motivational theory), thuyết nhận thức (Cognitive theory), thuyết phát triển nhận thức (Cognitive – Developmental theory) và thuyết gắn kết xã hội (Social interdependence theory) Thuyết động lực cho rằng nỗ lực tập thể của người học cho phép họ đặt ra các mục tiêu đạt được, cụ thể trong học tập hợp tác, các thành viên không chỉ hỗ trợ lẫn nhau mà còn khuyến khích lẫn nhau để tối ưu hóa khả năng bản thân và của nhóm (Ning & Hornby, 2014) Quá trình nhận thức trong quá trình dạy học hợp tác được hình thành và phát triển trên cơ sở của thuyết nhận thức và thuyết phát triển nhận thức Ngoài ra, dựa vào thuyết gắn kết xã hội, sự gắn kết giữa các thành viên trong nhóm được coi là một yếu tố giúp các hoạt động nhóm đạt được hiểu

quả cao Điều này được (Robert Slavin, 1996) cô đọng và nhấn mạnh qua quan điểm:

“Quan tâm để cùng thành công”

1.4.2.1 Thuyết động lực (Motivational theory)

Các quan điểm của thuyết động lực về dạy học hợp tác tập trung vào phần thưởng, mục tiêu, động lực mà người học tham gia các hoạt động (R Slavin, 1981) Nghiên cứu của (Deutsch, 1949) cấu trúc được ba loại mục tiêu động lực:

(1) Hợp tác: Nỗ lực định hướng mục tiêu của mỗi cá nhân đóng góp vào việc đạt được mục tiêu của cá nhân khác

(2) Cạnh tranh: Nỗ lực định hướng mục tiêu của mỗi cá nhân nhằm ngăn cản các

cá nhân khác đạt được mục tiêu của họ

(3) Cá nhân: Nỗ lực định hướng mục tiêu của cá nhân không có mối liên hệ nào với việc đạt được mục tiêu của người khác, chỉ nhắm đến bản thân

Từ cấu trúc động lực, thuyết động lực trong dạy học hợp tác cho rằng động lực thực hiện các nhiệm vụ, hoạt động, bài học là yếu tố quan trọng nhất trong quá trình học tập của HS, các yếu tố, quá trình khác đều được thúc đẩy bởi động lực Cấu trúc dạy học hợp tác được xây dựng dựa trên quan điểm rằng người dạy cần phải tạo tình huống trong đó mục tiêu học tập của mỗi cá nhân trong bài học đạt được khi và chỉ khi cả nhóm được đánh giá hoàn thành mục tiêu học tập cùng nhau (D Johnson, Johnson, & Smith, 1998; R Slavin, 1996) Nói cách khác, để đạt được các mục tiêu

cá nhân, các thành viên trong nhóm vừa thực hiện tốt nhiệm vụ của bản thân và vừa giúp đỡ các thành viên trong nhóm để thúc đẩy nhiệm vụ nhóm thành công và phải khuyến khích thành viên trong nhóm của nỗ lực tối đa cho tất cả các hoạt động

1.4.2.2 Thuyết nhận thức (Cognitive theory)

Thuyết nhận thức dạy học hợp tác được xây dựng dựa trên lí thuyết của Piaget, Vygotasky và lí thuyết khoa học nhận thức (Robert Slavin, 1990) Quan điểm của Piaget cần phải tạo ra môi trường lớp học nơi HS đóng vai trò tích cực khi tham gia vào các hoạt động, nhiệm vụ bài học mà các nhiệm vụ này phải gắn liền với thực tế (Robert Slavin, 1996) Các nghiên cứu (Damon, 1984; Murray, 1982) bổ sung quan điểm để vai trò tích cực diễn ra ở HS đạt hiệu quả cao thì cần phải tăng cường hoạt động hợp tác trong học tập Trong quá trình thảo luận, HS học hỏi lẫn nhau, tranh