Thực nghiệm và biên soạn tài liệu hướng dẫn chi tiết cho các bài thí nghiệm mới phần điện tử có ghép nối máy tính ở khoa vật lí

Để nâng cao chất lượng dạy học bộ môn Vật Lí, tôi nghĩ trong quá trình giảng dạy lý thuyết chúng ta cần trang bị cho các em các bài thí nghiệm thực hành giúp các em có thể hệ thống lại t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÍ

ĐỖ THỊ THU HIẾU

THỰC NGHIỆM VÀ BIÊN SOẠN TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN CHI TIẾT CHO CÁC BÀI THÍ NGHIỆM MỚI PHẦN ĐIỆN TỬ

CÓ GHÉP NỐI MÁY TÍNH Ở KHOA VẬT LÍ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đà Nẵng, năm 2020

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA VẬT LÍ

ĐỖ THỊ THU HIẾU

THỰC NGHIỆM VÀ BIÊN SOẠN TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN CHI TIẾT CHO CÁC BÀI THÍ NGHIỆM MỚI PHẦN ĐIỆN TỬ

CÓ GHÉP NỐI MÁY TÍNH Ở KHOA VẬT LÍ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Chuyên ngành: Vật lí học Khóa học: 2016 - 2020

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Quý Tuấn

Đà Nẵng, năm 2020

LỜI CÁM ƠN

Được học tập dưới ngôi trường có bề dày lịch sử rất oanh liệt và hơn nữa được

sự dìu dắt tận tình của quý thầy cô khoa Vật lý giúp cho tôi ngày một tốt hơn, thành

công hơn trong cuộc sống, đó có lẽ là một sự may mắn rất to lớn đối với tôi Trải qua

gần 8 học kì, sắp đến lúc phải rời xa nơi này – Khoa Vật lý – Trường Đại học Sư Phạm

– Đại học Đà Nẵng, tôi vô cùng biết ơn những người đã chèo lái, vun đắp ước mơ cho

tôi để tôi có thể trưởng thành như ngày hôm nay

Lời đầu tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến các thầy cô trong khoa

Vật lý đã không quãng mọi khó khăn trao dồi những bài học quý giá đến với những đứa

học trò còn nhiều thiếu sót như chúng tôi Và đặc biệt là người thầy đã dành bao nhiêu

tâm huyết trong sự nghiệp giảng dạy của mình để giúp cho tôi có thêm nhiều bài học

mới, nhiều sự sáng tạo mới phù hợp với sự phát triển của công nghệ 4.0 - thầy Nguyễn

Quý Tuấn bao năm qua vẫn thế, vẫn là một người thầy mang đầy nhiệt huyết và trọng

trách của một nhà giáo

Bốn năm cùng nhau gắn bó dưới mái ấm khoa Vật lý, đặc biệt là lớp 16CVL -

cám ơn những người bạn đã cùng tôi đi qua thanh xuân Hơn nữa, tôi xin gửi lời biết ơn

sâu sắc nhất đến ba mẹ - người đã cho tôi có được đầy đủ mọi điều kiện tốt đẹp nhất để

có thể hoàn thành đúng hạn khóa học này

Cuối cùng tôi xin kính chúc quý thầy cô, ba mẹ, các anh chị và các bạn sức khỏe,

gặt hái được nhiều thành công trong cuộc sống Chúc cho khoa Vật lý của chúng ta ngày

một tốt đẹp hơn!

Sinh viên thực hiện

Đỗ Thị Thu Hiếu

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài khóa luận tốt nghiệp: “Thực nghiệm và biên soạn tài

liệu hướng dẫn chi tiết cho các bài thí nghiệm mới phần điện tử có ghép nối máy tính

ở khoa Vật lí” là một công trình nghiên cứu độc lập dưới sự hướng dẫn của giáo viên

hướng dẫn TS Nguyễn Quý Tuấn Ngoài ra không có bất cứ sự sao chép của người khác Đề tài, nội dung báo cáo thực tập là sản phẩm mà tôi đã thực nghiệm và biên soạn chi tiết tại khoa Vật lí trong thời gian qua Các số liệu, kết quả trình bày trong báo cáo

là hoàn toàn trung thực, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm, kỷ luật của bộ môn và nhà trường đề ra nếu như có vấn đề xảy ra

Sinh viên thực hiện

Đỗ Thị Thu Hiếu

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN I

LỜI CAM ĐOAN II

DANH MỤC CỤM TỪ VIẾT TẮT VI

DANH MỤC HÌNH ẢNH VII

DANH MỤC BẢNG BIỂU IX

Phần thứ nhất: MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài: 1

2 Mục tiêu nghiên cứu: 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu: 2

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2

a Đối tượng nghiên cứu: 2

b Phạm vi nghiên cứu: 3

5 Phương pháp nghiên cứu: 3

6 Tổng quan vấn đề nghiên cứu: 3

Phần thứ hai: NỘI DUNG 4

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ ĐÁNH GIÁ THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH VẬT LÍ 4

1.1 Dạy học phát triển năng lực: 4

1.1.1 Điều kiện để triển khai hiệu quả định hướng dạy học phát triển năng lực: 5

1.1.2 Dạy học theo định hướng phát triển năng lực: 5

1.2 Các năng lực chuyên biệt trong bộ môn Vật lí: 7

1.2.1 Xây dựng các năng lực chuyên biệt bằng cách cụ thể hóa các năng lực chung: 7

1.2.2 Xây dựng các năng lực chuyên biệt dựa trên đặc thù môn học: 10

1.3 Lợi ích của việc dạy học phát triển năng lực: 16

1.3.1 Vai trò của thực hành và thí nghiệm Vật lí Đặc biệt là vai trò của máy vi tính

trong thí nghiệm Vật lí: 16

1.3.2 Các đặc điểm của thí nghiệm Vật lí: 17

1.3.3 Chức năng của thí nghiệm vật lí trong dạy học vật lí: 18

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ MẠCH LẬP TRÌNH ARDUINO IDE VÀ PHẦN MỀM VISUAL STUDIO.202.1 Bo mạch phát triển Arduino: 20

2.1.1 Giới thiệu chung: 20

2.1.2 Bo mạch Arduino UNO: 21

2.2 Môi trường phát triển tích hợp: 23

2.2.1 Giới thiệu phần mềm code Arduino IDE: 24

2.2.2 Quản lý thư viện: 25

2.2.3 Quản lý bo Arduino mở rộng: 27

2.3 Lập trình phần mềm Visual Studio trên máy tính: 27

2.3.1 Khởi tạo dự án: 28

2.3.2 Lập trình trao đổi dữ liệu qua cổng nối tiếp: 30

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ NỘI DUNG TIẾN TRÌNH GIẢNG DẠY VÀ KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ CHUYÊN MÔN 31

3.1 Khái quát hóa các bài thí nghiệm mới có ghép nối truyền dữ liệu từ máy tính ở khoa Vật lí: 31

3.2 Thiết kế các bài thí nghiệm ghép nối máy tính: 33

3.2.1 Thí nghiệm 1: Điều khiển hiển thị LED RGB và một chuỗi kí tự nhập vào từ máy tính cho hiển thị lên màn hình LCD 33

3.2.2 Thí nghiệm 2: Điều khiển động cơ quay theo một góc nhập từ bàn phím máy tính 40

3.2.3 Thí nghiệm 3: Đo nhiệt độ và độ ẩm của môi trường 51

3.2.4 Thí nghiệm 4: Đo khoảng cách bằng siêu âm 56

3.2.5 Thí nghiệm 5: Đo và điều khiển nhiệt độ 61

3.3 Xây dựng tiến trình giảng dạy: 67

3.4 Xây dựng rubric đánh giá các kỹ năng: 68

3.4.1 Rubric đánh giá kỹ năng thực nghiệm, thái độ học tập trách nhiệm: 68

3.4.2 Rubric đánh giá kỹ năng làm việc nhóm: 70

3.4.3 Rubric đánh giá kỹ năng báo cáo thuyết trình: 72

Phần thứ ba: KẾT LUẬN 74

A Kết luận: 74

B Khuyến nghị: 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO IX

PHỤ LỤC PL 1

Ý KIẾN CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN X

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Mối quan hệ giữa mục tiêu hoạt động dạy học và đánh giá trong dạy học định

hướng phát triển năng lực 7

Hình 2 Các thành tố của năng lực thực nghiệm 11

Hình 3 Kit Arduino phiên bản đầu tiên 20

Hình 4 Môi trường phần mềm tích hợp Arduino IDE 21

Hình 5 Hình ảnh bo mạch Arduino Uno R3 22

Hình 6 Cửa sổ bổ sung thư viện vào chương trình cho Arduino 26

Hình 7 Cửa sổ quản lý tìm kiếm và bổ sung các thư viện vòa Arduino IDE 26

Hình 8 Cửa sổ trình đơn quản lý bo Arduino 27

Hình 9 Môi trường lập trình Visual Studion 2019 27

Hình 10 Chọn mẫu dữ án cho chương trình cần sử dụng 28

Hình 11 Tạo 1 dự án mới để thiết lập 28

Hình 12 Chọn những tài nguyên cần thiết lập ở Toolbox 29

Hình 13 Giao diện sau khi đã hoàn thiện 29

Hình 14 Minh họa bộ thí nghiệm ghép nối toàn phần 31

Hình 15 Gán nhãn để ghép nối các mô-đun với chân trên bo mạch Arduino 34

Hình 16 Ghép nối với led RBG 34

Hình 17 Ghép nối với màn hình LCD 34

Hình 18 Minh họa hình dạng và sơ đồ chân LED RGB 35

Hình 19 Minh họa tỉ lệ phần trăm điều chế xung PWM 36

Hình 20 Màn hình hiển thị LCD sử dụng chuẩn I2C cho Arduino 36

Hình 21 Bộ thí nghiệm 1 sau khi được ghép nối 37

Hình 22 Giao diện điều khiển bài thí nghiệm số 1 38

Hình 23 Kết quả hiện thị trên màn hình LCD khi nhập kí tự vào từ bàn phím 38

Hình 24 Gán nhãn để ghép nối các mô-đun với chân trên bo mạch Arduino 41

Hình 25 Cấu trúc chung cho động cơ Servo 41

Hình 26 Ghép nối với mô-đun Servo 42

Hình 27 Minh họa động cơ bước và sơ đồ nguyên lý bên trong động cơ 43

Hình 28 Minh họa động cơ bước loại hỗn hợp và loại nam châm vĩnh cữu 43

Hình 29 Phương pháp điều khiển bước đủ 44

Hình 30 Giao tiếp và điều khiển động cơ bước qua bo mạch A4988 45

Hình 31 Minh họa cấu tạo động cơ điện một chiều 46

Hình 32 Minh họa thay đổi chiều quay động cơ điện một chiều 46

Hình 33 Sơ đồ nguyên lý của motor shield 47

Hình 34 Sơ đồ đầu ra tương đương của L293D 47

Hình 35 Ghép nối mô-đun động cơ DC với mạch cầu H và bo Arduino 48

Hình 36 Bộ thí nghiệm số 2 sau khi dược ghép nối 49

Hình 37 Giao diện điều khiển bài thí nghiệm số 2 49

Hình 38 Minh họa động cơ quay thực tế 50

Hình 39 Gán nhãn để ghép nối mô-đun DHT11 với chân trên bo mạch Arduino 52

Hình 40 Quá trình trao đổi dữ liệu giữa DHT11 và vi xử lý 53

Hình 41 Giao tiếp của mô-đun DHT11 với bo Arduino 53

Hình 42 Bộ thí nghiệm 3 sau khi được ghép nối 54

Hình 43 Giao diện đọc kết quả hiển thị bài thí nghiệm số 3 55

Hình 44 Kết quả hiển thị nhiệt độ và độ ẩm của bài thí nghiệm số 3 55

Hình 45 Gán nhãn để ghép nối mô-đun SRF05 với chân trên bo mạch Arduino 56

Hình 46 Biểu đồ thời gian của HC-SR05 57

Hình 47 Phát họa nguyên lý đo khoảng cách của HC-SR05 57

Hình 48 Giao tiếp giữa mô-đun cảm biến siêu âm với Arduino 58

Hình 49 Bộ thí nghiệm 4 sau khi được ghép nối 59

Hình 50 Giao diện điều khiển bài thí nghiệm số 4 59

Hình 51 Kết quả hiển thị giá trị đo của bài thí nghiệm số 4 60

Hình 52 Gán nhãn để ghép nối mô-đun cảm biến nhiệt độ DS18B20 và các nguồn nóng, lạnh với chân trên bo mạch Arduino 62

Hình 53 Sơ đồ chân của cảm biến DS18B20 với các loại đóng gói khác nhau 62

Hình 54 Giao tiếp giữa nguồn nóng và nguồn lạnh với Arduino 64

Hình 55 Bộ thí nghiệm số 5 sau khi được ghép nối 65

Hình 56 Giao diện điều khiển bài thí nghiệm số 5 65

Hình 57 Kết quả hiển thị nhiệt độ của bài thí nghiệm số 5 66

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Bảng năng lực chuyên biệt môn Vật lí được cụ thể hóa 7

Bảng 2 Năng lực chuyên biệt môn Vật lí 11

Bảng 3 Cấp bậc các năng lực 14

Bảng 4 Bảng xây dựng tiến trình giảng dạy bộ môn thí nghiệm điện tử cơ bản 67

Bảng 5 Bảng rubric đánh giá kỹ năng thực nghiệm, thái độ học tập 69

Bảng 6 Bảng rubric đánh giá kỹ năng làm việc nhóm 70

Bảng 7 Bảng rubric đánh giá kỹ năng báo cáo thuyết trình 72

Phần thứ nhất: MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài:

Với cương vị là một nhà giáo, hầu hết các giáo viên đều mong muốn học sinh của mình có một tinh thần ham học hỏi, chủ động trong việc học cũng như được quý thầy cô giảng dạy trang bị cho các em một khối kiến thức nền tảng từ cơ bản đến nâng cao Để thực hiện được điều đó đòi hỏi chúng ta phải tìm ra những phương pháp dạy học tích cực hơn, giúp học sinh ngày càng đam mê hơn với bộ môn Vật lí mà người ta vẫn thường hay nói là khô khan, đơn thuần chỉ là việc ráp công thức vào để tính Tôi nghĩ việc học sinh không cảm thấy hứng thú với bài học sẽ gây ra rất nhiều khó khăn cho quý thầy cô trong việc giảng bài, từ đó làm cho hiệu suất dạy và học trong chúng ta ngày càng giảm sút đi Vì thế, qua nghiên cứu tôi nghĩ chúng ta cần có những phương pháp giảng dạy mới lạ hơn, sinh động hơn dành cho học sinh đó là áp dụng thực hành vào bài giảng nhiều hơn sẽ giúp các em biết tìm tòi và sáng tạo ra những các mới, cái riêng và cái hay chứ không rập khuôn như trong việc học lý thuyết có sẵn trên sách vở

Với phương châm đổi mới phương pháp giáo dục và đạo tào theo hướng giảm thời lượng dạy lý thuyết và tăng thời lượng thực hành, thảo luận, nghiên cứu sáng tạo theo mô hình nhóm hoặc cá nhân Từ đó giúp cho học sinh nâng cao khả năng tư duy, sáng tạo, tăng hiệu quả kỹ năng làm việc nhóm cũng như rèn luyện năng lực tự học, tự nghiên cứu giúp các em phát triển bản thân một cách toàn diện hơn

Để nâng cao chất lượng dạy học bộ môn Vật Lí, tôi nghĩ trong quá trình giảng dạy lý thuyết chúng ta cần trang bị cho các em các bài thí nghiệm thực hành giúp các

em có thể hệ thống lại toàn bộ kiến thức lý thuyết cơ bản đã học để áp dụng chúng vào thực nghiệm Qua đây giúp các em sẽ có cái nhìn sâu hơn về Vật lí, cảm nhận được tác dụng của việc học Vật lí, Vật lí khác với Toán, Hóa, Sinh, ở những điểm nào? học Vật lí áp dụng vào thực tiễn như thế nào? Trong thời đại công nghệ số hướng đến những sản phẩm ngày càng sinh động, đa dạng hơn đòi hỏi chúng ta phải tìm tòi, sáng tạo ra những phương tiện mới, bổ ích và hỗ trợ tối đa sức lực của con người Giúp chúng ta tiết kiệm được rất nhiều thời gian cũng như công sức mà lại thu được những mô hình cho ra năng suất cao áp dụng vào cuộc sống thường nhật

Một trong những lĩnh vực đóng vai trò khá quan trọng trong cuộc sống hiện nay

đó là điện tử, những bộ kit Arduino sẽ giúp các em học sinh hiểu sâu hơn về những ứng dụng của điện tử trong cuộc sống hiện đại này Với những lí do tích cực như trên, qua

hướng dẫn và nghiên cứu tôi đã chọn cho mình đề tài “Thực nghiệm và biên soạn tài

liệu hướng dẫn chi tiết cho các bài thí nghiệm mới phần điện tử có ghép nối máy tính ở Khoa Vật Lí” làm đề tài khóa luận cho khóa học này

2 Mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu cơ sở lí luận về phương pháp giảng dạy theo định hướng phát triển năng lực

- Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về mạch lập trình Arduino IDE

- Biên soạn nội dung cơ sở lý thuyết, tiến trình thực hiện các bài thí nghiệm điện tử mới

có ghép nối máy tính ở Khoa Vật Lí

- Xây dựng rubric đánh giá chuyên môn

3 Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Nghiên cứu các chuẩn đầu ra của bộ môn thí nghiệm thực hành điện tử

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về mạch lập trình Arduino IDE, từ đó xây dựng chi tiết tiến trình thực hiện các bài thí nghiệm điện tử có ghép nối máy tính

- Thực nghiệm các bài thí nghiệm kết nối mạch điện tử với máy tính

- Nghiên cứu rubric đánh giá bộ môn thí nghiệm Vật lý

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

a Đối tượng nghiên cứu:

- Kiến thức phần điện tử về mạch lập trình Arduino IDE

- Các bài thí nghiệm Điện tử mới ở Khoa Vật lí

- Các phương pháp đánh giá và thực hiện thí nghiệm

- Phần mềm code lập trình Arduino IDE phiên bản 1.8.9

- Phần mềm Visual Studio

b Phạm vi nghiên cứu:

- Khóa luận tập trung nghiên cứu các bài thí nghiệm mới có ghép nối máy tính với mạch điện tử thông qua các phần mềm hỗ trợ truyền dữ liệu ở khoa Vật lí – Trường Đại học

Sư phạm – Đại học Đà Nẵng

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết

- Phương pháp thực nghiệm khoa học

- Phương pháp quan sát khoa học

6 Tổng quan vấn đề nghiên cứu:

Khóa luận tốt nghiệp năm 2018 của sinh viên Lê Thị Mỹ Hạnh đã từng đi qua về mạch lập trình Arduino nhưng mạch được ghép nối chạy bởi phần mềm Labview và ở bài luận này chỉ tập trung đơn giản nói về mạch lập trình chứ chưa đi qua cách hướng dẫn giảng dạy cho sinh viên thực hành thông qua các phương pháp giảng dạy Chính vì thế tôi đã hình thành và phát triển nên khóa luận của mình về cách dạy học theo định hướng phát triển năng lực các bài thí nghiệm điện tử về mạch lập trình ở môn Vật lý kết hợp giữa phần mềm code Arduino IDE và phần mềm Visual Suto để thực hiện các bài thí nghiệm dưới đây Hi vọng sẽ giúp các bạn sinh viên sau này có được vốn kiến thức

về mạch điện tử để phát triển những sản phẩm từ đơn giản đến hiện đại hóa nhất phục

vụ cho đời sống và sản xuất

Phần thứ hai: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ LUẬN VỀ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ

ĐÁNH GIÁ THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH VẬT LÍ

1.1 Dạy học phát triển năng lực:

Ngày nay dạy học dựa trên phát triển năng lực đã trở thành một chủ đề nóng trong giáo dục Nó ngày càng trở nên nóng hơn khi chính phủ đang nỗ lực tìm kiếm giải pháp trong cải cách giáo dục và đo lường chính xác hơn kết quả học tập của học sinh Hầu hết các trường học đều tuyên bố là họ đang dạy học theo định hướng phát triển năng lực nhưng lại không thể định nghĩa được một cách chính xác được về nó Vì vậy cần xác định lại khái niệm học tập dựa trên phát triển năng lực là gì? và nó mang lại lợi ích như thế nào cho mỗi trường học cũng như hệ thống giáo dục nói chung?

Vậy dạy học dựa trên phát triển năng lực là gì và điều gì làm cho nó khác biệt? Đặc điểm quan trọng nhất của dạy học phát triển năng lực là đo được “năng lực” của học sinh hơn là thời gian học tập và cấp lớp Học sinh thể hiện sự tiến bộ bằng cách chứng minh năng lực của mình, điều đó có nghĩa là chúng phải chứng minh mức độ làm chủ hay nắm vững kiến thức và kỹ năng (được gọi là năng lực) trong một môn học cụ thể, cho dù mất bao lâu Mặc dù các mô hình học truyền thống vẫn có thể đo lường được năng lực, nhưng chúng phải dựa vào thời gian, các môn học được sắp xếp theo cấp lớp vào từng kì học, năm học Vì vậy, trong khi hầu hết các trường học truyền thống đều cố định thời gian học tập theo năm học thì dạy học phát triển năng lực lại cho phép chúng

ta giữ nguyên việc học và thay đổi lượng thời gian học Dạy học dựa trên phát triển năng lực tốt hơn cho phép mọi học sinh học tập, nghiên cứu theo tốc độ của riêng của chúng

Chúng ta đều thừa nhận rằng, mỗi học sinh là một cá thể độc lập với sự khác biệt

về năng lực, trình độ, sở thích, nhu cầu và nền tảng xuất thân Dạy học phát triển năng lực thừa nhận thực tế này và tìm ra được những cách tiếp cận phù hợp với mỗi học sinh Không giống như phương pháp “một cỡ vừa cho tất cả” một chiếc áo tất cả đều mặc vừa, nó cho phép học sinh được áp dụng những gì đã học, thông qua sự gắn kết giữa bài học và cuộc sống Điều này cũng giúp học sinh thích ứng với những thay đổi của cuộc sống trong tương lai Đối với một số học sinh, dạy học phát triển NL cho phép đẩy nhanh tốc độ hoàn thành chương trình học, tiết kiệm thời gian và công sức của việc học tập

1.1.1 Điều kiện để triển khai hiệu quả định hướng dạy học phát triển năng lực:

Để triển khai một cách hiệu quả, dạy học phát triển năng lực cần phải:

1 Đánh giá “năng lực” của học sinh hơn là thời gian học

2 Khai thác các thế mạnh của công nghệ cho việc dạy và học Hướng dẫn qua máy tính cho chúng ta khả năng cá nhân hóa việc học cho mỗi học sinh Bởi vì mỗi học sinh ở một tốc độ khác nhau và đến trường với kiến thức khác nhau, đây là một yêu cầu cơ bản của dạy học dựa trên năng lực

3 Thay đổi căn bản vai trò của giáo viên, khi các giáo viên trước kia thường làm việc với học sinh theo các lớp, dạy học theo lịch trong một số tuần quy định, giáo viên là người trực tiếp đưa hướng dẫn và kiểm soát quá trình học tập Đối với học sinh, điều này không phù hợp Một số học sinh sẽ cần chậm lại, một số khác có thể cần hoạt động nhanh hơn Học tập dựa trên phát triển năng lực làm thay đổi vai trò của giáo viên từ “một nhà hiền triết, suối nguồn của tri thức” đến “người hướng dẫn, đồng hành” Các giáo viên làm việc với học sinh, hướng dẫn chúng học tập, trả lời các câu hỏi, hướng dẫn thảo luận và giúp học sinh tổng hợp và áp dụng kiến thức

4 Xác định năng lực và phát triển các đánh giá phù hợp, tin cậy Tiền đề cơ bản của dạy học phát triển năng lực là chúng ta xác định những năng lực nào cần hình thành cho học sinh và có minh chứng cho các năng lực đó khi học sinh tốt nghiệp Điều này có nghĩa là chúng ta phải xác định các năng lực một cách rất rõ ràng Lấy nhu cầu của xã hội tương lai làm cơ sở Khi các năng lực được thiết lập, chúng ta cần các chuyên gia đánh giá để đảm bảo rằng chúng ta đo lường được một cách chính xác nhất có thể

1.1.2 Dạy học theo định hướng phát triển năng lực:

Việc dạy học định hướng phát triển năng lực về bản chất chỉ là cần và coi trọng thực hiện mục tiêu dạy học hiện tại ở các mức độ cao hơn, thông qua việc yêu cầu HS

“vận dụng những kiến thức, kĩ năng một cách tự tin, hiệu quả và thích hợp trong hoàn cảnh phức hợp và có biến đổi, trong học tập cả trong nhà trường và ngoài nhà trường, trong đời sống thực tiễn” Việc dạy học thay vì chỉ dừng ở hướng tới mục tiêu dạy học hình thành kiến thức, kĩ năng và thái độ tích cực ở HS thì còn hướng tới mục tiêu xa

các hành động có ý nghĩa đối với người học Nói một cách khác việc dạy học định hướng phát triển năng lực về bản chất không thay thế mà chỉ mở rộng hoạt động dạy học hướng nội dung bằng cách tạo một môi trường, bối cảnh cụ thể để HS được thực hiện các hoạt động vận dụng kiến thức, sử dụng kĩ năng và thể hiện thái độ của mình Như vậy việc dạy học định hướng phát triển năng lực được thể hiện ở các trong các thành tố quá trình dạy học như sau:

1.1.2.1 Về mục tiêu dạy học:

Mục tiêu kiến thức: ngoài các yêu cầu về mức độ như nhận biết, tái hiện kiến thức cần có những mức độ cao hơn như vận dụng kiến thức trong các tình huống, các nhiệm vụ gắn với thực tế Với các mục tiêu về kĩ năng cần yêu cầu HS đạt được ở mức

độ phát triển kĩ năng thực hiện các hoạt động đa dạng Các mục tiêu này đạt được thông qua các hoạt động trong và ngoài nhà trường

1.1.2.2 Về phương pháp dạy học:

Ngoài cách dạy học thuyết trình cung cấp kiến thức cần tổ chức hoạt động dạy học thông qua trải nghiệm, giải quyết những nhiệm vụ thực tiễn Như vậy thông thường, qua một hoạt động học tập, HS sẽ được hình thành và phát triển không phải chỉ một loại năng lực mà

là được hình thành đồng thời nhiều năng lực hoặc nhiều năng lực thành tố mà ta không cần (và cũng không thể) tách biệt từng thành tố trong quá trình dạy học

1.1.2.3 Về nội dung dạy học:

Cần xây dựng các hoạt động, chủ đề, nhiệm vụ đa dạng gắn với thực tiễn

1.1.2.4 Về kiểm tra đánh giá:

Về bản chất đánh giá năng lực cũng phải thông qua đánh giá khả năng vận dụng kiến thức và kĩ năng thực hiện nhiệm vụ của HS trong các loại tình huống phức tạp khác nhau Trên cơ sở này, các nhà nghiên cứu ở nhiều quốc gia khác nhau đề ra các chuẩn năng lực trong giáo dục tuy có khác nhau về hình thức, nhưng khá tương đồng

về nội hàm Trong chuẩn năng lực đều có những nhóm năng lực chung Nhóm năng lực chung này được xây dựng dựa trên yêu cầu của nền kinh tế xã hội ở mỗi nước Trên cơ sở năng lực chung, các nhà lí luận dạy học bộ môn cụ thể hóa thành những năng lực chuyên biệt Tuy nhiên không dừng ở các năng lực chuyên biệt, các tác giả đều cụ thể hóa thành các năng lực thành phần, những năng lực thành phần này được cụ

thể hóa thành các thành tố liên quan đến kiến thức, kĩ năng… để định hướng quá trình dạy học, kiểm tra đánh giá của GV

Khác với việc tổ chức hoạt động dạy học, các công cụ đánh giá cần chỉ rõ thành

tố của năng lực cần đánh giá và xây dựng được các công cụ đánh giá từng thành tố của các năng lực thành phần Sự liên hệ giữa mục tiêu, hoạt động dạy học và công cụ đánh giá được thể hiện như trong hình 1:

Hình 1 Mối quan hệ giữa mục tiêu hoạt động dạy học và đánh giá trong dạy học

định hướng phát triển năng lực

1.2 Các năng lực chuyên biệt trong bộ môn Vật lí:

Có nhiều quan điểm xây dựng chuẩn các năng lực chuyên biệt trong dạy học từng

môn, quan điểm xây dựng tuy là khác nhau nhưng đem lại kết quả khá tương đồng

1.2.1 Xây dựng các năng lực chuyên biệt bằng cách cụ thể hóa các năng lực

chung:

Ở cách tiếp cận này, người ta xác định các năng lực chung trước, chúng là các năng lực mà toàn bộ quá trình giáo dục ở trường phổ thông đều phải hướng tới để hình thành ở HS Sau đó, từng môn học sẽ xác định sự thể hiện cụ thể của các năng lực chung

ở trong môn học của mình như thế nào Với cách tiếp cận như vậy, từ các năng lực chung

đã được đưa vào dự thảo chương trình phổ thông tổng thể, chúng tôi tạm vạch ra các năng lực chuyên biệt trong môn Vật lí như ở bảng 1

Bảng 1 Bảng năng lực chuyên biệt môn Vật lí được cụ thể hóa

từ năng lực chung.

STT Năng lực chung Biểu hiện năng lực trong môn Vật lí

Nhóm năng lực làm chủ và phát triển bản thân:

- Đánh giá được mức độ chính xác nguồn thông tin

- Đặt được câu hỏi về hiện tượng sự vật quanh ta

- Tóm tắt được nội dung vật lí trọng tâm của văn bản

- Tóm tắt thông tin bằng sơ đồ tư duy, bản đồ khái niệm, bảng biểu, sơ đồ khối

- Tự đặt câu hỏi và thiết kế, tiến hành được phương án thí nghiệm để trả lời cho các câu hỏi đó

- Đặc biệt quan trọng là năng lực thực nghiệm Đặt được những câu hỏi về hiện tượng tự nhiên: Hiện tượng… diễn ra như nào? Điều kiện diễn ra hiện tượng là gì? Các đại lượng trong hiện tượng tự nhiên có mối quan

hệ với nhau như thế nào? Các dụng cụ có nguyên tắc cấu tạo và hoạt động như thế nào?

- Đưa ra được cách thức tìm ra câu trả lời cho các câu hỏi

đã đặt ra

- Tiến hành thực hiện các cách thức tìm câu trả lời bằng suy luận lí thuyết hoặc khảo sát thực nghiệm

- Khái quát hóa rút ra kết luận từ kết quả thu được

- Đánh giá độ tin cậy và kết quả thu được

3 Năng lực sáng

tạo

- Thiết kế được phương án thí nghiệm để kiểm tra giả thuyết (hoặc dự đoán)

- Lựa chọn được phương án thí nghiệm tối ưu

- Giải được bài tập sáng tạo

- Lựa chọn được cách thức giải quyết vấn đề một cách tối

- Sử dụng được ngôn ngữ vật lí để mô tả hiện tượng

- Lập được bảng và mô tả bảng số liệu thực nghiệm

- Vẽ được đồ thị từ bảng số liệu cho trước

- Vẽ được sơ đồ thí nghiệm

- Mô tả được sơ đồ thí nghiệm

- Đưa ra các lập luận logic, biện chứng

6 Năng lực hợp

tác

- Tiến hành thí nghiệm theo nhóm

- Tiến hành thí nghiệm theo các khu vực khác nhau

- Sử dụng phần mềm mô phỏng để mô tả đối tượng vật lí

- Đọc hiểu được đồ thị, bảng biểu

9 Năng lực tính toán - Mô hình hóa quy luật vật lí bằng các công thức

toán học

- Sử dụng toán học để suy luận từ kiến thức đã biết

ra hệ quả hoặc ra kiến thức mới

1.2.2 Xây dựng các năng lực chuyên biệt dựa trên đặc thù môn học:

Với cách tiếp cận này, người ta sẽ dựa trên đặc thù nội dung, phương pháp nhận thức và vai trò của môn học đối với thực tiễn để đưa ra hệ thống năng lực, có nhiều nước trên thế giới tiếp cận theo cách này, dưới đây xin đề xuất hệ thống năng lực được phát triển theo chuẩn năng lực chuyên biệt môn Vật lí đối với HS 15 tuổi của Cộng hòa Liên bang Đức

Môn Vật lí giúp hình thành các năng lực sau:

➢ Năng lực giải quyết vấn đề

Tiếp theo, ta cần chỉ ra các thao tác liên quan đến từng năng lực thành phần, mà các thao tác này có thể nhận biết được và đưa ra chỉ bảo rõ ràng về mức độ chất lượng của từng thao tác Giống như kĩ năng, chất lượng các thao tác có thể được đánh giá dựa trên sự thuần thục, tốc độ thực hiện, độ chính xác của thao tác…

Nói tóm lại khi muốn đánh giá một năng lực, ta cần làm rõ nội hàm năng lực đó bằng cách chỉ ra những kiến thức, kĩ năng và thái độ cần có làm nền tảng cho việc thể hiện, phát triển năng lực đó, sau đó xây dựng các công cụ đo kiến thức, kĩ năng, thái độ quen thuộc

Ví dụ để đánh giá năng lực thực nghiệm, một trong các năng lực quan trọng của

HS trong học tập vật lí, ta cần chỉ ra những thành tố làm nền tảng của năng lực thực nghiệm được trình bày ở hình 2

Hình 2 Các thành tố của năng lực thực nghiệm

Khi xây dựng các công cụ đánh giá, ta có thể xây dựng công cụ đánh giá từng thành tố hoặc đồng thời nhiều thành tố của năng lực, tuy nhiên để việc đánh giá được chính xác và có độ tin cậy cao, ta đánh giá càng ít thành tố càng tốt

Sau khi phân chia năng lực thành các thành phần như vậy, ta tổng hợp được nhóm các năng lực thành phần cần phải hình thành và phát triển trong môn Vật lí nói chung

và ở cấp THPT nói riêng, theo bảng 2

Bảng 2 Năng lực chuyên biệt môn Vật lí

-B2: Trình bày được mối quan hệ giữa các kiến thức vật

lí

-B3: Sử dụng được kiến thức vật lí để thực hiện các nhiệm vụ học tập,

-B4: Vận dụng (giải thích, dự đoán, tính toán, đề ra giải pháp, đánh giá giải pháp, …) kiến thức vật lí vào các tình huống thực tiễn

-B4: Vận dụng sự tương tự và các mô hình để xây dựng kiến thức vật lí

-B5: Lựa chọn và sử dụng các công cụ toán học phù hợp trong học tập vật lí

-B6: Chỉ ra được điều kiện lí tưởng của hiện tượng vật

Nhóm NLTP trao đổi

thông tin

HS có thể -B1: Trao đổi kiến thức và ứng dụng vật lí bằng ngôn ngữ vật lí và các cách diễn tả đặc thù của vật lí

-B2: Phân biệt được những mô tả các hiện tượng tự nhiên bằng ngôn ngữ đời sống và ngôn ngữ vật lí chuyên ngành

-B3: Lựa chọn, đánh giá được các nguồn thông tin khác nhau

-B4: Mô tả được cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của các thiết bị kĩ thuật, công nghệ

-B5: Ghi lại được các kết quả từ các hoạt động học tập vật lí của mình (nghe giảng, tìm kiếm thông tin, thí nghiệm, làm việc nhóm)

-B6: Trình bày các kết quả từ các hoạt động học tập vật

lí của mình (nghe giảng, tìm kiếm thông tin, thí nghiệm, làm việc nhóm) một cách phù hợp

-B7: Thảo luận được kết quả công việc của mình và những vấn đề liên quan dưới góc nhìn vật lí

-B8: Tham gia hoạt động nhóm trong học tập vật lí

Nhóm NLTP liên quan

đến cá nhân

HS có thể -B1: Xác định được trình độ hiện có về kiến thức, kĩ năng, thái độ của cá nhân trong học tập vật lí

-B2: Lập kế hoạch và thực hiện được kế hoạch, điều chỉnh kế hoạch học tập vật lí nhằm nâng cao trình độ bản thân

-B3: Chỉ ra được vai trò (cơ hội) và hạn chế của các quan điểm vật lí đối trong các trường hợp cụ thể trong môn Vật lí và ngoài môn Vật lí

-B4: So sánh và đánh giá được dưới khía cạnh vật lí các giải pháp kĩ thuật khác nhau về mặt kinh tế, xã hội và môi trường

-B5: Sử dụng được kiến thức vật lí để đánh giá và cảnh báo mức độ an toàn của thí nghiệm, của các vấn đề trong cuộc sống và của các công nghệ hiện đại

-B6: Nhận ra được ảnh hưởng vật lí lên các mối quan

KII Vận dụng kiến thức:

- Xác định và sử dụng kiến thức vật lí trong tình huống đơn giản

- Sử dụng phép tương tự

KIII Liên kết và chuyển tải kiến thức:

- Vận dụng kiến thức trong tình huống có phần mới

mẻ

- Lựa chọn được đặc tính phù hợp

- Áp dụng, mô

tả các phương pháp vật lí, đặc biệt là phương pháp thực nghiệm

PII Sử dụng các phương pháp chuyên biệt

- Sử dụng các chiến lược giải bài tập

- Lập kế hoạch và tiến hành thí nghiệm đơn giản

PIII Lựa chọn và vận dụng các phương pháp chuyên biệt để giải quyết vấn đề

- Lựa chọn và áp dụng một cách có mục đích và liên kết các phương pháp chuyên môn, bao

- Mở rộng kiến thức theo hướng dẫn

gồm cả thí nghiệm đơn giản và toán học hóa

- Tự chiếm lĩnh kiến thức

Năng lực trao

đổi thông tin

XI Làm theo mẫu diễn tả cho trước

- Diễn tả một đối tượng đơn giản gian bằng nói và viết hoặc theo mẫu cho trước theo hướng dẫn

- Đặt câu hỏi về đối tượng

XII Sử dụng hình thức diễn tả phù hợp

- Diễn tả một đối tượng bằng ngôn ngữ vật lí và có cấu trúc

- Biện giải về một đối tượng

- Lí giải các nhận đinh

XIII Tự lựa chọn cách diễn tả và sử dụng

- Lựa chọn, vận dụng và phản hồi các hình thức diễn tả một cách có tính toán và hợp lí

- Thảo luận về mức

độ giới hạn phù hợp của một chủ đề

Năng lực cá thể

CI

- Áp dụng sự đánh giá có sẵn

- Nhận thấy tác động của kiến thức vật lí

- Phát biểu được bối cảnh công nghệ đơn giản dưới nhãn quan vật lí

CII

- Bình luận những đánh giá đã có

- Đưa ra những quyết định theo các khía cạnh đặc trưng của vật lí

- Phân biệt giữa các

bộ phận vật lí và các

bộ phận khác của việc đánh giá

CIII

- Tự đưa ra những đánh giá của bản thân

- Đánh giá ý ghĩa của các kiến thức vật lí

- Sử dụng các kiến thức vật lí như nền tảng quả quá trình đánh giá các đối tượng

- Xắp xếp các hiện tượng vào một bối cảnh vật lí

Tuy các năng lực hoặc năng lực thành phần có thể khác nhau nhưng khi phân tích chúng thành các thành tố năng lực cụ thể thì ta sẽ thu được các thành tố năng lực về cơ bản là giống nhau

1.3 Lợi ích của việc dạy học phát triển năng lực:

Những lợi ích của phương pháp dạy học dựa trên năng lực này đã được các nhà hoạch định chính sách và người có ảnh hưởng trong giáo dục công nhận Trung tâm “Vì

sự Tiến bộ” của Mỹ gần đây đã cho thấy, “dạy học dựa trên việc phát triển năng lực có thể là chìa khóa để cung cấp chất lượng giáo dục phổ thông cho hàng triệu người Mỹ với chi phí thấp hơn.” Trong khi các nhà hoạch định chính sách đang ca ngợi dạy học dựa trên phát triển năng lực, thì lại chưa có đủ sự hỗ trợ để đảm bảo nó có thể được thực hiện thành công trên thực tiễn Ví dụ, các quy định về hỗ trợ tài chính thường dựa trên thời gian giảng dạy hoặc số lượng học sinh, tài liệu giảng dạy mới chỉ dừng lại ở sách giáo khoa và một vài tài liệu tham khảo giản đơn Việc biến quá trình dạy học phát triển năng lực thành xu thế chủ đạo sẽ đòi hỏi một sự thay đổi “căn bản và toàn diện” cách tiếp cận về giáo dục của chúng ta từ trước đến nay

1.3.1 Vai trò của thực hành và thí nghiệm Vật lí Đặc biệt là vai trò của máy vi tính trong thí nghiệm Vật lí:

Khi giảng dạy Vật lí, người GV một mặt phải tận dụng những kinh nghiệm sống của học sinh, nhưng mặt khác phải chỉnh lý, bổ sung, hệ thống hoá những kinh nghiệm

đó và nâng cao lên mức chính xác, đầy đủ bằng các thí nghiệm Vật lý, nhờ đó mà tránh được tính chất giáo điều, hình thức trong giảng dạy

Làm các thí nghiệm Vật lí có tác dụng to lớn trong việc phát triển nhận thức của học sinh, giúp các em quen dần với phương pháp nghiên cứu khoa học, vì qua đó các

em được tập quan sát, đo đạc, được rèn luyện tính cẩn thận, kiên trì, điều đó rất cần cho việc giáo dục kỹ thuật tổng hợp, chuẩn bị cho học sinh tham gia hoạt động thực tế Do được tận mắt, tự tay tháo lắp các dụng cụ, thiết bị và đo lường các đại lượng, các em có

thể nhanh chóng làm quen với những dụng cụ và thiết bị dùng trong đời sống và sản xuất sau này

Vai trò của máy vi tính trong dạy học vật lí:

Bên cạnh các ứng dụng thường thấy trong các môn học khác như: học, ôn tập bằng máy, kiểm tra, đánh giá bằng máy, xử lí và tính toán các kết quả bằng máy thì máy

vi tính còn có thể được ứng dụng chủ yếu trong dạy học vật lí ở các lĩnh vực quan trọng sau:

❖ Mô phỏng các đối tượng vật lí cần nghiên cứu

❖ Truyền dữ liệu sang các mạch điện tử

❖ Hỗ trợ các thí nghiệm vật lí

❖ Hỗ trợ cho việc phân tích phim video ghi các quá trình vật lí thực

Do máy vi tính là thiết bị đa phương tiện có thể ghép nối với các thiết bị hiện đại khác trong nghiên cứu vật lí và có tính năng hết sức ưu việt trong việc thu thập dữ liệu,

xử lí dữ liệu cũng như trình bày các kết quả xử lí một cách tự động và cực kì nhanh chóng, chính xác và đẹp đẽ nên nó đã được sử dụng rất thành công trong các lĩnh vực nêu trên, góp phần giải quyết các khó khăn mà các phương tiện dạy học trước nó chưa giải quyết được trọn vẹn Với những tính năng đó, máy vi tính là phương tiện hỗ trợ rất

có hiệu quả trong việc tổ chức hoạt động nhận thức cho học sinh trong dạy học vật lý Đặc biệt trong bộ TN được thực hành dưới đây hoàn toàn phụ thuộc vào sự hỗ trợ của máy tính, nó đóng một vai trò chủ đạo mang tầm ảnh hướng nhất định Chính vì thế chúng ta có thể nhận ra rằng máy tính rất bổ ích trong các TN vật lý

1.3.2 Các đặc điểm của thí nghiệm Vật lí:

Thí nghiệm vật lý là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào đối tượng của hiện thực khách quan Thông qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của sự tác động, ta có thể thu nhận được tri thức mới

Sau đây là 1 số đặc điểm của thí nghiệm vật lí:

❖ Các điều kiện của thí nghiệm phải được lựa chọn và được thiết lập có chủ định sao cho thông qua thí nghiệm, có thể trả lời được câu hỏi đặt ra, có thể kiểm tra được giả thuyết hoặc hệ quả suy ra từ giả thuyết Mỗi thí nghiệm có ba yếu tố

cấu thành cần được xác định rõ: Đối tượng cần nghiên cứu, phương tiện gây tác động lên đối tượng cần nghiên cứu và phương tiện quan sát, đo đạc để thu nhận

các kết quả của sự tác động

❖ Các điều kiện của thí nghiệm có thể làm biến đổi được để ta có thể nghiên cứu

sự phụ thuộc giữa hai đại lượng, trong khi các đại lượng khác được giữ không

đổi

❖ Các điều kiện của thí nghiệm phải được khống chế, kiểm soát đúng như dự định nhờ sử dụng các thiết bị thí nghiệm có độ chính xác ở mức độ cần thiết, nhờ sự phân tích thường xuyên các yếu tố của đối tượng cần nghiên cứu, làm giảm tối

đa ảnh hưởng của các nhiễu (nghĩa là loại bỏ tối đa một số điều kiện để không

làm xuất hiện các tính chất, các mối quan hệ không được quan tâm)

❖ Đặc điểm quan trọng nhất của thí nghiệm là tính có thể quan sát được các biến đổi của đại lượng nào đó do sự biến đổi của các đại lượng khác Điều này đạt được nhờ các giác quan của con người và sự hỗ trợ của các phương tiện quan sát,

đo đạc

❖ Có thể lặp lại được thí nghiệm Điều này có nghĩa là: với các thiết bị thí nghiệm, các điều kiện thí nghiệm như nhau thì khi bố trí lại hệ thí nghiệm, tiến hành lại thí nghiệm, hiện tượng, quá trình vật lý phải diễn ra trong thí nghiệm giống như

ở các lần thí nghiệm trước

1.3.3 Chức năng của thí nghiệm vật lí trong dạy học vật lí:

Chức năng chủ yếu của thí nghịêm vật lí là tạo điều kiện cho học sinh nắm vững chính xác, sâu sắc kiến thức, phát triển năng lực nhận thức và hình thành nhân cách của học sinh Trong quá trình dạy học nói chung và dạy học vật lí nói riêng, phương tiện dạy học đã chứng tỏ vai trò to lớn của mình ở tất cả các khâu như tạo động cơ, hứng thú học tập của học sinh, cung cấp các dữ liệu thực nghiệm nhằm khái quát hoá hoặc kiểm chứng các kiến thức về các khái niệm, định luật vật lí, mô phỏng các hiện tượng, quá trình vật

lí vi mô, đề cập các ứng dụng của các kiến thức vật lí trong đời sống và kỹ thuật, sử dụng trong việc ôn tập, đào sâu, mở rộng, hệ thống hoá kiến thức, kỹ năng của học sinh;

hỗ trợ việc kiểm tra, đánh giá kiến thức, kỹ năng,

Theo lý luận dạy học hiện đại, dạy học TN vật lí hỗ trợ hoạt động của GV và học sinh ở tất cả các pha của tiến trình giải quyết nhiệm vụ nhận thức

Ở pha chuyển giao nhiệm vụ, bất ổn hóa tri thức, phát biểu vấn đề, phương tiện dạy học trước hết là công cụ hỗ trợ cho GV xây dựng tình huống vấn đề, tạo hứng thú nhận thức và động cơ hoạt động của học sinh Khi đã nhận nhiệm vụ, phương tiện dạy học lại là công cụ để học sinh hoạt động giải quyết nhiệm vụ được giao Trong quá trình giải quyết nhiệm vụ, nếu học sinh gặp trở ngại thì chính thí nghiệm có tác dụng hỗ trợ

để học sinh ý thức được vấn đề cần giải quyết Chẳng hạn, giáo viên có thể sử dụng các thiết bị quen thuộc giao cho học sinh tiến hành các thí nghiệm đơn giản, có tính nghịch

lý chỉ ra các hiện tượng, quá trình vật lý mới mẻ mà học sinh không thấy trong cuộc sống hàng ngày để kích thích tính tò mò tự nhiên của học sinh Các vật thật, mô hình vật chất, tranh ảnh, các thí nghiệm định tính mở đầu mô tả một quá trình vật lý, một hiện tượng vật lý nào đó trái với quan niệm ban đầu của học sinh có thể được giáo viên thiết

kế thành một nhiệm vụ nhận thức giao cho học sinh tiến hành nhằm tạo ra cho học sinh nhu cầu tìm hiểu, giải thích

Với những quá trình biến đổi nhanh thì việc thiết kế và tiến hành thí nghiệm với các dụng cụ truyền thống gặp nhiều khó khăn, nhiều khi không thực hiện được Đối với các quá trình có thể tiến hành thí nghiệm thì lại đòi hỏi nhiều thời gian thu thập số liệu, tính toán, vẽ đồ thị và thời gian kiểm tra sự đúng đắn của các giả thuyết Trong thời gian của tiết học, học sinh không có đủ thời gian để tiến hành các hoạt động tư duy như dự đoán, đề xuất giả thuyết Giải pháp sử dụng phim video quay chậm thì học sinh chỉ chủ yếu được quan sát lại quá trình một cách định tính mà không được tham gia vào quá trình hoạt động xây dựng kiến thức Nhằm giải quyết những khó khăn đó, hiện nay trong dạy học người ta đã sử dụng ngày càng nhiều hơn sự hỗ trợ của máy vi tính và các phần mềm

Hình 3 Kit Arduino phiên bản đầu tiên

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ MẠCH LẬP TRÌNH

ARDUINO IDE VÀ PHẦN MỀM VISUAL STUDIO

2.1 Bo mạch phát triển Arduino:

2.1.1 Giới thiệu chung:

Nền tảng Arduino được phát triển đầu tiên ở Viện thiết kế Ivrea, Italia để hướng đến khả năng hỗ trợ người học điện tử tiếp cận nhanh và dễ dàng đến việc lập trình vi điều khiển cho các ứng dụng cụ thể Ban đầu, Arduino được phát triển chỉ gồm vi điều khiển AVR (ATmega168) và giao tiếp RS232 cùng với mạch nguồn như hình dưới

Qua quá trình phát triển, nền tảng Arduino hiện đã phát triển rất đa dạng về cả phần cứng và phần mềm Về mặt phần cứng, ngoài các bo mạch Arduino truyền thống

sử dụng vi điều khiển AVR thì hiện có rất nhiều các bo mạch khác sử dụng các loại vi điều khiển khác nhau nhưng vẫn đảm bảo tương thích với nền tảng Arduino Tương ứng với các nền tảng phần cứng khác nhau thì phần mềm hỗ trợ cũng như thư viện đi kèm cũng được phát triển rất phong phú nhờ vào sự góp sức của một cộng đồng lớn mạnh đang sử dụng nền tảng này

Mặc dù các KIT Arduino đa dạng về chủng loại, nhưng cơ bản vẫn được phát triển với các khối chính: khối vi điều khiển, khối nguồn nuôi, khối giao tiếp (đã được phát triển theo chuẩn USB-RS232) Arduino được phát triển nhanh và rộng một phần quan trọng là nhờ môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE có giao diện như trong

Hình 4 Môi trường phần mềm tích hợp Arduino IDE

hình 4 Các KIT Arduino được phát triển một cách độc lập nhưng đều được tích hợp firmware hỗ trợ khả năng nhận mã nguồn từ Arduino IDE qua cổng USB-RS232

2.1.2 Bo mạch Arduino UNO:

Arduino UNO có thể xem là bo mạch Arduino phổ biến nhất hiện nay nhờ vào giá thành rẻ, tài nguyên phần cứng phong phú, phù hợp với việc phát triển cho nhiều ứng dụng khác nhau Hình 5 mô tả chi tiết các thành phần của bo mạch Arduino UNO R3 gồm vi điều khiển ATmega328, khối giao tiếp USB-RS232, nguồn nuôi vào các chân vào/ra Các thông số cơ bản của bo mạch này:

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Điện áp vào khuyên dùng 7 - 12V DC

Điện áp vào giới hạn 6 - 20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Ở khối VĐK, Arduino UNO có thể sử dụng 3 VĐK họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt

độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD, …

Ở khối nguồn nuôi, Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên sẽ làm hỏng Arduino UNO

❖ Lưu ý:

• Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó bạn phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặn giấy Vì thế các bạn nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể

• Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích

• Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board

• Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328

• Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển

• Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển

• Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếu không dùng để truyền nhận

dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng

Ở khối giao tiếp, Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA

Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong VĐK ATmega328

2.2 Môi trường phát triển tích hợp:

Sự phổ biến rộng rãi của Arduino có phần đóng góp rất lớn của Arduino IDE được phát triển trên nền tảng Java và có thể hoạt động trên đa nền tảng như Windows, Linux

và MacOS Mặc dù các bo Arduino đều có các VĐK phổ biến và cũng được hỗ trợ bởi

nhiều cộng cụ lập trình và mạch nạp, nhưng đều có thể sử dụng chung môi trường phát triển tích hợp Arduino IDE Hơn nữa, các nhà phát triển độc lập đã và đang phát triển các thư viện cho phép người dùng phát triển nhanh các ứng dụng cụ thể chỉ bằng các lệnh gọi hàm đơn giản so với việc viết các đoạn mã bằng C hoặc Asembly phức tạp

2.2.1 Giới thiệu phần mềm code Arduino IDE:

Một chương trình phát triển trên Arduino IDE về cơ bản là ngôn ngữ C phổ biến

và bổ sung thêm khối mã lệnh dành riêng cho thiết lập hệ thống Mỗi chương trình trên Arduino IDE thường chia làm ba phần chính:

• Phần Khai báo và định nghĩa: Chủ yếu được sử dụng để khai báo các thư viện, định nghĩa các chân vào ra, hoặc các lời gọi hàm cho các đối tượng mở rộng được

❖ Lưu ý: Các câu lệnh và hàm được đặt trong khối thiết lập chỉ được thực hiện một

lần khi khởi động hệ thống và sẽ không được gọi lại trong các tác vụ khác Khối chương trình chính sẽ luôn được thực hiện ở dạng vòng lặp vộ tận trong suốt quá trình hệ thống hoạt động

Arduino IDE được xây dựng trên nền ngôn ngữ C, do vậy cấu trúc khối, chương trình con, lệnh và các lời gọi hàm hoàn toàn tương đồng với các chương trình của ngôn

ngữ C Tuy nhiên, khối chương trình chính được bao ngoài bởi vòng lặp vô tận “loop()”

nên chúng ta không cần sử dụng vòng lặp vô hạn như trong các chương trình cho vi điều khiển thường gặp khác

Qui trình tạo mới, biên dịch và nạp vào KIT Arduino từ môi trường phát triển được cụ thể hóa như sau:

1 Tạo mới tập tin mã nguồn với định dạng của Arduino IDE với đuôi ino Tập

tin này cần được lưu vào một thư mục cùng tên đồng thời chứa tất cả các tập tin liên quan trong quá trình hoạt động

2 Viết mã nguồn phù hợp với ứng dụng của hệ thống bảo đảm cú pháp và cấu trúc của một chương trình trên Arduino IDE

3 Biên dich mã nguồn, kiểm tra lỗi cú pháp bằng cách kích vào biểu tượng hoặc chọn trình đơn Shetch -> chọn Verify/Compile (hoặc tổ hợp phím tắt: Ctrl + R)

4 Biên dịch vào nạp vào KIT bằng cách kích vào biểu tượng hoặc tổ hợp phím tắt là Ctrl + U

❖ Lưu ý: Trước khi biên dịch và tải lên bo Arduino chúng ta cần kết nối bo được

sử dụng vào máy tính và khai báo chính xác loại bo “Tools/Board” giao tiếp được

sử dụng (COMX) Một số bo Arduino còn cần được khai báo cả chương trình nạp

mã nguồn phù hợp (Programmer)

2.2.2 Quản lý thư viện:

Dựa vào cộng đồng phát triển rộng khắp nên có rất nhiều các đoạn mã đã được cộng đồng xây dựng và tối ưu tạo ra các thư viện rất sử dụng cho người dùng Arduino IDE hỗ trợ tối đa các giải pháp bổ sung thư viện nhằm giúp người dùng xây dựng nhanh các ứng dụng của mình Tuy rằng, chương trình Arduino IDE mới chưa được gắn bất kỳ thư viện nào, nhưng người dùng cần phải khai báo đủ các thư viện cần sử dụng theo cả hai cách là sử dụng giao diện khai báo thư viện như được trình bày trong hình bên dưới hoặc khai báo trực tiếp vào chương trình bằng lệnh khai báo “#include” Một điểm cần lưu ý là Arduino IDE tự động quản lý thư viện nên các thư viện chuẩn đã được quản lý

sẽ được xem là thư viện mặc định, khi khai báo sẽ được đặt trong hai dấu “< >”; các thư viện tùy chọn của người dùng cần được đặt trong cùng thư mục của mã nguồn và trong

Hình 6 Cửa sổ bổ sung thư viện vào chương trình cho Arduino

Arduino IDE ở thời điểm cài đặt cũng đã được xây dựng kèm với một số thư viện tiêu chuẩn đáp ứng cơ bản cho một số các hệ thống đơn giản của người dùng Tuy nhiên, người dùng có thể cần bổ sung thêm một số thư viện tự tạo hoặc đã được chia sẽ trong cộng đồng người dùng thì cần được bổ sung vào Arduino IDE khi người dùng chọn trình quản lý thư viện “Manage Libraries …” thì cửa sổ cho phép bổ sung thư viện sẽ xuất hiện như được mô tả trong hình dưới Cửa sổ bổ sung thư viện cho phép tìm kiếm các thư viện được cộng đồng chia sẽ, và còn được cung cấp công cụ tìm kiếm thư viện đã được chia sẽ trong thời gian sớm nhất

Ngoài ra, Arduino IDE còn cung cấp giải pháp bổ sung thư viện trực tiếp ở dạng file nén “*.zip” Thư viện được chia sẽ chủ yếu trên internet hiện nay là các file nén chứa nhiều file đi kèm (tập tin mã nguồn, thư viện khai báo, mã nguồn ví dụ, …) Khi

sử dụng phương pháp cập nhật trực tiếp thư viện ở dạng file nén thì Arduino IDE cũng chuyển tất cả mã nguồn và các tập tin liên quan về thư mục thư viện mặc định Và sau

đó, người dùng sử dụng các thư viện mới được bổ sung cũng hoàn toàn tương tự như các thư viện đã có từ trước hoặc ngày khi cài đặt Arduino IDE

Hình 8 Cửa sổ trình đơn quản lý bo Arduino

Hình 9 Môi trường lập trình Visual Studion 2019.

2.2.3 Quản lý bo Arduino mở rộng:

Môi trường phát triển Arduino luôn được cập nhật, tuy nhiên có rất nhiều nhà phát triển phần cứng tham gia và tạo ra rất nhiều bo Arduino mới có thể không cập nhật kịp cho người sử dụng Giải pháp cho thách thức này là công cụ quản lý bổ sung bo mạch Arduino được tích hợp trong môi trường phát triển Trong môi trường Arduino

IDE vào trình đơn Tools/Bo sẽ xuất hiện danh sách các dạng bo Arduino được hỗ trợ

Khi bo Arduino cần dùng không được hỗ trợ thì cần sử dụng công cụ quản lý để tìm loại được hỗ trợ tương ứng ở mục đầu tiên của danh sách Trình đơn quản lý bo Arduino xuất hiện như trong mô tả ở hình bên dưới Dựa vào công cụ tìm kiếm, người dùng cần xác định chính xác dòng bo Arduino tương thích với bo của người dùng đang sử dụng

2.3 Lập trình phần mềm Visual Studio trên máy tính:

Môi trường lập trình Visual Studio là công cụ lập trình trên nền tảng Window rất được phổ biến và hỗ trợ đa ngôn ngữ lập trình như C++, Basic, C#,

Hình 10 Chọn mẫu dữ án cho chương trình cần sử dụng

Hình 11 Tạo 1 dự án mới để thiết lập

2.3.1 Khởi tạo dự án:

Mở đầu cho một chương trình được lập từ môi trường Visual Studio ta cần khởi tạo một dự án (project) phù hợp cho mục tiêu của ứng dụng Trong bài thực hành này chúng ta cần lập một chương trình có giao diện người dùng nên chọn kiểu dự án Windows.Form như sau:

1 Chọn trình đơn File/New/Project hoặc tổ hợp phím Ctrl+Shift+N

2 Chọn mẫu dự án Windows Form App (.NET Framework) như trong hình

dưới

3 Tạo một dự án mới cần thiết lập và đặt tên cho dự án

Hình 12 Chọn những tài nguyên cần thiết lập ở Toolbox

Hình 13 Giao diện sau khi đã hoàn thiện

4 Môi trường lập trình sẽ chuyển qua chế độ tạo mã nguồn cho dự án

Bằng cách chọn các đối tượng cần sự dụng từ tài nguyên ở Toolbox ở phía bên

trái để tạo nên giao diện phù hợp với mục tiêu lập trình và từ đó tạo nên mã nguồn phù hợp với mục đích của bài thực hành Muốn khởi tạo mã nguồn cho đối tượng nào trong giao diện ta chỉ cần chọn đối tượng đó và dịch chuyển về góc dưới bên phải để chọn hoạt động phù hợp với mục tiêu để tạo mã nguồn

Ví dụ một giao diện mới sau khi đã được thiết lập xong như sau: