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

Lý do chọn đề tài Theo Chỉ thị số 16/CT-TTg về việc tăng cường năng lực tiếp cận cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, giáo dục Việt Nam hiện nay cần phải:“Thay đổi mạnh mẽ các chính s

NGUY ỄN ĐỨC ANH

“XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG” DÙNG CẢM BIẾN

NGUY ỄN ĐỨC ANH

“XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG” DÙNG CẢM BIẾN

Chuyên ngành: Sư phạm Vật lí

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Th.S LÊ H ẢI MỸ NGÂN

L ỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Đại học, Ban chủ nhiệm, quý Thầy Cô giáo khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh và quý Thầy Cô giáo trực tiếp giảng dạy, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô là chuyên gia về giáo dục STEM đã cho ý kiến góp ý sâu sắc về đề tài khoá luận Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn: Th.S Lê Hải Mỹ Ngân – người đã tận tình chỉ

bảo, hướng dẫn, giúp đỡ, động viên, đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho tôi trong

suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân, bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập 4 năm ở trường đại học và trong

suốt thời gian thực hiện khoá luận này

Xin chân thành cảm ơn

TP Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2020

Tác giả

NGUY ỄN ĐỨC ANH

M ỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC HÌNH ẢNH

MỞ ĐẦU

Chương 1 CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 5

1.1 Giáo dục STEM 5

1.1.1 Khái niệm Giáo dục STEM 5

1.1.2 Mục tiêu của giáo dục STEM 6

1.1.3 Giáo dục STEM ở Việt Nam 7

1.1.4 Quy trình dạy học STEM dựa trên hoạt động thiết kế kĩ thuật 8

1.2 Giáo dục khoa học Robot 13

1.2.1 Giới thiệu Giáo dục khoa học Robot 13

1.2.2 Giáo dục khoa học Robot và Giáo dục STEM 13

1.2.3 Công cụ Robot trong Giáo dục khoa học Robot 14

1.2.4 Cấu trúc hệ thống của robot trong Giáo dục Robot 16

1.3 Dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề 17

1.3.1 Khái niệm năng lực giải quyết vấn đề 17

1.3.2 Cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề 17

1.3.3 Giải quyết vấn đề theo Tư duy máy tính (Computational Thinking) 18

1.3.4 Khung năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục khoa học robot 20

Chương 2 THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM “XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG” 24

2.1 Bối cảnh và ý nghĩa thực tiễn chủ đề 24

2.2 Mục tiêu dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề 25

2.3 Phân tích nội dung kiến thức trong chủ đề 27

2.3.1 Môn Khoa học tự nhiên 29

2.3.2 Môn Công nghệ 30

2.3.3 Môn Tin học 30

2.3.4 Môn Toán học 31

2.4 Tiến trình tổng thể các pha hoạt động của tiến trình dạy học 32

2.5 Phương tiện, học liệu 35

2.5.1 Bộ dụng cụ Arduino – based robotic kit 35

2.5.2 Tài liệu hướng dẫn thực hiện sản phẩm 39

2.5.3 Học liệu trong chủ đề 58

2.5.4 Bộ câu hỏi định hướng 61

2.6 Tiến trình tổ chức dạy học chi tiết 65

2.6.1 Hoạt động 1: Đặt vấn đề Tìm hiểu tổng quan về robot .65

2.6.2 Hoạt động 2: Khám phá kiến thức 70

2.6.3 Hoạt động 3 Lập bản thiết kế sản phẩm 93

2.6.4 Hoạt động 4: Lắp ráp và vận hành sản phẩm 97

2.6.5 Hoạt động 5: Báo cáo sản phẩm 98

2.7 Đánh giá năng lực giải quyết vấn đề của học sinh 100

2.7.1 Công cụ đánh giá 100

2.7.2 Khung rubrics đánh giá năng lực giải quyết vấn đề 101

2.8 Một số lưu ý cho GV khi triển khai tổ chức dạy học chủ đề 108

3.1 Mục tiêu khảo sát 110

3.2 Đối tượng khảo sát 110

3.3 Hình thức khảo sát 110

3.4 Nội dung khảo sát 110

3.5 Kết quả khảo sát 111

3.5.1 Danh sách các chuyên gia đã cho ý kiến 111

3.5.2 Kết quả khảo sát ý kiến của chuyên gia 111

3.5.3 Ý kiến của chuyên gia về chủ đề 114

3.6 Nhận xét 117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH M ỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH M ỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các pha hoạt động của quy trình dạy học STEM theo thiết kế kĩ thuật 11

Bảng 1.2 So sánh tư duy GQVD và tư duy máy tính[27] 19

Bảng 1.3 Khung năng lực giải quyết vấn đề trong GD khoa học robot 20

Bảng 2.1 Bảng mục tiêu năng lực giải quyết vấn đề trong chủ đề 25

Bảng 2.2 Phân tích nội dung kiến thức môn KHTN 29

Bảng 2.3 Phân tích nội dung kiến thức môn Công nghệ 30

Bảng 2.4 Phân tích nội dung kiến thức môn Tin học 30

Bảng 2.5 Phân tích nội dung kiến thức môn Toán học 31

Bảng 2.6 Bảng tiến trình tổng thể tóm tắt các pha hoạt động dạy học 32

Bảng 2.7 Bộ dụng cụ sử dụng trong chủ đề 36

Bảng 2.8 Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm trong HĐ2.1 42

Bảng 2.9 Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm trong HĐ2.2 46

Bảng 2.10 Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm trong HĐ2.3 50

Bảng 2.11 Hướng dẫn lắp ráp hoàn thiện sản phẩm 54

Bảng 2.12 Nguyên lí hoạt động sản phẩm 56

Bảng 2.13 Danh sách học liệu sử dụng trong chủ đề 58

Bảng 2.14 Bộ câu hỏi định hướng số 1 61

Bảng 2.15 Bộ câu hỏi định hướng số 2 62

Bảng 2.16 Bộ câu hỏi định hướng số 3 63

Bảng 2.17 Bộ câu hỏi số 5 63

Bảng 2.18 Bộ câu hỏi định hướng số 4 64

Bảng 2.19 Tiến trình dạy học Hoạt động 1 65

Bảng 2.20 Tiến trình dạy học Hoạt động 2.1 71

Bảng 2.21 Tiến trình dạy học hoạt động 2.2 73

Bảng 2.22 Tiến trình dạy học Hoạt động 2.3 82

Bảng 2.23 Tiến trình Hoạt động 3.1 94

Bảng 2.24 Tiến trình dạy học Hoạt động 3.2 95

Bảng 2.25 Tiến trình Hoạt động 4 97

Bảng 2.26 Tiến trình dạy học Hoạt động 5 .98

Bảng 2.27 Bảng công cụ đánh giá năng lực GQVD 100

Bảng 2.28 Khung rubrics đánh giá năng lực GQVD 101

Bảng 3.1 Danh sách chuyên gia cho ý kiến 111

Bảng 3.2 Kết quả khảo sát nhận xét chung chủ đề STEM “xe robot tự dò đường” 112

Bảng 3.3 Kết quả khảo sát về Kế hoạch dạy học chủ đề "Xe robot tự dò đường" 112

Bảng 3.4 Kết quả khảo sát về Phương tiện, học liệu chủ đề "Xe robot tự dò đường" 113 Bảng 3.5 Kết quả khảo sát về Công cụ đánh giá chủ đề "Xe robot tự dò đường" 114

Bảng 3.6 Kết quả khảo sát về Hình thức của hồ sơ chủ đề "Xe robot tự dò đường" 114

Bảng 3.7 Ý kiến chuyên gia về Bộ hồ sơ dạy học 114

Bảng 3.8 Ý kiến chuyên gia về sự phù hợp chủ đề với qui trình EDP 115

Bảng 3.9 Ý kiến chuyên gia về sự phù hợp với định hướng GD STEM 115

DANH M ỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mục tiêu giáo dục STEM[3] 7

Hình 1.2 Sơ đồ các bước quy trình thiết kế kĩ thuật EDP 9

Hình 1.3 Sơ đồ Quy trình dạy học STEM theo thiết kế kĩ thuật 10

Hình 1.4 Electronic Robot kit 15

Hình 1.5 Mechanical Robot kit 15

Hình 1.6 Humanoid robot 15

Hình 1.7 Sơ đồ các bộ phận của robot[23] 16

Hình 2.1 Giao thông ở việt nam 24

Hình 2.2 Sơ đồ mối liên hệ kiến thức và các bộ phận của robot 28

Hình 2.3 Sơ đồ tiến trình dạy học 35

Hình 2.4 Bản vẽ cấu tạo mặt trên xe robot 39

Hình 2.5 Bản vẽ cấu tạo mặt dưới xe robot 40

Hình 2.6 Bản vẽ sơ đồ mạch điện 40

Hình 2.7 Sơ đồ khối lập trình mBlock 41

Hình 2.8 Khối lệnh điều khiển xe chạy thẳng 49

Hình 2.9 Khối lệnh điều khiển xe đi lùi 49

Hình 2.10 Khối lệnh điều khiển xe đi tới 3s, đi lùi 3s 49

Hình 2.11 Sơ đồ thu gọn tiến trình chủ đề 70

M Ở ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Theo Chỉ thị số 16/CT-TTg về việc tăng cường năng lực tiếp cận cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, giáo dục Việt Nam hiện nay cần phải:“Thay đổi mạnh mẽ các chính sách, n ội dung, phương pháp giáo dục và dạy nghề nhằm tạo ra nguồn nhân lực

có kh ả năng tiếp nhận các xu thế công nghệ sản xuất mới, trong đó cần tập trung vào thúc đẩy đào tạo về khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học (STEM), ngoại ngữ, tin

h ọc trong chương trình giáo dục phổ thông” Thông qua việc ban hành chỉ thị trên, giáo

dục STEM chính thức được chú trọng trong đổi mới giáo dục và đào tạo hiện nay

Kể từ năm 2012 đến nay, giáo dục STEM đã được du nhập vào Việt Nam qua nhiều hình thức khác nhau, ví dụ như thông qua các cơ sở giáo dục tư nhân Sau đó giáo dục STEM đã bắt đầu tạo được tiếng vang tại Việt Nam với nhiều hoạt động cộng đồng như Ngày hội STEM, các cuộc thi mô hình STEM,… với sự tham gia đông đảo của các trường trung học cơ sở và trung học phổ thông trong cả nước Chính vì thế mà trong chương trình giáo dục phổ thông mới thực hiện từ năm 2019, giáo dục STEM được xác định là phương thức dạy học thông qua các môn khoa học, công nghệ, tin học và toán Cho đến nay, giáo dục STEM đang được khuyến khích triển khai trong nhà trường

Một trong những mảng chủ đề thực tiễn trong giáo dục STEM là khoa học robot (robotics) Nội dung này cũng đã được triển khai đa phần dưới hình thức câu lạc bộ ngoài giờ, sử dụng các bộ công cụ lắp ráp như Lego, WeDo, Các hoạt động này tạo điều kiện cho học sinh được trải nghiệm và tìm hiểu về lĩnh vực khoa học robot Nhiều nghiên cứu trên thế giới cũng khẳng định hiệu quả của việc tích hợp lĩnh vực khoa học robot vào dạy học (D J S o P Alimisis & Education, 2009; Benitti, 2012; Eguchi, 2014; Nourbakhsh, Hamner, Crowley, & Wilkinson, 2004) Chính vì thế mà vấn đề quan tâm

ở đây là một chủ đề STEM lĩnh vực khoa học robot (STEM – Robotics) gắn kết với các

nội dung dạy học cụ thể trong chương trình có sự gắn kết như thế nào? Và việc dạy học một chủ đề STEM - khoa học robot có thể phát triển năng lực giải quyết vấn đề như thế

nào? Đó là lí do em nghiên cứu thực hiện thiết kế làm rõ sự gắn kết một chủ đề STEM khoa học robot với các nội dung trong chương trình môn học

Chủ đề STEM – Robotics mà em nghiên cứu trong đề tài là chủ đề “Xe robot tự dò đường” sử dụng cảm biến hồng ngoại, đây là một chủ đề được lồng ghép các kiến thức thuộc môn Công nghệ, Khoa học tự nhiên, Tin học và Toán học trong Chương trình giáo dục phổ thông mới Thông qua chủ đề này, học sinh biết các vận dụng các kiến thức khác nhau để giải quyết các vấn đề thực tiễn thông qua việc tìm hiểu các cơ cấu hoạt động của

xe robot, vi mạch Arduino, cảm biến hồng ngoại và lập trình vi điều khiển, để từ đó giúp học sinh phát triển được các năng lực đặc thù Do đó đây là một chủ đề vừa có tính thực

tiễn vừa có nhiều khả thi áp dụng trong cả chương trình dạy học ở các tiết học hoạt động trải nghiệm, từ đó cho thấy được tính phù hợp để xây dựng chủ đề theo định hướng giáo dục STEM, đặc biệt là dạy học định hướng phát triển năng lực được đề ra trong chương trình giáo dục phổ thông mới

Trên cơ sở đó, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu: “Thiết kế chủ đề STEM xe robot

t ự dò đường nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh Trung học cơ

s ở”

2 Mục tiêu của đề tài

Thiết kế chủ đề STEM “xe robot tự dò đường” theo quy trình thiết kế kĩ thuật (EDP) nhằm bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh trong chương trình Trung học cơ sở

3 Giả thuyết khoa học

Nếu đề xuất thiết kế một chủ đề “xe robot tự dò đường” theo quy trình thiết kế kĩ thuật (EDP) theo định hướng giáo dục STEM thì sẽ bồi dưỡng được năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh trong chương trình Trung học cơ sở

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu: Phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh trung học

cơ sở thông qua chủ đề dạy học STEM

+ Ph ạm vi nghiên cứu: Hoạt động dạy và học các môn học STEM, đặc biệt là môn

Khoa học tự nhiên theo chương trình phổ thông mới cấp Trung học cơ sở

5 Nhiệm vụ đề tài

- Tìm hiểu cơ sở lý luận và thực tiễn về dạy học theo định hướng giáo dục STEM

- Tìm hiểu hệ thống lý thuyết về quy trình dạy học thiết kế kĩ thuật EDP

- Tìm hiểu về khoa học robot và giáo dục khoa học robot trong nhà trường

- Phân tích chương trình Khoa học tự nhiên, Công nghệ, Tin học và Toán học trong chương trình giáo dục phổ thông mới để đưa ra một số nội dung liên quan khoa học robot trong nhà trường

- Phân tích và xây dựng nội dung chủ đề xe robot tự dò đường

- Thiết kế tổ chức dạy học chủ đề STEM xe robot tự dò đường theo quy trình thiết kế kĩ thuật EDP:

• Xây dựng một hệ thống các công cụ dạy học: bộ dụng cụ xe, hướng dẫn lắp ráp, video, tranh ảnh, phiếu bài tập, thông tin thêm

• Thiết kế tiến trình dạy học để tổ chức các hoạt động

• Xây dựng hệ thống các câu hỏi, bảng tiêu chí đánh giá năng lực GQVD của học sinh khi học chủ đề

- Tham khảo ý kiến đánh giá của chuyên gia về chủ đề, tiến trình dạy học và các công

cụ hỗ trợ đã xây dựng hoặc thực nghiệm (nếu có thể)

6 Phương pháp nghiên cứu

- Đọc và nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến đề tài

- Phân loại và hệ thống hóa lý thuyết

- Phân tích, tổng hợp thông tin

- Quan sát khoa học

- Lấy ý kiến chuyên gia

7 Cấu trúc khoá luận

Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục các tài liệu tham khảo và phụ lục, đề tài gồm 3 chương:

Chương 1: Cơ sở lí luận

Chương 2: Thiết kế chủ đề “Xe robot tự dò đường”

Chương 3: Tham khảo ý kiến chuyên gia

Chương 1 CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI

1.1 Giáo dục STEM

1.1.1 Khái niệm Giáo dục STEM

STEM là thuật ngữ viết tắt của các từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật), Mathematics (Toán học) Hiện nay thuật ngữ STEM được dùng trong nhiều ngữ cảnh khác nhau, phổ biến nhất là ngữ cảnh giáo dục và ngữ cảnh nghề nghiệp

+ Trong ngữ cảnh giáo dục, STEM là sự quan tâm của nền giáo dục đối với lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học Thông qua việc dạy học tích hợp các môn học trên với các nội dung gắn với thức tiễn, người học sẽ được phát triển và nâng cao năng lực [1]

+ Trong ngữ cảnh nghề nghiệp, STEM được hiểu là nghề nghiệp thuộc các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học Ví dụ: Nhóm ngành nghề về Công nghệ thông tin;

Y sinh; Kĩ thuật; Điện tử và Truyền thông…[1]

Giáo d ục STEM có nhiều cách hiểu khác nhau Trong đó có một số cách hiểu chính về

giáo dục STEM hiện nay là:

- Giáo dục STEM là sự quan tâm đến các môn Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học Đây là cách hiểu theo nghĩa rộng khi nói về giáo dục STEM Ở cách hiểu này,

cứ tổ chức dạy học các môn thuộc lĩnh vực STEM nghĩa là giáo dục STEM.[1]

- Giáo dục STEM là định hướng tích hợp liên môn của bốn lĩnh vực/ môn Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học Tác giả Tsupros định nghĩa “Giáo dục STEM là

m ột phương pháp học tập tiếp cận liên ngành, ở đó những kiến thức hàn lâm được kết

h ợp chặt chẽ với các bài học thực tế thông qua việc học sinh được áp dụng những kiến

th ức Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học vào trong những bối cảnh cụ thể tạo nên s ự kết nối giữa nhà trường, cộng đồng và các doanh nghiệp cho phép người học phát tri ển những kĩ năng STEM và tăng khả nặng cạnh tranh trong nền kinh tế mới”

Với cách hiểu này, giáo dục STEM được hiểu là giáo dục tích hợp STEM.[1]

- Giáo dục STEM là sự tích hợp từ ít nhất hai lĩnh vực/ môn học về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học trở lên Theo quan niệm này, tác giả Sanders định nghĩa

“Giáo dục STEM là mô hình giáo dục dựa trên cách tiếp cận liên môn, giúp học sinh áp

d ụng các kiến thức Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học vào giải quyết một số

v ấn đề thực tiễn trong bối cảnh cụ thể”.[1]

- Ngoài ra, theo Chương trình giáo dục phổ thông 2018, Bộ Giáo dục định nghĩa

“Giáo dục STEM là mô hình giáo dục dựa trên cách tiếp cận liên môn, giúp học sinh áp

d ụng các kiến thức Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học vào giải quyết một số

v ấn đề thực tiễn trong bối cảnh cụ thể.”[2]

Trong phạm vi của khoá luận này, chúng tôi quan tâm hơn đến quan điểm Giáo dục STEM là sự tích hợp từ ít nhất hai lĩnh vực/môn học về Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật

và Toán học trở lên

1.1.2 Mục tiêu của giáo dục STEM

Theo tác giả Nguyễn Thanh Nga, giáo dục STEM gồm 3 mục tiêu chính như sau: [3]

+ Phát tri ển năng lực đặc thù của các môn học thuộc về STEM cho học sinh Đó là

những kiến thức, kĩ năng liên quan đến các môn học Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật

và Toán học Theo Chương trình tổng thể 2018, những năng lực đặc thù được phát triển thông qua các môn học trên bao gồm: Năng lực khoa học; Năng lực công nghệ; Năng lực tin học; Năng lực tính toán

+ Phát tri ển các năng lực cốt lõi cho học sinh Dạy học phát triển năng lực tuân theo

một số nguyên tắc nhất định, một trong những nguyên tắc quan trọng đó là học sinh cần phải trải nghiệm quá trình hoạt động thực tiễn để từng bước hình thành và phát triển năng lực của mình Theo Chương trình tổng thể 2018, Năng lực cốt lõi của học sinh bao gồm những Năng lực chung và những Năng lực đặc thù Trong đó nhóm Năng lực chung bao gồm: Năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo; Năng lực tự chủ

và tự học; Năng lực giao tiếp và hợp tác.[2]

+ Định hướng nghề nghiệp cho học sinh Giáo dục STEM sẽ tạo cho học sinh có

những kiến thức, kĩ năng mang tính nền tảng cho việc học tập ở các bậc học cao hơn cũng như cho nghề nghiệp trong tương lai Từ đó, góp phần xây dựng lực lượng lao động có năng lực, phẩm chất tốt, đặc biệt là lao động trong lĩnh vực STEM nhằm đáp ứng mục tiêu xây dựng và phát triển đất nước

Hình 1.1 M ục tiêu giáo dục STEM[3]

1.1.3 Giáo dục STEM ở Việt Nam

Ngày 4/5/2017, Thủ tướng Chính phủ ban hành Chỉ thị số 16/CT-TTg về việc tăng cường

năng lực tiếp cận cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư Chỉ thị của Thủ tướng đề ra những giải pháp và nhiệm vụ thúc đẩy giáo dục tại Việt Nam Trong đó Thủ tướng nhấn mạnh giải pháp: “…Thay đổi mạnh mẽ các chính sách, nội dung, phương pháp giáo dục

và d ạy nghề nhằm tạo ra nguồn nhân lực có khả năng tiếp nhận các xu thế công nghệ

s ản xuất mới, trong đó cần tập trung vào thúc đẩy đào tạo về khoa học, công nghệ, kĩ thu ật và toán học (STEM), ngoại ngữ, tin học trong chương trình giáo dục phổ thông…”[4] Với Chỉ thị trên, Việt Nam đã chính thức ban hành chính sách thúc đẩy giáo

dục STEM trong nhà trường, tạo điều kiện để liên kết các sáng kiến và hoạt động giáo dục STEM hiện nay

Trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018, giáo dục STEM cũng được chú trọng rất

rõ ràng GS Nguyễn Minh Thuyết - Tổng Chủ biên Chương trình giáo dục phổ thông

2018 - cho rằng: “Chương trình cải thiện rõ vị trí của Giáo dục tin học và Giáo dục công

ngh ệ Điều này không chỉ thể hiện rõ tư tưởng giáo dục STEM, mà còn là sự điều chỉnh

Mục tiêu giáo dục

STEM

Phát triển năng lực đặc thù STEM Phát triển năng lực cốt lõi Định hướng nghề nghiệp

k ịp thời của giáo dục phổ thông trước cuộc cách mạng công nghiệp 4.0”[5] Trong đó

giáo dục STEM thể hiện thông qua các biểu hiện cụ thể như sau: [5]

- Chương trình giáo dục phổ thông mới có đầy đủ các môn học STEM: Khoa học

tự nhiên, Công nghệ, Tin học, Toán học Giáo dục STEM cũng được thể hiện rõ trong các chương trình môn học này

- Vị trí của giáo dục tin học và giáo dục công nghệ được cải thiện rõ rệt

- Yêu cầu dạy học tích hợp và đổi mới phương pháp giáo dục tạo điều kiện tổ chức các chủ đề STEM trong chương trình môn học, góp phần phát triển năng lực vận dụng kiến thức liên môn giải quyết các vấn đề thực tiễn cho học sinh

- Tính mở của Chương trình GDPT mới cho phép một số nội dung giáo dục STEM

có thể được xây dựng thông qua nội dung giáo dục của địa phương, kế hoạch giáo dục của nhà trường và những hoạt động giáo dục được xã hội hoá

1.1.4 Quy trình dạy học STEM dựa trên hoạt động thiết kế kĩ thuật

Quy trình thi ết kế kĩ thuật (Engineering Design Process hay EDP) là một chuỗi các bước

thực hiện mô tả lại cách mà các kĩ sư sử dụng để giải quyết vấn đề; người kĩ sư bắt đầu bằng đặt câu hỏi, hình dung các giải pháp, thiết kế kế hoạch, tạo mô hình, thực nghiệm

và kiểm thử mô hình, sau đó thực hiện cải tiến.[1] Đây cũng là các bước mà kĩ sư tại NASA thực hiện [6]

Quy trình thiết kế kĩ thuật dùng để xác định và giải quyết vấn đề có bốn đặc trưng gồm: (1) tính lặp lại cao; (2) tính kết thúc mở, tức là một bài toán có thể có nhiều lời giải; (3)

ngữ cảnh có ý nghĩa cho việc học các khái niệm khoa học, toán học và kĩ thuật; (4) kích thích tư duy hệ thống, mô hình hoá và phân tích[7] Cũng theo NASA’s Best, quy trình EDP khác biệt với các quy trình dạy học khác ở hai điểm chính: thứ nhất, không có một lời giải cụ thể nhất định cho một bài toán; thứ hai, người học cần tự thiết kế bản thiết kế[6] Có thể mô tả cụ thể quy trình EDP gồm 6 bước như sau: [1]

(1) Đặt câu hỏi (Ask): Học sinh xác định vấn đề, các đòi hỏi cần phải đáp ứng và các ràng buộc được xem xét

(2) Tưởng tượng (Imagine): Học sinh suy nghĩ về các giải pháp và ý tưởng nghiên cứu Học sinh cũng cần xác định những gì người khác đã làm

(3) Lập kế hoạch (Plan): Học sinh chọn từ 2 đến 3 ý tưởng hay nhất từ danh sách liệt kê của họ và phác thảo các thiết kế có thể có, cuối cùng chọn một thiết kế duy nhất cho nguyên liệu

(4) Sáng tạo (Create): Học sinh xây dựng một mô hình làm việc, hoặc nguyên mẫu phù hợp với các yêu cầu thiết kế và các ràng buộc thiết kế

(5) Kiểm tra (Test): Học sinh đánh giá các giải pháp thông qua thử nghiệm; thu thập và phân tích dữ liệu; tóm tắt điểm mạnh và điểm yếu của thiết kế đã được tìm thấy trong quá trình thử nghiệm

(6) Cải tiến (Improve): Dựa vào kết quả kiểm tra, học sinh thực hiện các cải tiến

về thiết kế Học sinh cũng xác định những thay đổi sẽ thực hiện và giải thích cho các sửa đổi này

Hình 1.2 Sơ đồ các bước quy trình thiết kế kĩ thuật EDP

Cụ thể hoá quy trình thiết kế kĩ thuật, trong tài liệu tập huấn của Bộ giáo dục trung học

có đề xuất quy trình tổ chức hoạt động STEM theo các bước sau:

Đặt câu hỏi

Tưởng tượng

Lập kế hoạch

Sáng tạo

Kiểm tra Cải tiến

Tuy nhiên, tiến trình bài học STEM tuân theo quy trình kĩ thuật nêu trên nhưng bước trong quy trình có thể không cần thực hiện theo trình tự hết bước này mới đến bước tiếp theo, mà có những bước có thể thực hiện đồng thời, hỗ trợ lẫn nhau Cụ thể việc “Nghiên

cứu kiến thức nền” có thể được thực hiện đồng thời “Đề xuất giải pháp”; “Chế tạo mô hình” được thực hiện đồng thời với “Thử nghiệm và đánh giá”, trong đó bước này vừa

là mục tiêu vừa là điều kiện để thực hiện bước kia Vì vậy, mỗi bài học STEM được tổ chức theo 5 pha hoạt động như sau:[8]

Xác định vấn đề hoặc nhu cầu thực tiễn

Nghiên cứu lí thuyết nền (học kiến thức mới)

(Nội dung dạy học theo chương trình được sắp xếp phù hợp)

Hình 1.3 Sơ đồ Quy trình dạy học STEM theo thiết kế kĩ thuật

B ảng 1.1 Các pha hoạt động của quy trình dạy học STEM theo thiết kế kĩ thuật

M ục đích N ội dung ph D ự kiến sản ẩm của HS Cách th ho ạt động ức tổ chức

Tìm hiểu, đánh giá về hiện tượng, sản phẩm, công nghê

Các mức độ hoàn thành nội dung (Bài ghi chép thông tin, bài đánh giá, đặt câu hỏi về hiện tượng, sản phẩm, công nghệ,…)

+ GV giao nhiệm vụ (nội dung, phương tiện, cách thực hiện, yêu cầu sản phẩm phải hoàn thành); + HS thực hiện nhiệm

vụ (qua thực tế, tài liệu, video; cá nhân hoặc nhóm);

+ HS báo cáo, thảo

luận

+ HS phát hiện, phát biểu vấn đề

Nghiên cứu

nội dung SGK, tài liệu, thí nghiệm đề

tiếp nhận, hình thành

kiến thức mới

và đề xuất

giải pháp/thiết kế

Các mức độ hoàn thành nội dung (Xác định và ghi được thông tin,

dữ liệu, giải thích, kiến thức

mới, giải pháp/thiết kế)

+ GV giao nhiệm vụ (Nêu, đọc, nghe, nhìn

để xác định và ghi được thông tin, dữ

liệu, giải thích kiến thức mới)

+ HS nghiên cứu SGK, tài liệu, làm thí nghiệm (cá nhân hoặc nhóm)

+ HS Báo cáo, thảo luận.;

+ GV điều hành,

“chốt” kiến thức mới + HS đề xuất giải pháp, thiết kế mẫu thử nghiệm

HĐ3: Lựa

chọn giải

pháp

Lựa chọn giải pháp,

bản thiết kế

Trình bày, giải thích,

bảo về giải pháp, bản thiết kế để

Giải pháp, bản thiết kế được lựa

chọn và hoàn thiện

+ GV giao nhiệm vụ (Nêu rõ yêu cầu HS trình bày, báo cáo, giải thích, bảo vệ giải pháp, thiết kế);

lựa chọn và hoàn thiện + HS báo cáo, thảo luận;

+ GV điều hành, nhận xét, đánh giá và hỗ trợ

HS lựa chọn giải pháp, thiết kế mẫu thử nghiệm

Lựa chọn dụng cụ/thiết

bị thí nghiệm, chế tạo mẫu theo thiết kế;

và thử nghiệm, đánh giá

+ GV giao nhiệm vụ (lựa chọn dụng cụ/ thiết bị thí nghiệm để lắp ráp…);

+ HS thực hành chế tạo, lắp ráp và thử nghiệm;

+ GV hỗ trợ HS trong quá trình thực hiện

Trình bày và thảo luận Dụng cụ/thiết bị/ mô hình/đồ

vật,… đã được chế tạo + Bài trình bày báo cáo

+ GV giao nhiệm vụ (mô tả rõ yêu càu và sản phẩm trình bày); + HS báo cáo, thảo luận (bài báo cáo, trình chiếu, video, dụng cụ/thiết bị/mô hình/đồ vật đẽ chế tạo,…) theo các hình thức phù hợp (trưng bày, triển lãm, sân khấu hoá);

+ GV đánh giá, kết luận, cho điểm và định hướng tiếp tục hoàn thiện

Trong phạm vi đề tài này, tác giả sẽ áp dụng quy trình dạy học STEM theo quy trình thiết kế kĩ thuật gồm 5 bước hoạt động nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh

1.2 Giáo dục khoa học Robot

1.2.1 Giới thiệu Giáo dục khoa học Robot

Robotics (hay khoa h ọc Robot) là một ngành có sự liên kết giữa khoa học và kĩ thuật

Robotics bao hàm các việc thiết kế, lắp ráp, vận hành và sử dụng robot, với mục đích cuối cùng là tạo ra các robot thay thế cho con người hoặc mô phỏng lại hành động của con người[9]

Giáo d ục khoa học robot (hay Educational Robotics) là một lĩnh vực nghiện cứu nhằm

cải thiện trải nghiệm học tập của người học thông qua việc thiết lập, thực hiện, cải thiện

và xác nhận các hoạt động sư phạm, công cụ cụ thể và công nghệ, trong đó robot đóng vai trò tích cực vào các hoạt động giáo dục được xây dựng dựa trên cơ sở lí thuyết sư phạm[10]

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng giáo dục khoa học Robot tạo ra nhiều tín hiệu tích cực trong việc phát triển tư duy phản biện và tư duy giải quyết vấn đề thông qua việc trải

nghiệm các hoạt động như thiết kế, lắp ráp, lập trình, vận hành, thử nghiệm, kiểm thử robot, với sản phẩm là một con robot nhằm giải quyết vấn đề đã được đặt ra[11]

Ngoài ra, thông qua các hoạt động học tập với robot, học sinh còn có khả năng phát triển

tư duy máy tính[12]

Giáo dục khoa học Robot hiện nay trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng được tích hợp trong nhiều hoạt động học tập khác nhau như hoạt động ngoại khoá, câu lạc bộ, trại hè, không gian sáng tạo (makerspace), cuộc thi khoa học, chương trình dạy học chính khoá trong nhà trường [13] Trong đó hình thức cuộc thi khoa học robot là một trong những hình thức phổ biến nhất trong việc tiếp cận giáo dục khoa học robot

1.2.2 Giáo dục khoa học Robot và Giáo dục STEM

Giáo dục Khoa học Robot được xem như là một cách tiếp cận tốt nhất đối với Giáo dục

STEM trong nhà trường [14] Giáo dục Khoa học Robot trong đó robot vừa là đối tượng

v ừa là công cụ học tập luôn luôn đi đôi với nhưng kiến thức Khoa học, Công nghệ, Kĩ

thuật và Toán học nhằm cho HS kết nối với khoa học, tạo sự hứng thú, đam mê với công nghệ cũng như khoa học[15]

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tích hợp robot trong giảng dạy, đặc biệt là trong giáo dục STEM đã đưa ra nhiều lợi ích rất hữu hiệu đối với HS tiểu học và trung học cơ

sở như: phát triển hoạt động khoa học [16], nâng cao sự tiếp thu kiến thức trong môn vật

lí [17]; phát triển kĩ năng, tư duy thiết kế kĩ thuật [18]; tăng cường hiệu năng trong môn toán học, nhất là học sinh trung bình [19] Ngoài ra cũng đã có nhiều nghiên cứu cho rằng việc sử dụng robot trong giáo dục STEM giúp tăng cường năng lực đặc thù STEM

và tạo sự hứng thú của HS đối với giáo dục STEM [20]

Dựa vào vai trò của robot trong quá trình học, Giáo dục khoa học Robot tích hợp trong giáo dục STEM thường được chia làm 2 loại chính:

- Robot được xem như là một công cụ học tập: Robot sẽ được xem như là một dụng

cụ hỗ trợ trong quá trình tiếp thu kiến thức khoa học và của HS thông qua các hoạt động như thực hành, làm thí nghiệm, thu thập số liệu[21]

- Robot được xem như là một đối tượng học tập: Robot được xem như là một môn học riêng, HS học và khám phá chính con robot thông qua các hoạt động học tập

có sự tương đồng với giáo dục STEM[14]

1.2.3 Công cụ Robot trong Giáo dục khoa học Robot

Robot là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong hoạt động dạy học của giáo dục Robot [22], dù cho robot đóng vai trò là công cụ học tập hay là đối tượng học tập, thì

việc lựa chọn phù hợp bộ robot và nền tảng lập trình là một việc thiết yếu nhằm phát triển đúng mục tiêu dạy học mà GV mong muốn cho HS Hiện nay trên thị trường có rất nhiều bộ dụng cụ robot cho dạy học, phổ biến như LEGO Mindstorms, VEX, Mircro:bit, GaraSTEM, Arduino… các bộ dụng cụ này đa dạng về chức năng và có mức giá thành dao động khác nhau, phù hợp cho từng mục đích sử dụng của GV và đối tượng HS

Tuy nhiên, có thể chia ra các bộ dụng cụ robot trên thị trường thành 3 nhóm khác nhau:

+ B ộ dụng cụ robot điện tử (Electronic Robot Kit): các bộ

dụng cụ này giúp HS không chỉ học về robot mà còn học về

kiến thức điện tử cơ bản, ví dụ như bộ robot của Arduino,

Boebot Những bộ dụng cụ này cũng yêu cầu khả năng lập

trình tốt, HS sau khi lắp ráp robot, HS được học cách lập trình

và tải mã nguồn vào robot[22]

+ B ộ dụng cụ robot cơ học (Mechanical Robot Kit):

các bộ dụng cụ này cho phép người sử dụng có được

tự do và linh hoạt trong việc lắp ráp cấu trúc cơ học của robot, có thể kể đến bộ robot phổ biến nhất là LEGO Mindstorms Thông qua việc lắp ráp các bộ phận và cảm biến cho robot, HS có thể được tích luỹ rất nhiều kiến thức đa dạng như lập trình, vật lí, thiết

kế kĩ thuật, khoa học robot[22]

+ B ộ dụng cụ robot người máy (Humanoid Robot): những robot này

thường có hình dạng như động vật (chó, mèo), nhân vật hoạt hình, hay

hình dạng giống cơ thể người Những robot này đã được lập trình sẵn

và có thể tương tác, giao tiếp với con người thông qua âm thanh giọng

nói, biểu hiện khuôn mặt trên màn hình, cử chỉ tay chân Những robot

này giúp hỗ trợ người học như là một người bạn, có thể tương tác, nhắc

nhở đúng sai Một số robot điển hình trong nhóm này có thể kể đến

như Nao, Beebot[22]

Tuỳ vào mục đích sử dụng mà GV có thể lựa chọn bộ dụng cụ robot

phù hợp cho việc dạy học HS Sự lựa chọn phù hợp này cần phải được xem xét dựa trên các yếu tố chính là: giá thành của robot, môn học giảng dạy, độ tuổi của học sinh [22]

Hình 1.4 Electronic Robot kit

Hình 1.5 Mechanical Robot

kit

Hình 1.6 Humanoid robot

Trong phạm vi của đề tài này, tác giả sẽ sử dụng bộ công cụ robot điện tử trong dạy học STEM, thông qua việc HS tìm hiểu về robot và điện tử, HS còn được tiếp thu kiến thức

về các môn khoa học, lập trình trên nền tảng mBlock

1.2.4 Cấu trúc hệ thống của robot trong Giáo dục Robot

Ngoài việc quan tâm đến các loại robot, thì ta cũng cần phải quan tâm đến cấu trúc hệ thống cơ bản của một robot trong Giáo dục robot gồm những bộ phận nào để từ đó có

thể lựa chọn những linh kiện, bộ phận phù hợp cho mục đích sử dụng trong dạy học Một hệ thống robot thường sẽ gồm 3 bộ phận cơ bản chính được thể hiện sơ đồ sau:

Hình 1.7 Sơ đồ các bộ phận của robot[23]

+ B ộ phận thu nhận thông tin: hay còn gọi là Cảm biến dùng đề thu thập, ghi nhận các

thông tin từ môi trường bên ngoài thông qua các cảm biến, những thông tin này sẽ được cung cấp cho bộ não xử lí Bộ phận này xem như là “giác quan” giống như con người của robot để robot cảm nhận môi trường xung quanh

+ B ộ não xử lí, điều khiển: là trung tâm hoạt động của robot, đây là nơi tiếp nhận thông

tin đầu vào từ bộ phận thu nhận tín hiệu Thông tin sẽ được xử lí và nếu đáp ứng đúng một điều kiện nào đó, bộ não sẽ tiến hành gửi tín hiệu điều khiển đến bộ phận thực hiện nhiệm vụ để thực thi một hành động cụ thể phản hồi với thông tin đầu vào

+ B ộ phận thực hiện nhiệm vụ: là nơi nhận tín hiệu điều khiển từ trung tâm xử lí, bộ

phận này sẽ tiến hành thực hiện các thao tác cơ học (như quay bánh xe, cánh tay gắp, chân bước…) theo đúng yêu cầu của bộ não Bộ phận này cũng sẽ gửi các thông tin ngược trở lại bộ não xử lí (ví dụ như số vòng quay bánh xe,…)

1.3 Dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề

1.3.1 Khái niệm năng lực giải quyết vấn đề

Năng lực là thuộc tính cá nhân được hình thành, phát triển nhờ tố chất sẵn có và quá

trình học tập, rèn luyện, cho phép con người huy động tổng hợp các kiến thức, kĩ năng

và các thuộc tính cá nhân khác như hứng thú, niềm tin, ý chí, thực hiện thành công một loại hoạt động nhất định, đạt kết quả mong muốn trong những điều kiện cụ thể (Theo Chương trình Tổng thể, 2018)[2]

Năng lực giải quyết vấn đề của học sinh được hiểu là sự huy động tổng hợp kiến thức,

kĩ năng, thái độ, xúc cảm của học sinh đó để giải quyết các tình huống thực tiễn trong bối cảnh cụ thể mà các giải pháp không có sẵn ngay lập tức[24]

1.3.2 Cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề

Năng lực giải quyết vấn đề của học sinh được thể hiện thông qua những hoạt động trong quá trình giải quyết vấn đề Theo tác giả Đỗ Hương Trà, phân tích cấu trúc của năng lực giải quyết vấn đề qua tiến trình giải quyết vấn đề có thể thấy có bốn thành tố sau[24]:

+ Năng lực tìm hiểu vấn đề: Nhận biết, phát hiện vấn đề, xác định đượ những

thông tin đã cho, thông tin cần tìm

+ Năng lực đề xuất giải pháp giải quyết vấn đề: Phân tích, sắp xếp, kết nối các

thông tin với kiến thức đã biết và đưa ra giải pháp, lựa chọn giải pháp tốt nhất để giải quyết vấn đề Năng lực thiết lập không gian vấn đề bao gồm mô tả vấn đề

bằng ngôn ngữ vật lí, thiết lập mối quan hệ giữa các đại lượng để giải quyết tình huống

+ Năng lực thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề: Trình bày giải pháp, điều chỉnh

giải pháp cho phù hợp với thực tiễn khi có sự thay đổi

+ Năng lực đánh giá và phản ánh giải pháp, xây dựng vấn đề mới: Đánh giá giải

pháp đã thực hiện và vấn đề đặt ra; phản ánh giá trị của giải pháp, xác nhận những kiến thức và kinh nghiệm

1.3.3 Giải quyết vấn đề theo Tư duy máy tính (Computational Thinking)

Tư duy máy tính (hay Computational Thinking) là thuật ngữ được giới thiệu lần đầu bởi Wing (2006)[12] Theo Wing, “Tư duy máy tính (hay Computational Thinking) là các quá trình tư duy của con người nhằm hình thành vấn đề và đề xuất ra giải pháp cho vấn

đề đó sao cho giải pháp này được thể hiện dưới dạng mà có thể được thực thi hiệu quả bởi các công cụ xử lí thông tin” [25] Wing cũng cho rằng Tư duy máy tính là một trong những kĩ năng cần thiết mỗi người cần biết trong thế kỉ 21

Tư duy máy tính liên quan đến nhiều quá trình tư duy khác nhau, có thể kể đến một số quá trình quan trọng nhất trong tư duy máy tính gồm[26]:

+ Phân tích (Decomposition): Chia nhỏ vấn đề, tiến trình thành các thành phần nhỏ hơn

Thông qua các quá trình của tư duy máy tính, ta có thể thấy tư duy máy tính có mối liên

hệ tương đồng với tư duy giải quyết vấn đề Mối quan hệ tương đồng này có thể được

thể hiện qua bảng sau:

B ảng 1.2 So sánh tư duy GQVD và tư duy máy tính[27]

Xác định và trình

bày vấn đề Đối chiếu

(Confrontation) Xác định, làm rõ vấn đề và các thông tin

cần thiết liên quan

Xác định các thông tin liên hệ phản ánh

sự kết nối giữa các đối tượng nghiên cứu trong tổng thể chung để tìm được các giải pháp hiệu quả

Hệ thống hoá

thông tin

H ệ thống hoá

(Abstraction) Lựa chọn các thông tin và đặc tính quan

trọng, hoặc các quy luật với các đối tượng nghiên cứu, cần thiết đối với giải pháp

Đề xuất kế hoạch

và thực hiện Tư duy thuật toán

(Algorithm) Đề xuất các bước cụ thể hoặc tiến trình

một cách hệ thống, chặt chẽ để giải quyết vấn đề

Kiểm tra và điều

(Evaluation) Vận hành, thử nghiệm sản phẩm/giải

pháp để ghi nhận kết quả, phân tích hiệu quả trên cơ sở đối chiếu với các thông đã tổng hợp ở pha hệ thống hoá

Giáo dục khoa học Robot là một công cụ học tập quan trọng nhằm giúp học sinh phát triển tư duy máy tính[28] Nhiều minh chứng chỉ ra rằng học sinh khi tham gia các hoạt động lắp ráp và lập trình robot tự động cho thấy được sự hữu dụng của robot như là một công cụ dạy học cho mọi lứa tuổi học sinh Việc bắt đầu dạy học phát triển tư duy máy tính cho học sinh từ lứa tuổi nhỏ sẽ giúp học sinh có được thuận lợi trong học tập không

những trong lĩnh vực lập trình hay tính toán mà còn trong nhiều ngành học có liên quan đến kĩ năng giải quyết vấn đề[28]

Hơn thế nữa, một trong những cách tiếp cận tốt nhất trong giáo dục STEM là tích hợp STEM với yếu tố tư duy máy tính[29] Chính nhờ những sự tương đồng giữa giáo dục STEM, giáo dục khoa học Robot và Tư duy máy tính, mà nếu như ta kết hợp ba yếu tố này với nhau trong một chủ đề dạy học, có thể là một cách hữu hiệu nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh

1.3.4 Khung năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục khoa học robot

Theo tác giả Lê Hải Mỹ Ngân và Nguyễn Văn Biên, cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề

có sự kết hợp với Giáo dục khoa học Robot và Tư duy máy tính dành cho HS trung học

cơ sở được thể hiện trong bảng sau[27]:

B ảng 1.3 Khung năng lực giải quyết vấn đề trong GD khoa học robot

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 Làm rõ ý

tưởng liên hệ giải pháp sử dụng robot

HS nhận ra các thông tin trong vấn đề cần giải quyết để thấy sự phù hợp và cần thiết sử dụng giải pháp robot, từ đó trình bày làm rõ sự đáp ứng và lợi ích của giải pháp

A.2 Phân

tích v ấn

đề

A.2.1 Xác định nhiệm vụ cụ thể

và các thông tin liên quan trên cơ

sở nguyên lí chung của robot

HS làm rõ nhiệm vụ cụ thể robot cần thực hiện

để giải quyết vấn đề, kèm theo 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 thông tin, và thông tin tín hiệu đầu ra hoặc thao tác robot cần thực hiện

**Nhi ệm vụ và các thông tin có thể được phát

bi ểu bằng ngôn ngữ nói, ví dụ: Robot/hệ thống cần ghi nhận được thông tin A Nếu thông tin của

A thoả điều kiện B thì robot/hệ thống sẽ thực

hi ện nhiệm vụ cụ thể là C để giải quyết vấn đề

→ A, B, C trong ví dụ này là thông tin HS cần làm rõ

A2.2 Hệ thống hoá nhiệm vụ cụ thể trong sự gắn kết với các thông tin cần thiết của robot một cách khoa học

pha hoạt động tiếp theo trong tiến trình giải quyết vấn đề

l ựa chọn

thông tin

B.1.1 Xác định các bộ phận của robot phù hợp với nhiệm vụ

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 Tìm kiếm

và trình bày các kiến thức liên quan các bộ phận robot và nhiệm vụ cần thực hiện

HS huy động và làm rõ các kiến thức thông tin liên quan cần thiết để thực hiện thiết kế, chế tạo

và làm chương trình hoạt động cho robot

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

+ Mũi tên màu xanh thể hiện các nội dung thông qua thi ết kế robot giải quyết vấn đề, HS sẽ tìm hiểu kiến thức để đưa vào cho robot, khi này robot đóng vai trò công cụ học tập

B.1.3 Thực hành tìm hiểu các bộ

phận robot

HS thực hiện các hoạt động khám phá và ghi nhận kết quả để tìm hiểu và vận dụng những kiến

thức đã tổng hợp vào làm rõ các bộ phận của robot

B.2 Đề xuất giải

pháp

B.2.1 Trình bày

cách lắp ráp các bộ phận của robot

HS trình bày bằng hình vẽ hoặc văn bản viết về cách lắp ráp các bộ phận của robot phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ

B.2.2 Phân tích và

làm rõ các bước

“xử lí thông tin”

cho bộ não robot

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

Sơ đồ là cơ sở để HS tiến hành lập trình cho robot

B.3 Thi ết

k ế sản

ph ẩm

B.3.1 Kết nối hệ thống robot vào điều kiện sử

dụng thực tiễn

Dựa vào điều kiện thực tiễn sử dụng, HS đề xuất phương án thiết kế sản phẩm hoàn thiện để giải quyết vấn đề Kết cấu các bộ phận của robot được gắn kết trong một sản phẩm hoàn thiện ứng với điều kiện thực tiễn khi sử dụng

B.3.2 Trình bày

phương án thiết

kế sản phẩm hoàn thiện đáp ứng điều kiện thực tiễn

HS trình bày cụ thể thiết kế sản phẩm hoàn thiện bằng một phương thức phù hợp để thể hiện được các nội dung cơ bản:

- Cấu trúc và kích thước chi tiết đối với sản phẩm

C.1.1 Thiết lập kế

hoạch chế tạo robot

HS làm rõ các bước cần thực hiện để hoàn thành

sản phẩm, bao gồm các bước chuẩn bị, lắp ráp và các bước lập trình đối với một công cụ cụ thể (mBlock, Scratch, …)

C.1.2 Chế tạo sản phẩm robot theo

kế hoạch

HS thực hiện theo kế hoạch đã đề ra và hoàn thiện sản phẩm, là giải pháp cụ thể cho vấn đề đặt ra ban đầu

C.2 Vận hành

và điều chỉnh

C.2.1 Đánh giá sự phù hợp của giải pháp và việc thực

hiện theo tiến trình

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

T ỔNG KẾT CHƯƠNG 1

Trong chương này, tác giả đã tìm hiểu và làm rõ một số nội dung sau:

+ Khái niệm, mục tiêu của GD STEM và vị trí của GD STEM ở Việt Nam hiện nay + Quy trình dạy học STEM dựa trên hoạt động thiết kế kĩ thuật

+ Khái niệm của GD khoa học robot, mối quan hệ giữa GD khoa học robot và GD STEM + Công cụ và cấu trúc của robot trong dạy học Robotics

+ Khái niệm, cấu trúc của năng lực giải quyết vấn đề

+ Sự tương quan giữa NL GQVD và tư duy máy tính (Computational thinking)

+ Khung NL GQVD trong giáo dục khoa học robot

Trên cơ sở này, tác giả tiếp tục nghiên cứu và vận dụng vào thiết kế chủ đề STEM “Xe robot tự dò đường” dựa trên quy trình EDP và giáo dục khoa học robot nhằm phát triển

NL GQVD cho HS Trung học cơ sở

Chương 2 THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM “XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG”

2.1 Bối cảnh và ý nghĩa thực tiễn chủ đề

❖ Bối cảnh:

Từ khi Việt Nam bước vào giai đoạn phát triển

công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, nền kinh

tế của Việt Nam có nhiều điểm sáng, mức sống

của người dân được cải thiện từng bước, đạt nhiều

thành tựu đổi mới trong quá trình xây dựng đất

nước Tuy có nhiều sự cải tiến đáng kể nhưng đi

liền với nó là vấn đề về tai nạn giao thông và

ùn t ắc giao thông, đặc biệt là giao thông đường bộ, khi số vụ giao thông không ngừng

tăng cả về quy mô và số lượng

An toàn giao thông luôn là một vấn đề nhức nhối trong nhiều năm qua, đã có rất nhiều biện pháp được đề xuất nhưng vẫn không cải thiện tình hình

Nguyên nhân chủ yếu dẫn tới tình trạng này thì có rất nhiều như:

+ Do sự gia tăng quá nhanh của các phương tiện giao thông cá nhân

+ Ý thức của người tham gia giao thông còn quá kém và chưa được cải thiện nhiều trong những năm gần đây

+ Cơ sở hạ tầng yếu kém: đường xá của chúng ta quá nhỏ hẹp, chất lượng đường xá không tăng theo số lượng các phương tiện giao thông, vỉa hè thì bị lấn chiếm, nhiều đoạn đường xuống cấp quá nhanh có nguy cơ tiềm ẩn tai nạn giao thông

Những nguyên nhân trên là một trong số ít dẫn đến vấn đề tai nạn và ùn tắc giao thông hiện nay Theo thống kê (báo Thanh niên), mỗi năm số vụ tai nạn giao thông dao động từ 16.000 – 20.000, gây thiệt mạng 6000-8000 người và bị thương hàng chục ngàn người

Hình 2.1 Giao thông ở việt nam

Chính vì thế mà đảm bảo an toàn giao thông trong cộng đồng nói chung và trong môi

trường học đường nói riêng là một vấn đề rất quan trọng, đặc biệt là đối với các đối

tượng học sinh nhỏ tuổi còn chưa đủ nhận thức

❖ Ý nghĩa thực tiễn:

Nhận thấy vấn đề an toàn giao thông là một trong những vấn đề hiện nay, một trong những biện pháp khả thi trong tương lai gần của con người là thiết kế các phương tiện tham gia giao thông tự động như xe robot, các phương tiện này có rất nhiều lợi ích so với phương tiện hiện nay như:

+ Tự động di chuyển trên đường một cách có trật tự, giúp hạn chế ùn tắc giao thông,

và di chuyển nhanh chóng, ổn định từ nơi này đến nơi khác

+ Không cần sự điều khiển của con người, tránh được sự thiếu ý thức của con người khi tham gia giao thông dẫn đến tai nạn giao thông

+ Có thể ứng dụng để vận chuyển hàng hoá, hạn chế được nguồn nhân lực lao động + Sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, giúp bảo vệ môi trường tốt hơn

Thông qua việc tìm hiểu những lợi ích của các phương tiện robot tự động so với phương tiện hiện hành, với tư cách là kĩ sư tương lai, học sinh cảm nhận được sự cần thiết của các phương tiện này, từ đó đề xuất và thiết kế phương tiện xe robot tự động dò đường giúp khắc phục và hạn chế vấn nạn giao thông hiện nay

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

B ảng 2.1 Bảng mục tiêu năng lực giải quyết vấn đề trong chủ đề

kẻ nhằm nâng cao chất lượng giao thông hiện nay GQ1.1

HS nhận ra được và liên hệ được vấn đề với thực tiễn: trình bày được những ưu thế của việc sử dụng xe robot tự động so với các

Phân tích HS xác định rõ được các thông tin cần thiết theo nguyên lí hoạt GQ2.1

vi ệc xử lí thông tin, và thông tin tín hiệu đầu ra hay thao tác robot c ần thực hiện

HS làm rõ được nhiệm vụ cụ thể của xe robot cần thực hiện để giải quyết vấn đề trên cơ sở nguyên lí chung của robot GQ2.2

HS có khả năng hệ thống hoá nhiệm vụ cụ thể của xe robot để thể hiện mối liên hệ giữa các thông tin cần thiết của xe robot một

HS phân tích và lựa chọn được các linh kiện phù hợp với từng

bộ phận của robot dựa trên cơ sở nhiệm vụ của xe robot GQ3.1

HS phân tích và lựa chọn được các kiến thức liên quan cần sử dụng để vận dụng cho việc thiết kế, chế tạo xe robot GQ3.2

HS tìm hiểu, trình bày được các nội dung kiến thức liên quan đến: nguồn điện một chiều, động cơ điện một chiều, tốc độ và chuyển động, ánh sáng và sự phản xạ ánh sáng GQ3.3

HS tìm hiểu cấu tạo cơ bản của một chiếc xe chạy bằng điện:

thực hành lắp ráp xe điện đơn giản sử dụng nguồn điện một chiều

và động cơ điện một chiều Từ đó HS hiểu được về bộ phận cơ

bản đầu tiên của robot: bộ phận thực hiện nhiệm vụ

GQ3.4

HS tìm hiểu về cách sử dụng vi điều khiển Arduino (kết hợp mạch L293D) để điều khiển các bộ phận của robot và lập trình trực quan bằng mBlock Từ đó HS hiểu được về bộ phận quan

trọng nhất của robot: bộ não xử lí, điều khiển và lập trình cho bộ não

HS trình bày bản thiết kế sản phẩm hoàn thiện gồm các nội dung chính: cấu tạo và kích thước, nguyên vật liệu sử dụng, sơ đồ mạch điện, sơ đồ khối lập trình, cách vận hành sản phẩm GQ5.2

Chế tạo

sản phẩm

HS thiết lập được kế hoạch chế tạo, lắp ráp xe robot, gồm đầy

đủ các nội dụng: chuẩn bị nguyên vật liệu, các bước lắp ráp, các bước lập trình điểu khiển bằng phần mềm mBlock GQ6.1

HS thực hiện lắp ráp và chế tạo xe robot theo kế hoạch đã đề

2.3 Phân tích nội dung kiến thức trong chủ đề

Chủ đề STEM “Xe robot tự dò đường” có nội dung kiến thức đầy đủ ở cả 4 môn học: Khoa học tự nhiên, Công nghệ, Tin học, Toán học Các nội dung kiến thức này gắn liền với từng bộ phận riêng lẻ của robot, robot sẽ đóng vai trò vừa là đối tượng học tập vừa

là công c ụ học tập

+ Robot đóng vai trò là một đối tượng học tập khi HS tìm hiểu về các nội dung kiến thức liên quan đến robot và nguyên lí hoạt động của robot, các kiến thức này sẽ nằm chủ đạo trong môn Công nghệ và Tin học

+ Robot đóng vai trò là một công cụ học tập khi HS vừa tìm hiểu kiến thức mới vừa vận dụng các kiến thức đã học vào việc thiết kế, sử dụng robot để giải quyết vấn đề Các kiến thức này sẽ tập trung chủ đạo ở các môn Khoa học tự nhiên và Toán học Thông qua nghiên cứu nguyên lí hoạt động của xe robot tự dò đường, tác giả đề xuất các nội dụng kiến thức liên quan để áp dụng trong chủ đề dựa trên Chương trình Tổng thể

2018 Trong đó tác giả không tập trung mục tiêu kiến thức mà chỉ phân tích các nội dung kiến thức HS có thể đạt được khi thực hiện chủ đề Ngoài ra, có thể lưu ý là vì đối tượng

HS cho chủ đề là HS khối lớp 8, tuy nhiên có một số nội dung kiến thức liên quan đến

chủ đề Ánh sáng thuộc khối lớp 9, nên có thể xem các nội dung kiến thức này là kiến thức mới HS cần tìm hiểu

Mối liên hệ giữa các kiến thức STEM và các bộ phận của robot được thể hiện thông qua

sơ đồ dưới đây

Hình 2.2 Sơ đồ mối liên hệ kiến thức và các bộ phận của robot

*** Ghi chú:

+ D ấu mũi tên xám thể hiện sự tương tác giữa các bộ phận của robot

+ Mũi tên màu đỏ th ể hiện các nội dung cơ bản tìm hiểu về một robot và robot chính là đối tượng học tập

+ Mũi tên màu xanh th ể hiện các nội dung thông qua thiết kế robot giải quyết vấn đề, HS sẽ tìm hiểu và vận dụng kiến thức để đưa vào cho robot, khi này robot đóng vai trò công cụ học tập