Thiết kế và tổ chức chủ đề trải nghiệm stem máy rủa tay sát khuẩn tự động cho học sinh trung học cơ sở bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NGUYỄN LONG SƠN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ TỔ CHỨC CHỦ ĐỀ TRẢI NGHIỆM STEM MÁY RỬA TAY SÁT KHUẨN TỰ ĐỘNG CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Chuyên ngành: Sư phạm Vật lí Mã ngành: 7.140.211 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ TỔ CHỨC CHỦ ĐỀ TRẢI NGHIỆM STEM MÁY RỬA TAY SÁT KHUẨN TỰ ĐỘNG CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Chuyên ngành: Sư phạm Vật lí Mã ngành: 7.140.211 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Long Sơn Mã số sinh viên: 44.01.102.099 Chủ tịch Hội đồng Người hướng dẫn khoa học (Kí ghi rõ họ tên) (Kí ghi rõ họ tên) TS Cao Thị Sông Hương ThS Lê Hải Mỹ Ngân THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2022 MỤC LỤC MỤC LỤC i LỜI CẢM ƠN iii LỜI CAM ĐOAN iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA GIÁO DỤC STEM LĨNH VỰC ROBOTICS CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ 1.1 Giáo dục STEM 1.1.1 Khái niệm giáo dục STEM 1.1.2 Quy trình tổ chức hoạt động trải nghiệm STEM 1.2 Giáo dục STEM lĩnh vực robotics 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Công cụ robot giáo dục STEM robotics 11 1.3 Năng lực giải vấn đề giáo dục STEM robotics 14 1.3.1 Khái niệm lực giải vấn đề 14 1.3.2 Cấu trúc lực giải vấn đề giáo dục STEM robotics 14 KẾT LUẬN CHƯƠNG 18 CHƯƠNG THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ “MÁY RỬA TAY SÁT KHUẨN TỰ ĐỘNG” CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ 19 2.1 Bối cảnh ý nghĩa thực tiễn 19 2.2 Phân tích nội dung kiến thức chủ đề 20 2.2.1 Môn Khoa học tự nhiên 21 2.2.2 Môn Công nghệ 22 2.2.3 Môn Tin học 22 2.2.4 Mơn Tốn học 23 2.3 Phương tiện, học liệu 23 2.3.1 Bộ dụng cụ Arduino 23 2.3.2 Tài liệu hướng dẫn thực sản phẩm 26 2.3.3 Học liệu học cụ chủ đề 32 2.4 Mục tiêu phát triển lực giải vấn đề 34 2.5 Tiến trình tổng thể pha hoạt động tiến trình dạy học 37 2.6 Tiến trình dạy học chi tiết 42 2.7 Đánh giá lực giải vấn đề học sinh 42 2.7.1 Công cụ đánh giá 42 2.7.2 Khung rubrics đánh giá lực giải vấn đề 44 KẾT LUẬN CHƯƠNG 50 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM CHỦ ĐỀ “MÁY RỬA TAY SÁT KHUẨN TỰ ĐỘNG” CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ 51 3.1 Mục đích thực nghiệm 51 3.2 Đối tượng thực nghiệm 51 Nội dung thực nghiệm: 52 3.3 Thời gian thực nghiệm 52 3.4 Kết thảo luận 53 3.4.1 Diễn biến trình thực nghiệm phân tích định tính 53 3.4.2 Phân tích định lượng 79 3.5 Kết luận 89 KẾT LUẬN CHƯƠNG 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 PHỤ LỤC 99 PHỤ LỤC TIẾN TRÌNH DẠY HỌC CHI TIẾT CHỦ ĐỀ TRẢI NGHIỆM STEM MÁY RỬA TAY SÁT KHUẨN TỰ ĐỘNG 99 PHỤ LỤC HỆ THỐNG PHIẾU NHIỆM VỤ CHO CÁC HOẠT ĐỘNG 122 PHỤ LỤC HỆ THỐNG PHIẾU HỌC TẬP CHO CÁC HOẠT ĐỘNG 126 ii LỜI CẢM ƠN Hành trình năm giảng đường đại học không dài giúp học tập nhiều thứ, khóa luận tốt nghiệp xem dấu chấm để tổng kết cho hành trình Đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn ThS Lê Hải Mỹ Ngân – người tận tình bảo, hướng dẫn, giúp đỡ, động viên đóng góp nhiều ý kiến cho tơi suốt q trình thực khóa luận Đó góp ý quý báu khơng q trình thực khóa luận mà còn hành trang tiếp bước cho q trình học tập lập nghiệp sau Tơi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô, giảng viên Khoa Vật lí Trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh truyền dạy, tiếp thêm lịng u nghề cho qua kiến thức, kinh nghiệm suốt thời gian theo học trường Tôi xin cảm ơn Quý Thầy Cô em học sinh Trường THCS – THPT Hoa Sen sẵn sàng giúp đỡ tạo điều kiện để trình thực nghiệm sư phạm diễn thuận lợi Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến bạn Trương Diệu Huyền, Hồ Tấn Tài, Đặng Thị Phương Trâm Nguyễn Tấn Trọng hỗ trợ, đồng hành tơi suốt q trình thực nghiệm sư phạm q trình thực khố luận TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 Tác giả Nguyễn Long Sơn iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế tổ chức chủ đề trải nghiệm STEM Máy rửa tay sát khuẩn tự động cho học sinh trung học sở bồi dưỡng lực giải vấn đề” cơng trình tơi thực hiện, hướng dẫn ThS Lê Hải Mỹ Ngân Các tài liệu tham khảo từ nguồn thống trích dẫn cụ thể, rõ ràng Các số liệu kết nghiên cứu khóa luận trung thực, khách quan, nghiêm túc chưa tác giả khác cơng bố cơng trình TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 Tác giả Nguyễn Long Sơn iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ GV Giáo viên HS Học sinh GD Giáo dục GDPT Giáo dục phổ thông NL Năng lực GD&ĐT Giáo dục Đào tạo THCS Trung học sở THPT Trung học phổ thông PHT Phiếu học tập 10 PNV Phiếu nhiệm vụ 11 HĐ Hoạt động v DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH Hình 1.1 GD STEM chương trình GDPT 2018 Hình 1.2 Mục tiêu GD STEM Hình 1.3 Các hình thức GD STEM nhà trường phổ thông Hình 1.4 Tiến trình hoạt động chủ đề STEM robotics Hình 1.5 Mối liên hệ mơn học GD STEM robotics .11 Hình 1.6 Vi điều khiển Arduino UNO 12 Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc nguyên lí làm việc phận robot .14 Hình 2.1 Sơ đồ mối liên hệ mạch nội dung kiến thức với phận robot 20 Hình 2.2 Sơ đồ tóm tắt ngun lí hoạt động máy rửa tay sát khuẩn tự động .26 Hình 2.3 Sơ đồ mạch điện kết nối linh kiện máy rửa tay sát khuẩn tự động 27 Hình 2.4 Sản phẩm máy rửa tay sát khuẩn tự động 30 Hình 2.5 Sơ đồ khối xử lí thơng tin máy rửa tay sát khuẩn tự động 30 Hình 2.6 Sơ đồ lập trình phần mềm mBlock cho máy rửa tay sát khuẩn tự động .31 Hình 3.1 Nội dung thực nghiệm sư phạm chủ đề 52 Hình 3.2 HS giới thiệu thành viên nhóm 54 Hình 3.3 Sản phẩm PNV theo thứ tự nhóm 54 Hình 3.4 HS thảo luận để đưa tác động tiêu cực đề xuất giải pháp 55 Hình 3.5 Sản phẩm PNV theo thứ tự nhóm 56 Hình 3.6 HS quan sát video số vai trò robot đời sống 57 Hình 3.7 Sản phẩm nhiệm vụ – PHT theo thứ tự nhóm .57 Hình 3.8 Sản phẩm nhiệm vụ 2, – PHT theo thứ tự nhóm 58 Hình 3.9 Sản phẩm nhiệm vụ 1, – PHT theo thứ tự nhóm 60 Hình 3.10 HS trình bày kết thảo luận tốc độ truyền sóng âm 61 Hình 3.11 Sản phẩm PHT theo thứ tự nhóm 62 Hình 3.12 HS quan sát cảm biến siêu âm tra cứu thông tin để hồn thành PHT 63 Hình 3.13 GV định hướng, dẫn dắt để HS tính khoảng cách từ cảm biến siêu âm đến vật cản 63 Hình 3.14 Sản phẩm PHT theo thứ tự nhóm 63 vi Hình 3.15 HS quan sát động Servo MG995 tra cứu thơng tin để hồn thành PHT .64 Hình 3.16 GV hỗ trợ HS trình tìm hiểu cấu tạo nguyên lí hoạt động động Servo MG995 64 Hình 3.17 Sản phẩm PHT theo thứ tự nhóm 65 Hình 3.18 HS quan sát Arduino UNO để hoàn thành PHT .66 Hình 3.19 HS báo cáo kết thảo luận Arduino UNO 66 Hình 3.20 Sản phẩm PHT theo thứ tự nhóm 67 Hình 3.21 HS nhóm chun gia tìm hiểu nội dung khác 69 Hình 3.22 Sản phẩm PHT 7A nhóm chuyên gia HS nhóm 69 Hình 3.23 Sản phẩm PHT 7B nhóm chuyên gia HS theo thứ tự nhóm 69 Hình 3.24 Sản phẩm PHT 7C nhóm chun gia HS theo thứ tự nhóm 70 Hình 3.25 HS trở nhóm ban đầu hồn thành PHT 7: lắp ráp hoàn chỉnh linh kiện thiết lập “tư duy” cho robot 71 Hình 3.26 Sản phẩm PHT nhóm nhóm .71 Hình 3.27 HS thảo luận để vẽ thiết kế sản phẩm 74 Hình 3.28 HS báo cáo thiết kế sản phẩm .74 Hình 3.29 Sản phẩm thiết kế máy rửa tay sát khuẩn tự động theo thứ tự nhóm 74 Hình 3.30 HS tiến hành chế tạo máy rửa tay sát khuẩn tự động 76 Hình 3.31 HS tiến hành vận hành, thử nghiệm sản phẩm 78 Hình 3.32 Sản phẩm máy rửa tay sát khuẩn tự động nhóm 78 Hình 3.33 Sản phẩm máy rửa tay sát khuẩn tự động nhóm 78 Hình 3.34 Sản phẩm máy rửa tay sát khuẩn tự động nhóm 79 Hình 3.35 Biểu đồ thể mức độ hành vi NL giải vấn đề HS 80 Hình 3.36 Biểu đồ thể mức độ hành vi NL giải vấn đề HS1.3 84 Hình 3.37 Biểu đồ thể mức độ hành vi NL giải vấn đề HS2.2 86 Hình 3.38 Biểu đồ thể mức độ hành vi NL giải vấn đề HS3.3 88 vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tiến trình tổ chức hoạt động trải nghiệm STEM Bảng 1.2 So sánh công cụ Arduino UNO với LEGO Mindstorms EV3 13 Bảng 1.3 Hoạt động HS số hành vi NL giải vấn đề GD STEM robotics 15 Bảng 2.1 Yêu cầu cần đạt môn Khoa học tự nhiên 21 Bảng 2.2 Yêu cầu cần đạt môn Công nghệ 22 Bảng 2.3 Yêu cầu cần đạt môn Tin học 22 Bảng 2.4 u cầu cần đạt mơn Tốn học .23 Bảng 2.5 Bộ dụng cụ chủ đề .24 Bảng 2.6 Hướng dẫn kết nối linh kiện với Arduino UNO .27 Bảng 2.7 Hướng dẫn kết nối sơ đồ mạch điện máy rửa tay sát khuẩn tự động 28 Bảng 2.8 Hướng dẫn lắp đặt máy rửa tay sát khuẩn tự động .28 Bảng 2.9 Giải thích ý nghĩa sơ đồ lập trình phần mềm mBlock 31 Bảng 2.10 Danh sách học liệu sử dụng chủ đề 32 Bảng 2.11 Danh sách học cụ sử dụng chủ đề 33 Bảng 2.12 Mục tiêu phát triển NL giải vấn đề chủ đề 34 Bảng 2.13 Tiến trình tổng thể hoạt động dạy học chủ đề .37 Bảng 2.14 Phương tiện cách thức đánh giá NL giải vấn đề HS chủ đề 42 Bảng 2.15 Tiêu chí chất lượng số hành vi NL giải vấn đề chủ đề 44 Bảng 3.1 Kế hoạch thực nghiệm sư phạm 53 Bảng 3.2 Tổng hợp kết mức độ hành vi NL giải vấn đề HS 80 Bảng 3.3 Kết mức độ hành vi NL giải vấn đề HS chọn 84 viii 123 PHIẾU NHIỆM VỤ Xác định nhiệm vụ tiêu chí đánh giá 123 124 PHIẾU NHIỆM VỤ Xác định nhiệm vụ tiêu chí sản phẩm 124 125 PHIẾU NHIỆM VỤ Bản thiết kế nhóm 125 126 PHỤ LỤC HỆ THỐNG PHIẾU HỌC TẬP CHO CÁC HOẠT ĐỘNG PHIẾU HỌC TẬP Tìm hiểu cấu tạo nguyên lí hoạt động robot 126 127 127 128 PHIẾU HỌC TẬP Tìm hiểu đặc điểm sóng siêu âm phản xạ sóng siêu âm 128 129 PHIẾU HỌC TẬP Tìm hiểu tốc độ truyền sóng siêu âm 129 130 PHIẾU HỌC TẬP Tìm hiểu cấu tạo nguyên lí hoạt động cảm biến siêu âm 130 131 PHIẾU HỌC TẬP Tìm hiểu cấu tạo nguyên lí hoạt động động Servo MG995 131 132 PHIẾU HỌC TẬP Tìm hiểu cấu tạo nguyên lí hoạt động Arduino UNO 132 133 PHIẾU HỌC TẬP 7A Tìm hiểu cách kết nối cảm biến siêu âm với Arduino 133 134 PHIẾU HỌC TẬP 7B Tìm hiểu cách kết nối nguồn điện động Servo MG995 với Arduino UNO 134 135 PHIẾU HỌC TẬP 7C Tìm hiểu sơ đồ khối phần mềm lập trình mBlock 135 136 136 137 PHIẾU HỌC TẬP Tổng kết nhóm chuyên gia – Hoàn thiện kết nối 137