Giúp học sinh tiếp cận các bài toán thực tiễn khi dạy lập trình c++ thông qua nền tảng arduino

MỤC LỤC PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ I Lý chọn đề tài II Mục đích nghiên cứu III Đối tượng nghiên cứu IV Phạm vi nghiên cứu V Phương pháp nghiên cứu VI Tính đề tài PHẦN II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU I Cơ sở lí luận Khái niệm lực Năng lực đặc thù môn Tin học theo CT CDPT 2018 Năng lực “Giải vấn đề với hỗ trợ công nghệ thông tin truyền thông” II Cơ sở thực tiễn Việc dạy học lập trình trường THPT Các thi khoa học kỹ thuật Khảo sát đánh giá thực trạng mức độ u thích học lập trình mối quan tâm học sinh ứng dụng lập trình thực tiễn III Nền tảng Ardunio Arduino gì? Cấu tạo Arduino Khả kết nối Arduino Ứng dụng tảng Arduino Arduino mang lại cho giáo dục? Một số IDE thông dụng 10 Tổng hợp lệnh hữu ích để code Arduino 10 IV Một số tốn thực tiễn lập trình mạch Arduino 13 Đèn tín hiệu giao thơng 13 Nhấn nút còi kêu 15 Đèn sáng đuổi 17 Bật/tắt đèn theo ánh sáng môi trường 19 Chữ số đồng hồ điện tử (Led thanh) 22 Xe điều khiển từ xa 26 Xe tránh vật cản 33 V Thực nghiệm sư phạm 39 Mục đích thực nghiệm 39 Nội dung thực nghiệm 39 2.1 Dạy học kết hợp ví dụ mơ tốn thực tiễn sử dụng mạch Arduino tiết học 39 2.2 Hướng dẫn học sinh tìm hiểu tốn thực tiễn qua internet 40 2.3 Giới thiệu chia sẻ cho học sinh biết đến sản phẩm có tính ứng dụng thực tiễn cao thi nghiên cứu khoa học 42 Tổ chức thực nghiệm 43 Kết đạt 44 Một số lưu ý an toàn làm việc với linh kiện 44 Một số tốn thực tiễn lập trình mạch Arduino thực trình thực nghiệm 45 PHẦN III KẾT LUẬN 46 I Quá trình nghiên cứu 46 II Ý nghĩa đề tài 46 III Kiến nghị, đề xuất 47 IV Kết luận khoa học 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC 48 CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Ý nghĩa KHKT Khoa học kĩ thuật PPDH Phương pháp dạy học HS Học sinh GV Giáo viên THPT Trung học phổ thông GD&ĐT Giáo dục đào tạo CT Chương trình GDPT Giáo dục phổ thơng PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ I Lý chọn đề tài Giáo dục Việt Nam năm gần tập trung đổi mới, hướng tới giáo dục tiến bộ, đại, bắt kịp xu hướng nước khu vực giới Một mục tiêu lớn giáo dục nước ta hoạt động giáo dục phải gắn liền với thực tiễn Chính vậy, GDPT nước ta thực bước chuyển từ chương trình giáo dục tiếp cận nội dung sang tiếp cận lực người học, nghĩa từ chỗ quan tâm đến việc học sinh học đến chỗ học sinh vận dụng qua việc học Để đảm bảo điều đó, định phải thực thành cơng việc chuyển từ phương pháp dạy học theo lối “truyền thụ chiều” sang dạy cách học, cách vận dụng kiến thức, rèn luyện kỹ hình thành lực phẩm chất; đồng thời phải chuyển cách đánh giá kết giáo dục từ nặng kiểm tra trí nhớ sang kiểm tra, đánh giá lực vận dụng kiến thức giải vấn đề Trong trình đổi bản, toàn diện giáo dục đào tạo, công tác nghiên cứu khoa học hoạt động thiếu trường phổ thông Đây hoạt động giúp học sinh áp dụng kiến thức học vào sống, học đôi với hành; đồng thời cách tiếp cận, làm quen với phương pháp, kỹ nghiên cứu khoa học, rèn luyện cách làm việc độc lập, làm việc nhóm phát huy tính tích cực, chủ động, tạo hứng thú học tập Từ đó, phát tài năng, sở để xây dựng phát triển đội ngũ nhân lực chất lượng cao cho xã hội Chương trình Tin học 11 số hạn chế: Áp dụng cơng thức tốn học q nhiều; Học sinh phải có kiến thức tốt tốn học giải tập sách giáo khoa; Học sinh chưa hiểu lập trình để làm ngồi việc tính toán với số; Học sinh tự hỏi lập trình có ứng dụng thực tế đa phần tập sách liên quan đến tính tốn túy tốn học, khơng gắn liền với thực tiễn… Vì để học sinh vận dụng kiến thức mơn học vào giải vấn đề thực tiễn khó vào lý thuyết túy giáo viên truyền đạt Từ thực tiễn công tác giảng dạy, tơi nhận thấy dạy lập trình, mơn học mà địi hỏi phải tư sáng tạo nhiều cần phải có phương pháp dạy học phù hợp nhằm đạt hiệu cao, giúp học sinh có trải nghiệm thú vị với mơn học Vì việc áp dụng phương pháp để tạo hứng thú, u thích mơn học, làm cho học sinh nắm nội dung học lớp, nắm bắt kiến thức cách logic có hệ thống,… đặc biệt giúp học sinh biết cách tiếp cận ngơn ngữ lập trình để giải toán ứng dụng vào thực tiễn, khơi dậy niềm đam mê nghiên cứu khoa học học sinh Qua muốn chia sẻ kinh nghiệm nhỏ 1|43 mà thân có q trình dạy học, “Giúp học sinh tiếp cận tốn thực tiễn dạy lập trình C++ thơng qua tảng Arduino” II Mục đích nghiên cứu - Giúp học sinh tiếp cận tốn thực tiễn thơng qua ngơn ngữ lập trình - Rèn luyện cho em khả biết vận dụng kiến thức học lập trình để giải số toán thực tiễn đời sống hàng ngày thường gặp - Hình thành dần cho em thói quen biết đặt (giải quyết) vấn đề sống góc độ tin học với câu hỏi: Nguồn gốc tốn (hay tình thực tiễn, tốn thực tiễn) xuất phát từ đâu? Vận dụng kiến thức để giải nó? - Từng bước tạo niềm đam mê xóa bỏ dần tâm lý e ngại em học sinh học lập trình - Khơi dậy niềm đam mê nghiên cứu khoa học; kích thích sáng tạo học sinh; bước hướng em biết nghiên cứu vận dụng kiến thức môn học vào giải vấn đề thực tiễn đời sống III Đối tượng nghiên cứu Học sinh lớp 11 trường THPT Tương Dương IV Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu việc dạy học ngôn ngữ lập trình C++ chương trình phổ thơng - Một số toán thực tiễn áp dụng dạy lập trình V Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý luận: Tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu vấn đề liên quan đến đề tài sáng kiến kinh nghiệm - Điều tra quan sát: Thực trạng việc dạy học lập trình trường THPT khả tiếp cận toán thực tiễn học sinh trung học phổ thông - Thực nghiệm sư phạm: Tổ chức thực nghiệm sư phạm để xem xét tính khả thi hiệu biện pháp sư phạm đề xuất 2|43 VI Tính đề tài - Góp phần thực thành cơng đổi CT GDPT 2018 phát triển lực tin học cho học sinh, đặc biệt lực “Giải vấn đề với hỗ trợ công nghệ thông tin truyền thông” - Giúp học sinh thấy mối quan hệ tương hỗ tin học với thực tiễn ngược lại - Góp phần đổi phương pháp giáo dục phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo học sinh, bồi dưỡng cho học sinh phương pháp tự học, vận dụng kĩ năng, vận dụng kiến thức,… đem lại niềm vui, hứng thú trách nhiệm học tập cho học sinh - Khơi gợi niềm đam mê nghiên cứu khoa học giúp học sinh phát khả thân - Giúp cho HS có hiểu biết hình dung ban đầu trí tuệ nhân tạo - Góp phần định hướng giáo dục STEM Tin học - Sáng kiến sử dụng làm tài liệu tham khảo cho giáo viên Tin nhằm góp phần nâng cao hiệu dạy học môn Tin trường trung học phổ thông PHẦN II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU I Cơ sở lí luận Khái niệm lực Năng lực thuộc tính cá nhân hình thành, phát triển nhờ vào tố chất trình học tập, rèn luyện, cho phép người huy động tổng hợp kinh nghiệm, kĩ thuộc tính cá nhân khác hứng thú, niềm tin, ý chí, thực đạt kết hoạt động điều kiện cụ thể Chương trình giáo dục phổ thơng 2018 xác định mục tiêu hình thành phát triển cho học sinh lực cốt lõi bao gồm lực chung lực đặc thù Năng lực chung lực bản, thiết yếu cốt lõi, làm tảng cho hoạt động người sống lao động nghề nghiệp Năng lực đặc thù lực hình thành phát triển sở lực chung theo định hướng chuyên sâu, riêng biệt loại hình hoạt động, cơng việc tình huống, mơi trường đặc thù, cần thiết cho hoạt động chuyên biệt, đáp ứng yêu cầu hoạt động toán học, âm nhạc, mĩ thuật, thể thao - Các lực chung hình thành, phát triển thơng qua môn học hoạt động giáo dục: lực tự chủ tự học, lực giao tiếp hợp tác, lực giải vấn đề sáng tạo; 3|43 - Các lực đặc thù hình thành, phát triển chủ yếu thơng qua số môn học hoạt động giáo dục định: lực ngơn ngữ, lực tính tốn, lực khoa học, lực công nghệ, lực tin học, lực thẩm mĩ lực thể chất Năng lực đặc thù môn Tin học theo CT CDPT 2018 Năng lực tin học bao gồm năm thành phần lực sau đây: - NLa: Sử dụng quản lí phương tiện công nghệ thông tin truyền thông; - NLb: Ứng xử phù hợp môi trường số; - NLc: Giải vấn đề với hỗ trợ công nghệ thông tin truyền thông; - NLd: Ứng dụng công nghệ thông tin truyền thông học tự học; - NLe: Hợp tác môi trường số * Chương trình mơn Tin học cấp THPT Chương trình mơn Tin học cấp trung học phổ thơng thể phân hố sâu định hướng nghề nghiệp Do vậy, chương trình có yêu cầu cần đạt chung lực tin học bắt buộc học sinh có yêu cầu bổ sung riêng tương ứng với học sinh chọn định hướng Tin học ứng dụng Khoa học máy tính a) Yêu cầu chung Thành phần lực NLa 4|43 Biểu Phối hợp sử dụng cách hệ thống kĩ thuật số thông dụng; mơ tả chức phận bên máy tính, thơng số thiết bị số; bước đầu tuỳ chỉnh chế độ hoạt động cho máy tính; trình bày khái qt mối quan hệ phần cứng, hệ điều hành chương trình ứng dụng; biết sử dụng số chức chủ yếu hệ điều hành để nâng cao hiệu sử dụng máy tính; so sánh mạng LAN Internet, biết khái niệm IoT; giới thiệu chức số thiết bị giao thức mạng thông dụng, sử dụng số ứng dụng thiết thực mạng; nhận biết vai trò quan trọng hệ thống tự động hố xử lí truyền thơng tin xã hội tri thức NLb Trình bày nêu ví dụ minh họa số quy định quyền thông tin quyền, tránh vi phạm sử dụng thông tin, tài nguyên số; hiểu khái niệm, chế phá hoại, lây lan phần mềm độc hại cách phịng chống; biết cách tự bảo vệ thơng tin, liệu tài khoản cá nhân; hiểu rõ ràng mặt trái Internet, nhận diện hành vi lừa đảo, thông tin mang nội dung xấu biết cách xử lí phù hợp; thể tính nhân văn tham gia giới ảo; có hiểu biết tổng quan nhu cầu nhân lực, tính chất cơng việc ngành nghề lĩnh vực tin học ngành nghề khác có sử dụng ICT; sẵn sàng, tự tin, có tinh thần trách nhiệm sáng tạo tham gia hoạt động tin học NLc Biết cấu trúc liệu bản, thuật tốn xếp tìm kiếm bản, viết chương trình, tạo trang web đơn giản; biết khái niệm hệ sở liệu, biết kiến trúc hệ sở liệu tập trung phân tán; sử dụng máy tìm kiếm để khai thác thông tin cách hiệu quả, an tồn hợp pháp; tìm kiếm, lựa chọn thơng tin phù hợp tin cậy; sử dụng công cụ kĩ thuật số để tổ chức, chia sẻ liệu thơng tin q trình phát giải vấn đề; có hiểu biết hình dung ban đầu trí tuệ nhân tạo nêu số ứng dụng điển hình trí tuệ nhân tạo NLd Khai thác dịch vụ tra cứu trao đổi thông tin, nguồn học liệu mở để cập nhật kiến thức, hỗ trợ học tập tự học; sử dụng số phần mềm hỗ trợ học tập, tự tin, sẵn sàng tìm hiểu phần mềm tương tự, qua có ý thức khả tìm kiếm tri thức mới, tìm hiểu nghề quan tâm NLe Biết cách hợp tác công việc; sử dụng phần mềm để lập kế hoạch, phân chia quản lí cơng việc; lựa chọn sử dụng kênh phù hợp để trao đổi thông tin, thảo luận, hợp tác mở mang tri thức; giao tiếp, hoà nhập cách an tồn mơi trường số, biết tránh tác động xấu thơng qua số biện pháp phịng tránh b) Yêu cầu bổ sung theo định hướng ICT CS Thành phần lực 5|43 Biểu Định hướng ICT Định hướng CS NLa NLc – Kết nối PC với thiết bị số – Hiểu biết ngun lí thơng dụng hoạt động hệ thống thơng tin bao gồm máy tính – Biết tổ chức lưu trữ, khai thác liệu phục vụ tốn quản lí thiết bị số khác đơn giản thực tế – Hiểu phép toán – Sử dụng số chức phần mềm quản lí dự án nhị phân ứng dụng hệ nhị phân tin học – Biết bảo vệ liệu, cài đặt hay gỡ bỏ phần mềm máy tính – Trình bày sơ lược thiết bị di động cần thiết việc thiết kế mạng – Biết mục tiêu – Sử dụng phần mềm thiết kế đồ hoạ, chỉnh sửa ảnh làm số thành tựu Khoa phim hoạt hình để tạo sản phẩm số học liệu Học máy phục vụ học tập đáp ứng sở thích – Biết vai trò của cá nhân phần mềm mô – Sử dụng thành thạo phần mềm tin học văn phòng, tạo sản phẩm số có chất lượng thơng qua dự án giải vấn đề thực tế –Phân tích liệu với phần mềm bảng tính Năng lực “Giải vấn đề với hỗ trợ công nghệ thông tin truyền thông” - Biết cấu trúc liệu bản, thuật tốn xếp tìm kiếm bản, viết chương trình, tạo trang web đơn giản; - Biết khái niệm hệ sở liệu, biết kiến trúc hệ sở liệu tập trung phân tán; sử dụng máy tìm kiếm để khai thác thông tin cách hiệu quả, an tồn hợp pháp; - Tìm kiếm, lựa chọn thông tin phù hợp tin cậy; - Sử dụng công cụ kĩ thuật số để tổ chức, chia sẻ liệu thông tin trình phát giải vấn đề; - Có hiểu biết hình dung ban đầu trí tuệ nhân tạo nêu số ứng dụng điển hình trí tuệ nhân tạo 6|43 II Cơ sở thực tiễn Việc dạy học lập trình trường THPT Việc dạy học lập trình trường THPT phần lớn trọng giải toán toán học Học sinh chưa hiểu lập trình để làm ngồi việc tính tốn với số; Học sinh tự hỏi lập trình có ứng dụng thực tế đa phần tập sách liên quan đến tính tốn túy tốn học, khơng gắn liền với thực tiễn,… Vì để học sinh vận dụng kiến thức môn học vào giải vấn đề thực tiễn khó vào lý thuyết túy giáo viên truyền đạt Khi dạy học để mô kiến thức học giáo viên chủ yếu dựa vào phần mềm để test thử câu lệnh mà chưa có ví dụ trực quan để mơ Vì học sinh khó khăn việc tiếp thu kiến thức cảm thấy nhàm chán học lập trình Các thi khoa học kỹ thuật Trong năm gần thi khoa học kỹ thuật, sáng tạo thiếu niên nhi đồng, kiến tạo tương lai, đề án 1655,… ngày lan tỏa khắp vùng miền với tham gia đông đảo em học sinh Cuộc thi nhằm khuyến khích học sinh trung học nghiên cứu khoa học; sáng tạo kĩ thuật, công nghệ vận dụng kiến thức môn học vào giải vấn đề thực tiễn; góp phần đổi hình thức tổ chức dạy học gắn với phát triển văn hóa đọc; thúc đẩy giáo viên tự bồi dưỡng nâng cao lực chuyên môn, nghiệp vụ, Cuộc thi minh chứng điển hình cho việc thực hành, trải nghiệm, ứng dụng kiến thức vào giải đề tài cụ thể có tính ứng dụng thực tiễn Điều khích lệ, tạo động lực cho giáo viên thay đổi để học sinh thay đổi việc học đôi với hành Tại trường THPT Tương Dương số lượng học sinh biết đến tham gia vào thi khoa học kĩ thuật chưa nhiều, đặc biệt lĩnh vực lập trình cịn hạn chế Khảo sát đánh giá thực trạng mức độ u thích học lập trình mối quan tâm học sinh ứng dụng lập trình thực tiễn 7|43 Trên kết sát thực trạng trường THPT Tương Dương Nhìn vào kết khảo sát ta thấy mức độ u thích học lập trình mối quan tâm học sinh ứng dụng lập trình thực tiễn chưa nhiều III Nền tảng Ardunio Arduino gì? Arduino tảng tạo mẫu điện tử mã nguồn mở, sử dụng nhằm xây dựng ứng dụng điện tử tương tác với với môi trường thuận tiện, dễ dàng Nền tảng mẫu giống máy tính thu nhỏ, giúp người dùng lập trình thực dự án điện tử mà không cần phải đến công cụ chuyên dụng để phục vụ việc nạp code Phần mềm tương tác với giới bên ngồi thơng qua cảm biến điện tử, đèn động Cấu tạo Arduino Phần cứng Arduino bảng mạch nguồn mở, vi xử lý chân đầu vào/ đầu (I/ O) để liên lạc, điều khiển đối tượng vật lý (LED, servo, nút, v.v.) Bảng mạch thường cấp nguồn qua USB nguồn điện bên ngoài, cho phép cung cấp lượng cho phần cứng, cảm biến khác Là phần mềm nguồn mở tương tự C++ Môi trường phát triển tích hợp Arduino (IDE – Integrated Development Environment) cho phép bạn soạn thảo, biên dịch code, nạp chương trình cho board Khả kết nối Arduino - Arduino hoạt động độc lập - Kết nối với máy tính, cho phép truy cập liệu cảm biến từ giới bên ngồi cung cấp thơng tin phản hồi 8|43 - Các Arduino liên kết với - Mạch điều khiển Arduino kết nối với thiết bị điện tử khác - Arduino có khả kết nối với chip điều khiển - Lập trình Arduino IDE kết nối với nhiều tảng Điều đồng nghĩa với việc bạn khởi động Windows, Macintosh OSX điều hành Linux (các hệ thống vi điều khiển khác chạy Windows) Ứng dụng tảng Arduino Một số ứng dụng Arduino đời sống phải kể đến như: - Điều khiển thiết bị cảm biến âm thanh, ánh sáng - Làm máy in 3D - Làm đàn ánh sáng - Làm lò nướng bánh biết tweet thơng báo bánh chín Arduino có khả đọc thiết bị cảm biến, điều khiển động cơ,… Chính mà mã nguồn mở dùng để làm xử lý trung tâm nhiều loại robot Arduino cịn sử dụng để tương tác với Joystick, hình,… chơi game Tetrix, phá gạch, Mario,… - Dùng để chế tạo máy bay không người lái Điều khiển đèn giao thông, làm hiệu ứng đèn Led nhấp nháy biển quảng cáo,… - Ngồi ra, Arduino cịn nhiều ứng dụng hữu ích khác tùy thuộc vào sáng tạo người sử dụng Arduino mang lại cho giáo dục? Với phát triển nhanh chóng mã nguồn mở Arduino IDE, việc học khơng cịn khó khăn cho bạn đam mê điện tử, lập trình Vì vậy, Arduino trường THCS, THPT, Cao Đẳng, Đại Học đưa vào giảng dạy làm đề tài hoạt động ngoại khóa nhà trường Là tiền đề thúc đẩy ham mê học hỏi tiếp cận đến công nghệ cách nhanh Với ý tưởng lóe lên đầu (làm Robot nhện, xe điều khiển từ xa, nhà thông minh…) muốn thực mà chưa biết đầu, Arduino giải pháp hồn hảo Khơng cần phải coder chun nghiệp làm tất, điều vi diệu mà Arduino IDE mang lại 9|43 Một số IDE thông dụng - Arduino IDE: Hỗ trợ ngôn ngữ C/C++ Bất kỳ đoạn code C/C++ Arduino IDE nhận dạng, giúp lập trình viên thuận tiện việc thiết kế chương trình cho bo mạch Arduino (Các ví dụ viết sử dụng IDE này) - Makeblock IDE VEXcode IDE: Hỗ trợ ngơn ngữ lập trình Python ngơn ngữ lập trình trực quan Scratch - EasyCode IDE: Hỗ trợ ngơn ngữ lập trình trực quan Blocky Ngơn ngữ lập trình trực quan đóng vai trị trung gian người lập trình ngơn ngữ C/C++ Tổng hợp lệnh hữu ích để code Arduino 7.1 Những lệnh Arduino IDE bản: Ngay bạn mở Arduino IDE, bạn chào đón lệnh setup() loop() Đây hai ví dụ sketch mà bạn tìm thấy hầu hết tất code Arduino Setup(): Mỗi sketch bắt đầu, lệnh setup giúp bạn khởi tạo biến bắt đầu sử dụng thư viện Loop(): Một vòng lặp theo sau setup thực trái tim chương trình, khiến phản hồi vơ hạn với logic Break: Nếu bạn muốn thoát khỏi lệnh, bạn cần nhấn break If: Các lệnh logic khởi tạo hành động điều kiện thỏa mãn return: Trả giá trị định while: Một vòng lặp khác diễn liên tục điều kiện định goto: Đúng tên gọi nó, lệnh cho phép bạn đến dịng định code 7.2 Boolean tốn tử số học Bên cạnh sketch lệnh kiểm soát, bạn phải biết số Boolean toán tử số học để huy chương trình Các tốn hạng: Bằng (=), phép cộng (+), phép trừ (-), phép nhân (*) phép chia (/) Các toán hạng nâng cao: Không (!=), Nhỏ (=), phần dư (%) 10 | 11 |