thiết kế và tổ chức dạy học chủ đề stem cho học sinh 12 môn công nghệ tại trường thpt tân phú

1 THIẾT KẾ VÀ TỔ CHỨC DẠY HỌC CHỦ ĐỀ STEM CHO HỌC SINH 12 MÔN CÔNG NGHỆ TẠI TRƢỜNG THPT TÂN PHÚ Chƣơng I: TỔNG QUAN I- LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1-Cơ sở lý luận a Khái niệm STEM STEM thuật ngữ viết tắt từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật) Mathematics (Toán học), thƣờng đƣợc sử dụng bàn đến sách phát triển Khoa học, Cơng nghệ, Kĩ thuật Toán học quốc gia Sự phát triển Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật Tốn học đƣợc mơ tả chu trình STEM (Hình 1), Science quy trình sáng tạo kiến thức khoa học; Engineering quy trình sử dụng kiến thức khoa học để thiết kế công nghệ nhằm giải vấn đề; Tốn cơng cụ đƣợc sử dụng để thu nhận kết chia sẻ kết với ngƣời khác b Vai trò, ý nghĩa giáo dục STEM Việc đƣa giáo dục STEM vào trƣờng trung học mang lại nhiều ý nghĩa, phù hợp với định hƣớng đổi giáo dục phổ thông Cụ thể là: – Đảm bảo giáo dục toàn diện: Triển khai giáo dục STEM nhà trƣờng, bên cạnh môn học đƣợc quan tâm nhƣ Tốn, Khoa học, lĩnh vực Cơng nghệ, Kỹ thuật đƣợc quan tâm, đầu tƣ tất phƣơng diện đội ngũ giáo viên, chƣơng trình, sở vật chất – Nâng cao hứng thú học tập môn học STEM: Các dự án học tập giáo dục STEM hƣớng tới việc vận dụng kiến thức liên môn để giải vấn đề thực tiễn, học sinh đƣợc hoạt động, trải nghiệm thấy đƣợc ý nghĩa tri thức với sống, nhờ nâng cao hứng thú học tập học sinh – Hình thành phát triển lực, phẩm chất cho học sinh: Khi triển khai dự án học tập STEM, học sinh hợp tác với nhau, chủ động tự lực thực nhiệm vụ học; đƣợc làm quen hoạt động có tính chất nghiên cứu khoa học Các hoạt động nêu góp phần tích cực vào hình thành phát triển phẩm chất, lực cho học sinh – Kết nối trường học với cộng đồng: Để đảm bảo triển khai hiệu giáo dục STEM, sở giáo dục phổ thông thƣờng kết nối với sở giáo dục nghề nghiệp, đại học địa phƣơng nhằm khai thác nguồn lực ngƣời, sở vật chất triển khai hoạt động giáo dục STEM Bên cạnh đó, giáo dục STEM phổ thông hƣớng tới giải vấn đề có tính đặc thù địa phƣơng – Hướng nghiệp, phân luồng: Tổ chức tốt giáo dục STEM trƣờng trung học, học sinh đƣợc trải nghiệm lĩnh vực STEM, đánh giá đƣợc phù hợp, khiếu, sở thích thân với nghề nghiệp thuộc lĩnh vực STEM Thực tốt giáo dục STEM trƣờng trung học cách thức thu hút học sinh theo học, lựa chọn ngành nghề thuộc lĩnh vực STEM, ngành nghề có nhu cầu cao nguồn nhân lực cách mạng công nghiệp lần thứ tƣ c Dạy học môn khoa học theo phƣơng pháp STEM Hoạt động 1: Xác định vấn đề Trong hoạt động này, giáo viên giao cho học sinh nhiệm vụ học tập chứa đựng vấn đề, học sinh phải hoàn thành sản phẩm học tập cụ thể với tiêu chí địi hỏi học sinh phải sử dụng kiến thức học để đề xuất, xây dựng giải pháp thiết kế nguyên mẫu sản phẩm cần hồn thành Tiêu chí sản phẩm yêu cầu quan trọng, "tính mới" sản phẩm, kể sản phẩm quen thuộc với học sinh; đồng thời, tiêu chí buộc học sinh phải nắm vững kiến thức thiết kế giải thích đƣợc thiết kế cho sản phẩm cần làm Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức đề xuất giải pháp Trong hoạt động này, học sinh thực hoạt động học tích cực, tự lực dƣới hƣớng dẫn giáo viên Trong học STEM khơng cịn "tiết học" thơng thƣờng mà giáo viên "giảng dạy" kiến thức cho học sinh Thay vào đó, học sinh tự tìm tịi, chiếm lĩnh kiến thức để sử dụng vào việc đề xuất, thiết kế sản phẩm cần hoàn thành Kết là, học sinh hoàn thành thiết kế đồng thời học sinh học đƣợc kiến thức theo chƣơng trình mơn học tƣơng ứng Hoạt động 3: Lựa chọn giải pháp Trong hoạt động này, học sinh đƣợc tổ chức để trình bày, giải thích bảo vệ thiết kế kèm theo thuyết minh (sử dụng kiến thức học kiến thức có); thể cụ thể giải pháp giải vấn đề Dƣới trao đổi, góp ý bạn giáo viên, học sinh tiếp tục hồn thiện (có thể phải thay đổi để bảo đảm khả thi) thiết kế trƣớc tiến hành chế tạo, thử nghiệm Hoạt động 4: Chế tạo mẫu, thử nghiệm đánh giá Trong hoạt động này, học sinh tiến hành chế tạo mẫu theo thiết kế hoàn thiện sau bƣớc 3; trình chế tạo đồng thời phải tiến hành thử nghiệm đánh giá Trong trình này, học sinh phải điều chỉnh thiết kế ban đầu để bảo đảm mẫu chế tạo khả thi Hoạt động 5: Chia sẻ, thảo luận, điều chỉnh Trong hoạt động này, học sinh đƣợc tổ chức để trình bày sản phẩm học tập hoàn thành; trao đổi, thảo luận, đánh giá để tiếp tục điều chỉnh, hoàn thiện Sự phù hợp tiến trình tổ chức hoạt động học học sinh học STEM với phƣơng pháp dạy học tích cực đƣợc mô tả bảng sau: Xác định vấn đề Tố (Nội dung dạy học theo chương trình xếp lại phù Đề xuất giải pháp/bản thiết kế Lựa chọn giải pháp/bản thiết kế Chế tạo mơ hình (nguyên mẫu) Thử nghiệm đánh giá Chia sẻ thảo luận Điều chỉnh thiết kế 2- Cơ sở thực tiễn Bộ môn công nghệ lớp 12 giới thiệu cho em học sinh số khái niệm điện tử Tuy nhiên lần em biết tới linh kiện nên em chƣa thật hiểu rõ công dụng linh kiện mạch điện tử địi hỏi em phải tƣởng tƣợng mơ hồ Đây mơn học góp phần giúp học sinh hình thành tính động, sáng tạo tiếp cận với tri thức khoa học, kỹ thuật định hƣớng tốt cho ngành nghề sau Trong môn học Công nghệ 12, chƣơng giới thiệu linh kiện mạch điện tử cung cấp cho học sinh kiến thức linh kiện mạch điện tử Thơng qua giúp em đọc đƣợc giá trị linh kiện mạch điện tử đơn giản, sở cho trình học tập lên cao sau giúp học sinh có thêm kiến thức để ứng dụng lao động, sản xuất Vì tầm quan trọng phân mơn nêu nên cần sâu nghiên cứu, đổi phƣơng pháp cho việc truyền thụ kiến thức tới học sinh hiệu Mơn Cơng Nghệ THPT nói chung phần kỹ thuật điện tử có nhiều nội dung khó Nội dung kiến thức kỹ thuật vừa cụ thể vừa trìu tƣợng giảng dạy phần sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch điện tử học sinh khó tiếp thu Trong thực tế mơn Cơng Nghệ gặp nhiều khó khăn thiếu thốn sở vật chất cho dạy học thực hành: thiếu vật thể trực quan, thiếu mơ hình dạy …Để nâng cao chất lƣợng dạy học thầy cố gắng khắc phục khó khăn môn, đồng thời phải đổi mới, rút kinh nghiệm sau giảng để thu đƣợc kết tốt Hiện sống ngày đặc biệt giai đoạn bùng nổ công nghệ thông tin em học sinh đƣợc tiếp xúc nhiều với mơ hình chế tạo đơn giản đến phức tạp Những mơ hình giúp ngƣời học trực quan trình tƣ nên giúp ngƣời học dễ dàng tiếp thu Với trăn trở trên, qua nhiều năm dạy học môn, thấy khó khăn nên tơi viết sáng kiến kinh nghiệm “THIẾT KẾ VÀ TỔ CHỨC DẠY HỌC CHỦ ĐỀ STEM CHO HỌC SINH 12 MÔN CÔNG NGHỆ TẠI TRƢỜNG THPT TÂN PHÚ” để giúp học sinh tiếp thu hiệu II- MỤC ĐÍCH VÀ Q TRÌNH THỰC HIỆN 1- Mục đích Việc thiết kế tổ chức dạy học chủ đề STEM vào giảng dạy cơng nghệ lớp 12 nhằm giúp q trình dạy giáo viên trình học học sinh trở nên sinh động dễ hiểu Thông qua đó, em dễ dàng nắm vững kiến thức cấu tạo, nguyên lý công dụng linh kiện điện tử 2- Quá trình thực Trong năm dạy kết hợp điều học học đại học suy nghĩ đổi cách dạy học môn cơng nghệ nói chung phần kỹ thuật điện tử nói riêng đồng thời trao đổi đồng nghiệp để vận dụng phƣơng pháp dạy học STEM vào giảng dạy Sau giảng lại đúc kết rút kinh nghiệm trao đổi để đƣa cách dạy phù hợp Kết đƣợc đối chứng qua lần kiểm tra, làm tập thực hành tiếp tục rút kinh nghiệm để đạt đƣợc kết tốt hơn, Khi nhà trƣờng có thêm phƣơng tiện trình chiếu nối mạng Internet tơi tích cực soạn theo hƣớng dùng phƣơng tiện trình chiếu mẫu để phục vụ cho dạy tích cực đổi phƣơng pháp theo hƣớng phát huy tính tích cực học sinh Từ kinh nghiệm thân dạy môn Công Nghệ, đặc biệt phần kỹ thuật điện tử muốn trao đổi đồng nghiệp mong đƣợc góp ý, trao đổi thầy III- ĐỐI TƢỢNG , PHẠM VI NGHIÊN CỨU a Đối tƣợng nghiên cứu Tổ chức thiết kế dạy học theo phƣơng pháp stem dành cho học sinh học môn công nghệ khối 12, nhằm phát huy tính tích cực sáng tạo học sinh Qua nâng cao chất lƣợng dạy học nhà trƣờng b Phạm vi nghiên cứu Đề tài đƣợc thực xuyên suốt học kì mơn cơng nghệ khối 12 trƣờng THPT Tân Phú Nội dung đề tài tập trung vào chủ đề steam có liên qua tới mạch, linh kiện điện tử CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG CÁC GIAI ĐOẠN THỰC HIỆN CHỦ ĐỀ STEM CHO MÔN HỌC CÔNG NGHỆ 12 Trƣớc cho học sinh thực chủ đề STEM, giáo viên chủ động điều chỉnh kế hoạch dạy học cách lồng ghép triển khai bƣớc thực chủ đề stem tiết học I Giai đoạn giới thiệu chủ đề lựa chọn chủ đề Giai đoạn giáo viên thực từ tuần đến tuần thứ Sau học hết tuần thứ môn cơng nghệ lớp 12, học sinh hình thành nên khái niệm, linh kiện điện tử Học sinh biết cấu tạo, công dụng linh kiện điện tử Trong giai đoạn này, giáo viên giới thiệu khái quát chủ đề STEM, ý nghĩa , mục đích công việc mà học sinh cần thực Các chủ đề, học, hoạt động STEM bám sát chƣơng trình mơn học thành phần Hình thức giáo dục STEM không làm phát sinh thêm thời gian học tập Điểm chấm đề tài đƣợc lấy làm điểm tiết cho môn học Các chủ đề STEM giáo viên đƣa năm học 2019-20120 trƣờng THPT Tân Phú em lựa chọn tìm hiểu thực mơn học là: Thiết kế chế tạo vòi nước tự động dùng cho bình 20l lớp học Thiết kế chế tạo thùng rác thông minh dùng lớp học II.Giai đoạn thực dự án stem cho học sinh Giai đoạn đƣợc thực từ tuần thứ đến tuần thứ 15 Trong 10 tuần em học sinh tự tìm hiểu phƣơng án thiết kế chế tạo đề tài chọn dƣới hƣớng dẫn giáo viên Với thời gian làm việc 10 tuần, em có nhiều thời gian để hồn thành dự án mà khơng làm phát sinh thêm tiết học lớp đồng thời tạo cho cho em không gian khám phá đầy thú vị thực chủ đề STEM Các công việc học sinh giai đoạn này: – Tìm hiểu thơng tin chủ đề nhóm chọn: Mỗi thành viên nhóm thơng qua phƣơng tiện thơng tin, cơng nghệ tìm hiểu có thơng tin liên quan đến chủ đề – Thảo luận tham vấn chủ đề stem nhóm mình: Sau thành viên tìm hiểu thơng tin xong thảo luận, đƣợc tham vấn giáo viên vấn đề chƣa rõ – Tiến hành thực thiết kế chế tạo: Trong bƣớc em tiến hành chọn lựa vật liệu, linh kiện để làm mơ hình Các vật liệu đƣợc lựa chọn phải rẻ tiền, dễ gia công dễ sử dụng – Vận hành thử nghiệm chỉnh sửa: Sau làm xong em sử dụng, đánh giá chất lƣợng tính ổn định, vận hành Nếu có sai sót chỉnh sửa cho phú hợp Giai đoạn đánh giá sản phẩm nhóm BI Giai đoạn đƣợc thực vào tuần 16 năm học Và điểm sản phẩm đƣợc đƣa vào kiểm tra 45’ môn công nghệ 12 - Các nhóm trình bày sản phẩm trƣớc lớp - Nếu nguyên lý hoạt động, ƣu nhƣợc điểm sản phẩm - Các nhóm cịn lại đặt câu hỏi phản biện Giáo viên tổng kết cho điểm CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC CHỦ ĐỀ STEM ỨNG DỤNG VÀO DẠY MÔN CÔNG NGHỆ 12 I Thiết kế chế tạo vòi nƣớc tự động dùng cho bình 20l lớp học A Phần lý thuyết giáo viên cần triển khai Mô tả chủ đề: Học sinh hiểu biết công dụng linh kiện điện tử thơng qua tìm hiểu mạng sách để thiết kế chế tạo vịi nƣớc tự động dùng cho bình 20l lớp học Sau chế tạo xong, cần đƣa ly vào vịi nƣớc tự chảy ra, nhấc ly nƣớc tự ngắt lại Mục tiêu a) Kiến thức, kĩ – Vận dụng đƣợc kiến thức linh kiện thiết bị để chế tạo đƣợc vòi nƣớc tự động theo u cầu, tiêu chí cụ thể; – Tính tốn, vẽ đƣợc thiết kế vòi tự động đảm bảo tiêu chí đề ra; – Lập kế hoạch cá nhân/nhóm để chế tạo thử nghiệm dựa thiết kế; – Trình bày, bảo vệ đƣợc thiết kế sản phẩm mình, phản biện đƣợc ý kiến thảo luận; – Tự nhận xét, đánh giá đƣợc q trình làm việc cá nhân nhóm b) Phát triển phẩm chất: – Nghiêm túc, chủ động, tích cực tham gia hoạt động học; – Có tinh thần trách nhiệm, hịa đồng, giúp đỡ nhóm, lớp; – Có ý thức tuân thủ tiêu chuẩn kĩ thuật giữ gìn vệ sinh chung thực nghiệm c) Định hƣớng phát triển lực: – Tìm hiểu khoa học, cụ thể ứng dụng thiết bị linh kiện – Hợp tác với thành viên nhóm để thống thiết kế phân công thực hiện; 10 – Tự nghiên cứu kiến thức, lên kế hoạch thiết kế, chế tạo, thử nghiệm đánh giá Thiết bị - Các thiết bị dạy học: giấy A0, mẫu kế hoạch, … - Nguyên vật liệu dụng cụ để chế tạo thử nghiệm “vòi tự động”: - Cảm biến tiệm cận, mạch giảm áp, adapter, máy bơm nƣớc mini, relay - Súng bắn keo nến, cƣa, tua-vit, khoan - Gỗ, đinh… Tiến trình dạy học Hoạt động XÁC ĐỊNH YÊU CẦU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO VÒI NƯỚC TỰ ĐỘNG a) Mục đích - Học sinh phân tích hiểu rõ yêu cầu “Thiết kế chế tạo vòi nƣớc tự động” (do giáo viên cung cấp) theo tiêu chí: thiết kế gọn nhẹ, đóng ngắt nƣớc kịp thời đƣa ly nƣớc vào gần - Học sinh hiểu rõ nguyên lý hoạt động relay, mạch giảm áp cảm biến để thiết kế thuyết minh trƣớc sử dụng nguyên vật liệu, dụng cụ cho trƣớc để chế tạo thử nghiệm b) Nội dung - Tìm hiểu số thiết bị có sử dụng cảm biến tiệm cận, relay, mạch giảm áp c) Lên phƣơng án thiết sản phẩm Dự kiến sản phẩm hoạt động học sinh - Mô tả giải thích đƣợc cách định tính nguyên lí làm việc mơ hình; - Xác định đƣợc kiến thức cần sử dụng để thiết kế, chế tạo mô hình theo tiêu chí cho 28 MÁ BƠM, RƠLE VÀ MẠCH GIẢM ÁP ĐƢỢC LẮP TRONG HỘP GỖ VÒI NƢỚC VÀ CẢM BIẾN ĐƢỢC GĂN VÀO KHUNG GỖ ĐẶT TRÊN BÌNH NƢỚC b Sơ đồ lắp mạch điện SƠ ĐỒ LẮP MẠCH ĐIỆN 29 c Nguyên lý hoạt động  Trên cảm biến có dây, hai dây nguồn dây màu đen dây màu cam Dây màu tím dây tín hiệu  Mạch giảm áp có đầu, đầu vào 12V đâu 5V Những linh kiện cần sử dụng nguồn 5V đƣợc gắn đầu 5V  Rơle có đầu: đầu dây có dây nguồn dây tín hiệu, đầu dây đƣợc mắc với nguồn 12V máy bơm Nguyên lý hoạt động: Lúc bình thƣờng cảm biến chƣa nhận đƣợc tín hiệu rơle mở Nguồn điện vào máy bơm khơng đƣợc đóng kín nên máy bơm khơng hoạt động Khi ta tác động vào cảm biến (đƣa lý nƣớc vào gần cảm biến) cảm biến truyền tín hiệu xuống rơle, rơle lúc đóng lại, nguồn điện cấp vào máy bơm đƣợc kín mạch, máy bơm lúc hoạt động Khi cảm biến ngắt tín hiệu (nhấc ly nƣớc khỏi phạm vi cảm biến) rơle ngắt dịng điện vào máy bơm, máy bơm ngừng hoạt động D Kết thu đƣợc 30 Thiết bị hoạt động ổn định, vịi tự động đóng mở xác Thiết bị dễ dàng sử dụng lắp đặt 31 PHỤ LỤC CHỦ ĐỀ STEM: THÙNG RÁC THÔNG MINH DÙNG TRONG LỚP HỌC A Lí chọn đề tài Thực trạng rác thải Việt Nam a Thực trạng ô nhiễm rác thải Bảo vệ môi trƣờng trở thành vấn đề trọng yếu mang tính tồn cầu, ngày đƣợc nhiều quốc gia giới trọng trở thành nội dung chiến lƣợc phát triển kinh tế - xã hội Bƣớc vào thời kỳ CNH-HĐH đất nƣớc, với phát triển kinh tế, đời sống vật chất tinh thần ngƣời dân đƣợc cải thiện nâng cao, song ngƣời dân phải đối mặt với vấn đề môi trƣờng ngày gia tăng Một số vấn đề thu gom xử lý rác thải sinh hoạt Lƣợng rác thải sinh hoạt thị nƣớc ta có hƣớng phát sinh trung bình năm tăng khoảng 10% Tỷ lệ tăng cao tập trung thị có xu hƣớng mở rộng, phát triển quy mô lẫn dân số khu công nghiệp Thực trạng xử lý rác thải, giải pháp xử lý rác thải khu vực nơng thơn q trình thị hóa gắn với cơng nghiệp hóa đặt sức ép môi trƣờng rác thải sinh hoạt số địa phƣơng nƣớc, đặc biệt khu vực ven biển b Biện pháp thu gom rác thải: Hiện có nhiều phƣơng pháp xử lý rác thải, khâu khơng thể thiếu phân loại rác nguồn Nhƣng loại rác khác đƣợc bỏ vào thùng rác khác 32 Để khuyến khích ngƣời để rác nơi quy định để thuận tiện trình bỏ rác vào thùng, em với giúp đỡ q thầy cơ, bạn bè hồn thành xong đề tài “ THÙNG RÁC THÔNGN MINH” Hy vọng với sản phẩm đề tài góp phần nhỏ bé bảo vệ môi trƣờng xung quanh Câu hỏi nghiên cứu Khi thiết kế thùng rác thơng minh, để thùng rác nhận biết đƣợc a cần đóng hay mở nắp? b Chọn mạch điện tử sơ đồ lắp ráp nhƣ nào? c Làm để nắp tự mở chƣơng trình đƣợc viết nhƣ nào? d Sắp xếp linh kiện nhƣ để thuận tiện cho trình sửa chữa thay thế? Giải vấn đề cần nghiên cứu a Khi thiết kế thùng rác thông minh, để thùng rác nhận biết cần đóng hay mở nắp? Để biết thiết bị đóng mở nắp lúc theo u cầu cần sử dụng cảm biến Trong thiết kế chúng chọn cảm biến siêu âm Nguyên lý làm việc cảm biến siêu âm: Cảm biến siêu âm hoạt động với nguyên lý vô đơn giản Nguyên lý hoạt động dựa truyền nhận sóng siêu âm Khi đƣợc cấp nguồn, cảm biến phát sóng siêu âm với chu kỳ định không gian Khi gặp vật cản, sóng siêu âm phản xạ trở lại ngƣợc phía cảm biến Cảm biến thu lại sóng phản xạ tính thời gian từ lúc phát nhận lại Từ tính đƣợc khoảng cách tới vât cản milimet 33 Cảm biến siêu âm b Chọn mạch điện tử chương trình viết nào? Với việc sử dụng cảm biến siêu âm, ta cần phải có thêm mạch điện tử để điều khiển xử lý thông tin Ở , chọn mạch điện tử Arduino Uno R3 MẠCH ARDUINO UNO R3 SƠ ĐỒ LẮP ĐẶT VỚI CẢM BIẾN c Làm để nắp tự mở chƣơng trình đƣợc viết nhƣ nào? 34 Sau nhận đƣợc tín hiệu từ cảm biến, mạch điện tử dựa vào chƣơng trình đƣợc lập trình sẵn truyền tín hiệu tới động Servo để mở nắp, đóng nắp thùng rác thời điểm ĐỘNG CƠ SERVO Chƣơng trình thùng rác thơng minh: #include Servo servo; int trigPin = 5; int echoPin = 6; int servoPin = 7; long duration, dist, verage; long aver[3]; void setup() { servo.attach(servoPin); pinMode(trigPin, OUTPUT); pinMode(echoPin, INPUT); servo.write(0); 35 delay(100); servo.detach(); } void measure() { digitalWrite(10,HIGH); digitalWrite(trigPin, LOW); delayMicroseconds(5); digitalWrite(trigPin, HIGH); delayMicroseconds(15); digitalWrite(trigPin, LOW); pinMode(echoPin, INPUT); duration = pulseIn(echoPin, HIGH); dist = (duration/2) / 29.1; } void loop() { for (int i=0;i