Thiết kế chủ đề stem xe robot tự dò đường dùng cảm biến hồng ngoại nhằm bồi dưỡng năng lực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH NGUYỄN ĐỨC ANH THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM “XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG” DÙNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI NHẰM BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CHO HỌC SINH THCS KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH NGUYỄN ĐỨC ANH THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM “XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG” DÙNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI NHẰM BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CHO HỌC SINH THCS Chuyên ngành: Sư phạm Vật lí KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Th.S LÊ HẢI MỸ NGÂN Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Đại học, Ban chủ nhiệm, q Thầy Cơ giáo khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm TP Hồ Chí Minh q Thầy Cơ giáo trực tiếp giảng dạy, giúp đỡ suốt q trình học tập Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô chuyên gia giáo dục STEM cho ý kiến góp ý sâu sắc đề tài khố luận Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn: Th.S Lê Hải Mỹ Ngân – người tận tình bảo, hướng dẫn, giúp đỡ, động viên, đóng góp nhiều ý kiến q báu cho tơi suốt q trình nghiên cứu hồn thành khố luận tốt nghiệp Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, người thân, bạn bè giúp đỡ, động viên tơi suốt q trình học tập năm trường đại học suốt thời gian thực khoá luận Xin chân thành cảm ơn TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 Tác giả NGUYỄN ĐỨC ANH ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU Chương CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Giáo dục STEM 1.1.1 Khái niệm Giáo dục STEM 1.1.2 Mục tiêu giáo dục STEM .6 1.1.3 Giáo dục STEM Việt Nam .7 1.1.4 Quy trình dạy học STEM dựa hoạt động thiết kế kĩ thuật 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 Giáo dục STEM 13 1.2.3 Công cụ Robot Giáo dục khoa học Robot .14 1.2.4 Cấu trúc hệ thống robot Giáo dục Robot 16 1.3 Dạy học phát triển lực giải vấn đề 17 1.3.1 Khái niệm lực giải vấn đề 17 1.3.2 Cấu trúc lực giải vấn đề 17 1.3.3 Giải vấn đề theo Tư máy tính (Computational Thinking) 18 1.3.4 Khung lực giải vấn đề giáo dục khoa học robot 20 Chương THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM “XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG” 24 2.1 Bối cảnh ý nghĩa thực tiễn chủ đề 24 iii 2.2 Mục tiêu dạy học phát triển lực giải vấn đề 25 2.3 Phân tích nội dung kiến thức 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 Mơn Tốn học 31 2.4 Tiến trình tổng thể pha hoạt động 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 sản phẩm 39 2.5.3 Học liệu 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 robot 65 2.6.2 Hoạt động 2: Khám phá kiến thức 70 2.6.3 Hoạt động Lập thiết kế sản phẩm 93 2.6.4 Hoạt động 4: Lắp ráp vận hành sản phẩm 97 2.6.5 Hoạt động 5: Báo cáo sản phẩm 98 2.7 Đánh giá lực giải vấn đề học sinh 100 2.7.1 Công cụ đánh giá 100 2.7.2 Khung rubrics đánh giá lực giải vấn đề 101 2.8 Một số lưu ý cho GV triển khai tổ chức dạy học chủ đề 108 Chương KHẢO SÁT Ý KIẾN CHUYÊN GIA 110 iv 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 khảo sát 111 3.5.1 Danh sách chuyên gia cho ý kiến 111 3.5.2 Kết khảo sát ý kiến chuyên gia 111 3.5.3 Ý kiến chuyên gia chủ đề 114 3.6 Nhận xét 117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các pha hoạt động quy trình dạy học STEM theo thiết kế kĩ thuật 11 Bảng 1.2 So sánh tư GQVD tư máy tính[27] 19 Bảng 1.3 Khung lực giải vấn đề GD khoa học robot .20 Bảng 2.1 Bảng mục tiêu lực giải vấn đề chủ đề .25 Bảng 2.2 Phân tích nội dung kiến thức mơn 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 mơn Toán học 31 Bảng 2.6 Bảng tiến trình tổng thể tóm tắt pha hoạt động dạy học .32 Bảng 2.7 Bộ dụng cụ sử dụng chủ đề 36 Bảng 2.8 Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm HĐ2.1 42 Bảng 2.9 Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm HĐ2.2 46 Bảng 2.10 Hướng dẫn lắp ráp sản phẩm 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 chủ đề 58 Bảng 2.14 Bộ câu hỏi định hướng số 61 Bảng 2.15 Bộ câu hỏi định hướng số 62 Bảng 2.16 Bộ câu hỏi định hướng số 63 Bảng 2.17 Bộ câu hỏi số 63 Bảng 2.18 Bộ câu hỏi định hướng số 64 Bảng 2.19 Tiến trình dạy học Hoạt động 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 PL55 Bước 3: chờ trình duyệt tải trang web xong ta sử dụng mBlock online Tải thêm extension để điều khiển Motor mạch điều khiển L293D Nhấn nút thêm extension: PL56 Gõ vào ô Search để tìm kiếm: L293D Sau tìm extension tên “Motor shield L293D” với thông tin “…Made by NGUYEN DUC ANH” Chọn nút +Add để thêm extension Sau thêm extension, ta có thêm tab khối lệnh “Robot” màu tím để giao tiếp điều khiển motor: PL57 Khối lệnh lập trình mBlock Chúng ta phân loại khối lệnh mBlock dựa tiêu chí sau: + Hình dạng khối lệnh: Ngơn ngữ lập trình dạng block thiết kế với nhiều khối lệnh hình dạng khác ứng với mục đích khối lệnh Các khối lệnh ghép nối trực tiếp với nhau, cho chúng cần phải khớp đường biên (giống trị chơi xếp hình puzzle) Có loại hình dạng khối lệnh chính: • Khối hình nón (Hat blocks) • Khối xếp chồng (Stack blocks) • Khối lệnh báo cáo (Reporter blocks) • Khối lệnh logic (Boolean blocks) • Khối lệnh điều khiển (Control blocks) + Nhóm khối lệnh: khối lệnh phân bố khu vực nhóm khối lệnh có chức khác nhau, nhóm có nhiều khối lệnh cụ thể có chức định PL58 Nhóm khối lệnh khác với nhóm khác màu sắc tên gọi Lập trình Arduino mBlock có loại khối lệnh sau: Nhóm Pin hay chân cắm: dùng để đọc/xuất liệu với chân cắm Arduino Serial tiếp Arduino máy tính Data: thao tác với liệu đặt ràng buộc, ánh xạ, hay chuyển đổi liệu Sensor: giao tiếp với cảm biến; lấy giá trị thời gian Chúng ta điều hiểu đặc điểm khối lệnh chức chúng Ở người viết trình bày khối lệnh có khả liên quan đến chủ đề a) Khối lệnh hình nón (Hat blocks) + Chức năng: Khối lệnh hình nón hay cịn gọi Khối lệnh kiện dùng để khởi động kịch bản, dự án điều khiển tương tác người dùng với đối tượng + Đặc điểm: • Giống hình mũ (hat blocks), phần khơng có khớp nối, phần có khớp nối để lắp ghép với khối lệnh bên Vì vậy, khối lệnh ln đứng đầu chương trình • Từ khóa khối lệnh từ “when” (khi) Tất khối lệnh khác khơng có đặc điểm PL59 + Trong lập trình Arduino, ta có khối lệnh hình nón cần quan tâm khối lệnh “When Arduino starts up” (trong nhóm Events), , dùng để khai báo thao tác cần thiết Arduino vừa khởi động, ví dụ khai báo biến, thiết lập thông số cho linh kiện, cảm biến Các khối lệnh ghép sau khối chạy lần Arduino vừa khởi động sau nhấn nút Reset bo mạch b) Khối xếp chồng (Stack blocks) + Chức năng: Khối lệnh xếp chồng hay kối lệnh thực thi hay khối lệnh nhiệm vụ dùng để thực cơng việc hay để thi hành hành động chương trình, khối lệnh chính, sử dụng nhiều lập trình + Đặc điểm: • Các khối lệnh có khớp nối khớp nối dưới, vậy, thường nằm giữa, kết hợp với khối lệnh bên bên để thực nhiệm vụ • Các khối lệnh phân bố hầu hết nhóm lệnh, trừ nhóm Operators • Khi nhiều khối lệnh lắp ghép với chương trình việc thực thi hành động diễn từ xuống + Các khối lệnh xếp chồng lập trình Arduino: Khối lệnh PL60 Xuất tín hiệu PWM chân cắm Arduino Có giá trị: + Ô thứ số chân cắm PWM Arduino cần xuất + Ô thứ hai giá trị cần xuất Tín hiệu PWM có giá trị – 255 Có thể chèn khối lệnh báo cáo ô trống Xuất tín hiệu âm chân digital khoảng thời gian Gồm ơ: +Ơ thứ số chân cắm digital Arduino cần xuất + Ô thứ bảng chọn nốt âm nhạc Kí tự C, D, E, F, G, A, B đại diện cho nốt đô, rê, mi, pha, son, la, si, đo; số bên cạnh thứ tự quãng tám + Ô thứ thời gian phát âm Có thể chèn khối lệnh báo cáo ô trống Điểu khiển động servo chân cắm quay theo góc yêu cầu Gồm ơ: + Ơ thứ số chân cắm digital Arduino cắm vào động servo + Ô thứ góc xoay động (độ) Có thể chèn khối lệnh báo cáo ô trống In hình Serial chuỗi kí tự giá trị Ơ trống chèn khối lệnh báo cáo để in giá trị tương ứng Khởi động lại đồng hồ đếm thời gian chương trình Arduino PL61 Trong Arduino, đồng hồ thường bắt đầu đếm khởi động Tạm dừng chương trình khoảng thời gian Ô trống để điền giá trị chèn khối lệnh báo cáo Tạm dừng chương trình đến điều kiện ĐÚNG Cần phải ghép thêm khối lệnh logic vào khối để sử dụng đượ Gán giá trị cho biến số Có thể chọn biến số cần gán, điền giá trị cần gán vào ô giá trị chèn khối lệnh báo cáo Cộng thêm giá trị cho biến số Có thể chọn biến số cần thêm, điền giá trị công thêm vào ô giá trị chèn khối lệnh báo cáo c) Khối lệnh báo cáo (Reporter blocks) + Chức năng: Khối lệnh báo cáo hay khối lệnh giá trị sử dụng để hiển thị trả lại giá trị chương trình Khối lệnh báo cáo chứa giá trị từ liệu kiểu số đến kiểu chuỗi phép toán (+, -, *, /) + Đặc điểm: • Với hình dạng cạnh trơn, khơng có khớp nối Chúng thường tham số cho khối lệnh khác đường lồng vào • Các khối lệnh phân bố chủ yếu nhóm lệnh Pin, Data, Sensors Operators • Khối lệnh Logic trường hợp đặc biệt khối lệnh báo cáo giá trị trả lại ĐÚNG SAI + Các khối lệnh báo cáo lập trình Arduino: PL62 Khối lệnh PL63 Trả kết giá trị biến số lưu d) Khối lệnh logic (Boolean blocks) + Chức năng: Khối lệnh Logic hay khối lệnh điều kiện sử dụng tình để kiểm tra điều kiện ĐÚNG/SAI Kết trả lại giá trị ĐÚNG SAI + Đặc điểm: • Với hình dạng cạnh, khối lệnh khơng có khớp nối, chúng khơng sử dụng độc lập, mà thường tham số cho khối lệnh khác lồng vào khối lệnh Logic • Các khối lệnh phân bố chủ yếu nhóm lệnh Operators • Trong chương trình, khối lệnh gọi đến, đưa kết ĐÚNG SAI với điều kiện logic • Chúng ta thường sử dụng khối lệnh để kiểm tra điều kiện so sánh (>, 50, gán giá trị cho a a nhân với 100 Khối lệnh điều kiện nếu-thì-nếu không: gồm ô chứa khối lệnh logic, bên có chứa khoảng trống sau ‘then’ khoảng trống sau ‘else’ để chứa khối lệnh hành động Nếu khối lệnh logic có giá trị ĐÚNG thực khối hành động sau ‘then’, ngược lại, SAI thực hành động sau ‘else’ PL66 Ví dụ: Nếu a > 50, gán giá trị cho a a nhân với 100, không, gán giá trị cho a 50 Khối lệnh lặp có điều kiện: gồm ô chứa khối lệnh điều kiện, bên chứa khối lệnh hành động Khối lệnh lặp lặp lại hành động khối điều kiện có giá trị ĐÚNG Ví dụ: Mỗi lần lặp cộng thêm cho a đơn vị, a = 50 f) Khối lệnh điều khiển motor (Robot) Tất khối lệnh điều khiển motor thuộc nhóm khối lệnh xếp chồng Khối lệnh PL67 Dùng để lệnh thực thi cho motor nối vào chân cắm “M1” quay theo chiều tiến với mức công suất 100% thời gian giây Khối lệnh có chọn: + để chọn vị trí chân nối motor với vi mạch, gồm chân M1, M2, M3, M4 + ô để điền giá trị công suất từ 0% đến 100% + ô để điền thời gian quay, tính theo giây Khối lệnh để lệnh thực thi dừng quay motor Khối lệnh có chọn: vị trí chân nối motor với vi mạch, gồm chân M1, M2, M3, M4 Dùng để lệnh thực thi cho motor nối vào chân cắm “M1” quay theo chiều lùi với mức cơng suất 100% Khối lệnh có chọn: + để chọn vị trí chân nối motor với vi mạch, gồm chân M1, M2, M3, M4 + ô để điền giá trị công suất từ 0% đến 100% Dùng để lệnh thực thi cho motor nối chân “M1” quay theo chiều lùi với mức công suất 100% thời gian giây Khối lệnh có chọn: + để chọn vị trí chân nối motor với vi mạch, gồm chân M1, M2, M3, M4 + ô để điền giá trị công suất từ 0% đến 100% PL68 + để điền thời gian quay, tính theo giây Nạp code cho mạch Arduino Bước 1: Kết nối mạch Arduino với máy tính thơng qua dây cáp USB Bước 2: Kết nối với Arduino phần mềm mBlock Chọn nút Connect Tick “Show all connected devices” để hiển thị tất thiết bị Conncect → Chọn thiết bị → Chọn PL69 Tiến hành nhấn nút Upload để nạp code vào mạch Arduino: ... HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH NGUYỄN ĐỨC ANH THIẾT KẾ CHỦ ĐỀ STEM ? ?XE ROBOT TỰ DÒ ĐƯỜNG” DÙNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI NHẰM BỒI DƯỠNG NĂNG LỰC GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ CHO HỌC SINH THCS Chuyên ngành: Sư phạm... 3.3 Kết khảo sát Kế hoạch dạy học chủ đề "Xe robot tự dò đường" 112 Bảng 3.4 Kết khảo sát Phương tiện, học liệu chủ đề "Xe robot tự dò đường" 113 Bảng 3.5 Kết khảo sát Công cụ đánh giá chủ đề "Xe. .. dựng nội dung chủ đề xe robot tự dò đường - Thiết kế tổ chức dạy học chủ đề STEM xe robot tự dị đường theo quy trình thiết kế kĩ thuật EDP: • Xây dựng hệ thống công cụ dạy học: dụng cụ xe, hướng