Nhóm tác giả đề xuất thiết kế, xây dựng phần cứng và chương trình phần mềm cho các robot dưới dạng module người học có thể thực hành tự lắp ráp, đồng thời người học có thể tự lập trìn[r]
(1)PHÁT TRIỂN CÁC ROBOT CHO GIÁO DỤC STEM VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN TRIỂN KHAI TRONG CÁC TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
DEVELOPING ROBOTS FOR STEM EDUCATION AND PROPOSING IMPLEMENTATION PLANS IN HIGH SCHOOLS
Lê Mỹ Hà, Ngô Văn Thuyên, Hoàng An Quốc, Vũ Thị Thanh Thảo
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, Việt Nam
Ngày soạn nhận 20/12/2019, ngày phản biện đánh giá 10/01/2020, ngày chấp nhận đăng 4/2/2020
TÓM TẮT
Trong báo này, nhóm tác giả nghiên cứu phát triển Robot giáo dục STEM
(Science, Technology, Engineering, Math) nhằm giúp học sinh THPT làm quen với STEM và định hướng nghề nghiệp Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào hai hướng chính: (1) Hồn thiện nâng cao hiệu Robot giáo dục STEM cho học sinh trung học phổ thông, (2) Đề xuất phương án triển khai áp dụng robot Nhóm tác giả đề xuất thiết kế, xây dựng phần cứng chương trình phần mềm cho robot dạng module người học thực hành tự lắp ráp, đồng thời người học tự lập trình tính bản Robot Sau hồn thành thiết bị phần cứng, nhóm tác giả tiến hành xây dựng kế hoạch triển khai số trường trung học phổ thông địa bàn Tp.HCM
Từ khóa: STEM; Robot; phương án triển khai áp dụng; trung học phổ thông.
ABSTRACT
In this paper, the authors developed robot models to attract high school students to familiarize themselves with STEM (Science, Technology, Engineering, Math) The objectives of the study focus on two main directions: (1) Complete and improve the effectiveness of STEM education Robot for high school students, (2) proposing implementation plans in high schools The authors propose designing, building hardware and software programs for models in the form of modules that learners can practice assembling themselves, and learners can program the basic features on their own by this model After the completion of hardware equipment, the authors develop the implementation plan at some high schools in Ho Chi Minh City
Keywords: STEM; teaching model; deployment and application solutions; high school
students
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, phát triển mạnh mẽ công nghiệp 4.0 giới quan tâm Tại Việt Nam, phủ ngành bàn nhiều công nghiệp 4.0 làm để Việt Nam hòa nhịp giới cách mạng Giáo dục đào tạo ngành STEM đóng vai trị đặc biệt quan trọng kinh tế tri thức, quan trọng Việt Nam muốn thành công công đưa đất nước
(2)châu Phi Như vậy, không tập trung vào chương trình giáo dục STEM từ khả thất nghiệp diện rộng điều cảnh báo từ sớm Việt Nam vừa ban hành chương trình giáo dục phổ thơng mới, trọng đào tạo công nghệ thông tin, khoa học cơng nghệ thiết kế, sáng tạo Các khóa đào tạo ngắn STEM, IoT cho học sinh phổ thông giúp định hướng nghề nghiệp sớm, tạo đam mê cho học sinh lĩnh vực STEM
2 KHÁI QUÁT VỀ GIÁO DỤC STEM TẠI VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 2.1 Tình hình nước
Ngày nay, tác động cách mạng công nghiệp 4.0 giới, trường học sở giáo dục Việt Nam bắt đầu tiến hành thử nghiệm áp dụng thử nghiệm chương trình giáo dục STEM cho học sinh phổ thông nhằm nâng cao lực người học đáp ứng yêu cầu chất lượng nguồn nhân lực xã hội Dự thảo chương trình giáo dục phổ thơng Việt Nam trọng đào tạo công nghệ thông tin, khoa học công nghệ thiết kế, sáng tạo Trước nhu cầu cấp bách đào tạo STEM, Chính phủ ban hành Chỉ thị số 16/CT-TTg ngày 04/5/2017 Thủ tướng Chính phủ việc tăng cường lực tiếp cận cách mạng công nghiệp lần thứ 4, Bộ Giáo dục Đào tạo ban hành Công văn số 4325/BGDĐT-GDTrH Bộ GD&ĐT việc hướng dẫn thực nhiệm vụ giáo dục trung học năm học 2016-2017 Thành phố Hồ Chí Minh triển khai hoạt động đào tạo STEM cho học sinh trung học Văn số 2940/GDĐT-TrH ngày 01/9/2016 Sở GDĐT thành phố Hồ Chí Minh hướng dẫn thực nhiệm vụ chuyên môn Bậc Trung học năm học 2016- 2017
Nhìn chung nghiên cứu xây dựng sân chơi nhằm thu hút đối tượng học sinh phổ thông tham gia vào lĩnh vực STEM ỏi phạm vi nước Việt Nam Một số trường trung học phổ thông thuộc thành phố lớn Hà Nội Thành Phố Hồ Chí Minh trường Hà Nội - Amsterdam, Tạ Quang Bửu, Olympia, (Hà Nội), Trần Đại
Nghĩa, Bùi Thị Xuân, Nguyễn Gia Thiều (TPHCM) tổ chức câu lạc học thuật cho học sinh liên quan đến STEM Trong năm 2016, trường Đại học Sài Gòn diễn ngày hội STEM với tham gia đông đảo học sinh phổ thông trung học hình thức lắp ghép robot robot LEGO (Hình 1) Ngày 14/5/2017 trường Đại học Khoa Học Công Nghệ Hà Nội tổ chức thành công ngày hội STEM với tham gia hàng ngàn học sinh, phụ huynh quan tâm đến tham dự (Hình 2)
2.2 Tình hình giới
Việc áp dụng chương trình giáo dục STEM Trung học Phổ thông diễn sôi dẫn đầu nước có giáo dục tiên tiến Bản đồ giới số lượng tốt nghiệp liên quan đến STEM trình bày Hình
Hình Các học sinh phụ huynh tham gia
ngày hội STEM Hà Nội
Hình Các học sinh phụ huynh tham gia
(3)Ngồi có thống kê khác năm 2011 số lượng tốt nghiệp liên quan đến STEM 100,000 dân số tuổi từ 20 đến 39 trình bày bảng Hình 4, trích dẫn từ: “Statistics Canada; OECD; The Conference Board of Canada” Các nhóm
việc làm liên quan đến ngành ghề STEM dự đoán tăng lên nhanh chóng giai đoạn 2012-2022 Bảng thống kê tăng trưởng nhu cầu việc làm trình bày Hình trích dẫn từ: “U.S Bureau of Labor and Statistics, Employment Projections Program”
Tại Mỹ chương trình giáo dục STEM áp dụng cho nhiều cấp học kể tiểu học, mang lại hội học STEM nhà trường cho tất học sinh Trong ngân
sách năm 2012, Tổng thống Barack Obama đổi tên mở rộng "Chương trình Hợp tác Tốn học Khoa học" (MSP) để cấp khoản tài trợ cho bang để nâng cao giáo dục giáo viên để phục vụ phát triển chương trình giáo dục phổ thông [1] Thông thường Giáo dục STEM thường sử dụng công nghệ máy in 3D, Robot, Điều khiển để thu hút quan tâm học sinh lĩnh vực STEM [2] Năm 2006, Uỷ ban Khoa học, Kỹ thuật Chính sách cơng xây dựng danh sách 10 hành động với khuyến nghị hàng đầu có đề cập đến tăng cường giáo dục khoa học toán cho học sinh giáo viên giảng dạy [3] Các tiểu bang California, điều hành chương trình STEM thí điểm sau học để tìm hiểu hoạt động tiềm làm để thực chúng để tăng hội thành công học sinh [4] Một tiểu bang khác đầu tư vào Giáo dục STEM Florida, nơi trường đại học kỹ thuật Florida trường đại học công lập kỹ thuật công nghệ dành cho STEM thành lập [5] Giáo dục STEM liên tục mở rộng đến cấp độ sau trung học thơng qua chương trình thạc sĩ Chương trình STEM Đại học Maryland [6] Đại học Cincinnati [7] Canada xếp đứng thứ 12 số 16 nước tỷ lệ sinh viên tốt nghiệp theo học chương trình STEM với 21,2%, cao Hoa Kỳ, thấp nước Pháp, Đức Áo Đặc biệt hơn, Phần Lan có tỉ lệ sinh viên học STEM cao với 30% sinh viên tốt nghiệp đại học đến từ ngành khoa học, toán học, khoa học máy tính, chương trình kỹ thuật [8] Tổ chức hướng đạo sinh Canada áp dụng biện pháp tương tự để thúc đẩy lĩnh vực STEM cho thiếu niên năm 2015 [9]
Như vậy, nước có giáo dục hàng đầu giới có hành động mạnh mẽ cụ thể đề đẩy mạnh việc đưa chương trình STEM vào giáo dục phổ thơng để tạo nguồn nhân lực làm việc Khoa học kỹ thuật trình độ cao nhằm thúc đẩy phát triển bền vững khoa học kỹ thuật quốc gia
Hình 3. Bản đồ phát triển STEM giới
Hình 4. Thống kê số lượng tốt nghiệp
STEM 100,000 dân năm 2011
Hình 5. Thống kê tăng trưởng nhu cầu
(4)3 PHÁT TRIỂN CÁC LOẠI ROBOT CHO GIẢNG DẠY STEM
3.1 Vai trò việc sử dụng Robot giáo dục STEM
Với tính chất đa ngành, Robot cung cấp mơ trường học mang tính xây dựng, phù hợp cho việc lĩnh hội kiến thức mơn Khoa học, Cơng nghệ, Kỹ thuật Tốn học (STEM) [10] Robot tỏ đặc biệt hiệu việc dạy STEM, cho phép học sinh thực hành ứng dụng thực tế khái niệm kỹ thuật công nghệ; đồng thời giúp giảm bớt tính chất trừu tượng khoa học toán học Trong thực tế, nhiều hoạt động Robot làm tiền đề dẫn đến cải tiến vượt bậc khoa học, cơng nghệ, kỹ thuật tốn học [11] Robot có tiềm lớn để trở thành học phần bổ sung hiệu cho giáo dục truyền thống Tính hữu hình robot phấn khích mà chúng mang vào mơi trường lớp học coi thuận lợi cho việc học tập học sinh [12]
3.2 Các loại Robot điển hình cho giáo dục STEM
LEGO NXT
Mô-đun học tập Lego Mindstorms [13] bao gồm máy vi tính (NXT EV3), phần tử LEGO (trục, đầu nối, bánh xe, bánh răng, v.v.), cảm biến loại động cần thiết cho học sinh lắp ráp lập trình Sản phẩm kèm cảm biến cảm biến cảm ứng, âm thanh, siêu âm, ánh sáng quay hồi chuyển Hình (Nguồn: https://wikipedia.com) minh họa Robot chế tạo với Lego NXT Bộ điều khiển lập trình gói phần mềm có tên NXT G với chất ngơn ngữ lập trình đồ họa [14] Lập trình đồ họa thích hợp để giới thiệu lập trình khái niệm cho sinh viên cấp độ bắt đầu giáo dục robot [15] Các thực hành ý nghĩa Mơ-đun LEGO NXT là: (1)
Chuyển động chiều tác động một gia tốc không đổi: học vật lý, lực học; (2) Biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC): xử lý tín hiệu cảm biến
lập trình nhúng Ngồi ra, giáo trình hướng dẫn LEGO NXT cung cấp nhiều chủ đề để làm quen với robot lập trình cho tất học sinh
VEX Cortex
Theo tài liệu giáo dục nay, nhiều tổ chức áp dụng Robot VEX vào chương trình giảng dạy họ để tăng cường học tập STEM [16] Mơ-đun Robot VEX có thiết kế khung cứng nhắc xử lý mạnh mẽ đạt phổ biến thi robot cấp độ K12 đại học để mở rộng tham gia STEM Mô-đun Robot VEX sử dụng để phát triển kiến thức làm việc phần cứng phần mềm máy tính dạy kỹ giải vấn đề giáo dục STEM Hình hình ảnh robot học tập xây dựng với tảng VEX Cortex có tên gọi Boe-Bot (Nguồn: https://www.parallax.com)
Mặc cho tính vượt trội Robot áp dụng vào chương trình giảng dạy STEM cho học sinh Trung học Phổ thơng, khơng dễ để sở hữu loại robot đại Việt Nam yếu tố giá thành độ sẵn có thị trường Ngồi ra, việc sử dụng Robot đại có hạn chế lớn khả linh hoạt lập trình Do phần mềm lập trình nhà sản xuất thiết kế tối ưu cho hệ thống phần cứng họ nên việc ta muốn can thiệp vào hệ thống sáng tạo ứng dụng khác khó khả thi Vì lý trên, việc nghiên cứu mơ hình Robot lắp rắp từ mơ-đun
(5)linh kiện có sẵn trường Việt Nam lập trình đơn giản trở nên quan trọng việc áp dụng Robot vào giảng dạy môn học STEM trường Trung học Phổ thông Trong nghiên cứu này, hai loại Robot phù hợp cho học sinh Trung học Phổ thông môi trường đào tạo Việt Nam đề xuất Các Robot đề xuất thiết kế đơn giản, dễ tiếp cận học sinh Việt Nam hoạt động có ý nghĩa tương ứng giống với Mô-đun học tập tiên tiến giới
3.3 Phát triển Robot cho giáo dục STEM trong trường THPT Việt Nam a Quy trình phát triển Robot cho
giáo dục STEM
Mục tiêu nghiên cứu dùng robot thu hút học sinh phổ thông đến với STEM Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào hai hướng chính: (1) Hồn thiện nâng cao hiệu robot giáo dục STEM cho học sinh trung học phổ thông, (2) Đề xuất giải pháp triển khai áp dụng robot vào hoạt động ngoại khóa trường Trung học phổ thơng Hướng thứ nhất, nhóm tác giả đề xuất thiết kế, xây dựng phần cứng chương trình phần mềm cho robot dùng giáo dục STEM phù hợp với khả nhiều lứa tuổi học sinh Các robot có dạng module người học thực hành tự lắp ráp, đồng thời người học tự lập trình tính robot thực tế Hướng thứ hai, sau hồn thành thiết bị phần cứng, nhóm nghiên cứu, xây dựng kế hoạch triển khai trường trung học phổ thơng địa bàn TPHCM sau nhân rộng nước đặc biệt vùng xa khu vực đô thị Lưu
đồ thực trình bày tóm gọn Hình
Việc triển khai giảng dạy STEM dự kiến thực trường trung học phổ thơng có hợp tác với Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Chương trình thực độc lập lồng ghép vào buổi tư vấn tuyển sinh nhà trường dịp sinh hoạt ngoại khóa học sinh trại hè nghiên cứu khoa học Sau nhận thông tin phản hồi, nhóm nghiên cứu thực hiệu chỉnh robot thông qua phiếu đánh giá vấn đáp trực tiếp Các trường dự kiến chọn thử nghiệm Trường PTTH Long Trường, Quận 9, TP.HCM, Trường PTTH Nguyễn Hữu Huân, Quận Thủ Đức, TP.HCM Đồng thời Công ty TNHH Hồng Việt Thanh hỗ trợ chuyển giao cơng nghệ cho sở giáo dục đào tạo khác có nhu cầu giảng dạy STEM b Xây dựng phần cứng Robot cho
giáo dục STEM
Loại Robot thứ đề xuất cho
việc giảng dạy STEM “Robot dò đường”,
được xây dựng theo Mô-đun giúp học sinh tự lắp ráp thực hành Loại Robot có khả lập trình Khi
Hình 7. Robot VEX Cortex Boe-Bot
Khảo sát thực trạng sử dụng Robot giáo dục STEM
Đề xuất loại Robot cho giáo dục STEM
Xây dựng phần cứng viết chương trình chức Robot
Thử nghiệm hoạt động phần cứng chức Robot
Chỉnh sửa hoàn Robot cho giáo dục STEM
Hình 6. Quy trình phát triển loại Robot
(6)học sinh muốn Robot vận hành theo mong muốn bắt buộc phải suy luận, dùng tư tốn học, kỹ lập trình để lập trình cho Robot Ngồi ra, để Robot di chuyển tốt mê cung, người học cần kiến thức chuyên ngành Điều khiển Tự động Hình ảnh Robot dị đường mơ-đun linh kiện trình bày Hình Bảng
Bảng 1. Danh sách linh kiện cần thiết để lắp
ráp Robot dò đường
Stt Linh kiện
1 Arduino Uno R3
2 Cảm biến siêu âm HC-SR04
3 Động DC giảm tốc
4 Nguồn điện – Pin 12V
5 Mạch điều khiển động L298N
6 Dây điện kết nối
Loại Robot đề xuất thứ hai “Robot khiêu vũ” hình 10 Loại mơ hình xây dựng theo Mô-đun riêng biệt, người dùng tự lắp ráp vận hành Điểm thú vị điệu khiêu vũ thay đổi tùy theo chương trình học sinh lập trình cho Robot Thử thách Robot bạn học sinh phải lập trình thời gian động tác cho khớp với tiếng nhạc
Bảng 2. Danh sách linh kiện cần thiết để lắp
ráp Robot khiêu vũ
Stt Linh kiện
1 Bộ khung Robot người bậc tự
2 Arduino Uno R3
3 Servo RC MG996R
4 Dây cắm kết nối
5 Mô-đun điều khiển Servo PCA9685
(a)
(b)
Hình 7 Mơ hình robot dị đường (a) Mơ
hình robot sau lắp ráp hoàn chỉnh, (b) Linh kiện cần thiết để lắp ráp mơ hình
(b)
Hình 8.Mơ hình robot Dancing (a) Mơ
hình robot sau lắp ráp hoàn chỉnh, (b) Linh kiện cần thiết để lắp ráp mơ hình
(7)Các Robot sau lập trình hồn thiện đưa vào hoạt động thi đấu để học sinh học hỏi lẫn cách thức lập trình tự đánh giá kiểm chứng, so sánh kết Tư quy trình thiết kế kỹ thuật (Engineering Design Process) tư theo hướng thiết kế để giải vấn đề (Design thinking) vận dụng hoạt động thực hành Các phương pháp giảng dạy theo hướng học theo dự án (Project based learning) nghiên cứu kỹ để đưa phương pháp sư phạm phù hợp nhằm khuyến khích học sinh tham gia vào STEM lựa chọn nghề nghiệp sau Tài liệu giảng dạy biên soạn nhằm chuyển giao cho đối tượng mong muốn giảng dạy lĩnh vực trường phổ thông sở giáo dục khác Bảng tóm tắt hoạt động học sinh kỹ cần thiết học sinh thực nội dung thực hành
Bảng 3. Nội dung thực hành cho Robot
Dancing Robot dò line
Bước Hoạt động Kỹ
1
Xác định phương pháp tiếp cận vấn đề: Làm để lắp ráp Robot cách
Khả
giải
vấn đề, tìm logic
hệ thống
Robot
2
Thực lắp ráp
phần cứng
Robot
Áp dụng kỹ láp ráp, khí
3
Lắp đặt hệ thống điện, điều khiển Arduino kết nối động
Kiến thức điện, điện tử động
4
Viết chương trình điều khiển cho Robot phần mềm Arduino IDE
Kiến thức lập trình bản, ngơn ngữ lập trình C
5
Nạp chương trình điều khiển chạy thử Robot
Kỹ lập
trình nhúng
và khả gỡ lỗi
Bước Hoạt động Kỹ
6
Lập trình động tác cho
Robot Dancing
(tiến, lùi, bước sang trái/phải) Lập trình hoạt động chạy tới, lùi, rẽ trái, phải, thay đổi tốc độ Robot dò đường
Khả tự
phát triển
những
chương trình nâng cao cho Robot
7
Thực hành tác vụ theo yêu cầu khác
Kỹ lập luận giải vấn đề hoàn chỉnh c Xây dựng chức Robot
cho giáo dục STEM
Sau hồn thành cơng đoạn lắp ráp phần cứng, hai Robot lập trình điều khiển để thực thử nghiệm Cơng việc lập trình thực thơng qua phần mềm Arduino IDE Đây phần mềm mã nguồn mở, loại đơn giản cho đối tượng người bắt đầu học lập trình Robot Hình 11 giao diện Arduino IDE
Đối với Robot dị đường, mục tiêu lập trình cho Robot có khả tự động di chuyển bám tường sa hình dạng mê cung đơn giản Hình 12 thể trình thực phần “tìm đường mê cung” Robot dị đường sa hình xoắn ốc