Tổ chức dạy học chủ đề “thiết bị chống trộm” theo định hướng giáo dục STEM cho học sinh lớp 7

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ ĐỖ HOÀNG PHÚC TỔ CHỨC DẠY HỌC CHỦ ĐỀ “THIẾT BỊ CHỐNG TRỘM” THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM CHO HỌC SINH LỚP KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đà Nẵng, 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ ĐỖ HOÀNG PHÚC TỔ CHỨC DẠY HỌC CHỦ ĐỀ “THIẾT BỊ CHỐNG TRỘM” THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM CHO HỌC SINH LỚP KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Sư phạm Vật Lý Khoá học: 2015 - 2020 Người hướng dẫn: TS PHÙNG VIỆT HẢI Đà Nẵng, 2020 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin cảm ơn Thầy hướng dẫn TS Phùng Việt Hải nhiệt tình đơn đốc hướng dẫn tơi q trình học tập, việc hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo, cô giáo Khoa Vật Lý – Trường Đại Học Sư Phạm Đà Nẵng tạo điều kiện giúp tơi q trình học tập nghiên cứu Mặc dù cố gắng để hồn thành khóa luận khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận thơng cảm góp ý q thầy bạn bè Tôi xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, tháng 06 năm 2020 Sinh viên thực Đỗ Hoàng Phúc I MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I MỤC LỤC II DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT IV DANH MỤC BẢNG BIỂU, DANH MỤC HÌNH V MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Tổng quan vấn đề nghiên cứu 2.1 Tình hình nghiên cứu giới 2.2 Tình hình nghiên cứu nước 3 Mục tiêu nghiên cứu 4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu .4 Nhiệm vụ nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 6.1 Phương pháp nghiên cứu lý luận .5 6.2 Phương pháp chuyên gia .5 6.3 Phương pháp thống kê toán học Bố cục đề tài khóa luận NỘI DUNG CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN DẠY HỌC THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM 1.1 Giáo dục STEM 1.2 Mục tiêu giáo dục STEM .7 1.3 Các kỹ STEM 1.3.1 Các kỹ sở STEM: 1.3.2 Các kỹ bổ trợ STEM: 1.4 Tiêu chí xây dựng chủ đề/bài học STEM: 1.5 Quy trình xây dựng chủ đề giáo dục STEM: .11 1.6 Tiến trình dạy học chủ đề/bài học STEM 13 1.7 Dạy học STEM để phát triển lực giải vấn đề sáng tạo học sinh 16 1.7.1 Khái niệm lực .16 1.7.2 Khái niệm lực giải vấn đề sáng tạo .16 II 1.7.3 Yêu cầu cần đạt lực giải vấn đề sáng tạo 17 CHƯƠNG THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH TỔ CHỨC DẠY HỌC CHỦ ĐỀ 18 “THIẾT BỊ CHỐNG TRỘM” THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM .18 CHO HỌC SINH LỚP 18 2.1 Mô tả chủ đề: 18 2.2 Mục tiêu: 19 2.2.1 Kiến thức: 19 2.2.2 Kĩ năng: .19 2.2.3 Định hướng phát triển lực: 19 2.2.4 Phân tích kiến thức liên quan theo định hướng giáo dục STEM 19 2.3 Tiến trình tổ chức hoạt động dạy học chủ đề 20 2.3.1 Bài GIỚI THIỆU CHỦ ĐỀ “THIẾT BỊ CHỐNG TRỘM” VÀ XÁC ĐỊNH YÊU CẦU CỦA SẢN PHẨM CHỦ ĐỀ 21 2.4.2 Bài GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO VÀ LẬP TRÌNH MẠCH SỬ DỤNG CẢM BIẾN 31 2.4.3 Bài VẬN HÀNH THIẾT BỊ CHỐNG TRỘM .44 2.4.4 Bài THIẾT BỊ CHỐNG TRỘM CỦA TÔI 45 2.4 Cách thức đánh giá chủ đề: .48 CHƯƠNG KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .52 3.1 Mục đích khảo sát 52 3.2 Phương pháp khảo sát 52 3.3 Phạm vi, đối tượng thời gian khảo sát 55 3.4 Kết khảo sát đánh giá 55 3.4.1 Kết khảo sát: 56 3.4.2 Phân tích kết khảo sát 57 3.4.3 Một số ý kiến chuyên gia .58 KẾT LUẬN 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 1.Tài liệu tiếng Việt 61 Tài liệu nước 61 Các trang web 62 PHỤ LỤC 1 Phụ lục Kết đánh giá từ chuyên gia .1 Phụ lục Tài liệu tham khảo chủ đề dành cho học sinh III DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Giải nghĩa BTVN Bài tập nhà CG Chuyên gia ĐHSP Đại học Sư phạm GQVĐ Giải vấn đề GV Giáo viên HS Học sinh IoT Internet kết nối vạn vật NXB Nhà xuất TC Tiêu chí 10 THCS Trung học sở 11 THPT Trung học phổ thông IV DANH MỤC BẢNG BIỂU, DANH MỤC HÌNH DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Chu trình STEM (theo https://www.knowatom.com) .6 Hình 1.2 Tiến trình dạy học STEM theo quy trình kỹ thuật 13 Hình 2.1 Phiếu học tập tuần 25 Hình 2.2 Gợi ý bố cục Poster .28 Hình 2.3 Phiếu đánh giá kỹ làm việc nhóm 29 Hình 2.4 Quá trình thực chương trình (arduino.vn) .32 Hình 2.5 Board test .33 Hình 2.6 Một số loại dây cắm board test (arduino.vn) 33 Hình 2.7 Sơ đồ lắp ráp linh kiện nhiệm vụ 2.1 34 Hình 2.8 Sơ đồ mạch nháy led .35 Hình 2.9 Chương trình mẫu điều khiển nháy đèn led 35 Hình 2.10 Sơ đồ mạch điện nhiệm vụ 2.1 36 Hình 2.11 Chương trình mẫu điều khiển led còi nhiệm vụ 2.2 37 Hình 2.12 Sơ đồ lắp ráp mạch sử dụng cảm biến còi 38 Hình 2.13 Chương trình mẫu mạch sử dụng cảm biến cịi 41 Hình 2.14 Lưu đồ chương trình mẫu BTVN tuần 42 Hình 2.15 Sơ đồ nối mạch mẫu BTVN 43 Hình 2.16 Mạch thiết bị chống trộm thực tế 44 Hình 2.17 Một số ứng dụng thực tế Arduino (http://arduino.vn) .46 Hình 2.18 Phiếu đánh giá kế hoạch dạy học chủ đề STEM 55 Hình 2.19 Biểu đồ thể kết khảo sát chủ đề .57 Hình 2.20 Ý kiến TS Lê Thanh Huy 58 Hình 2.21 Ý kiến ThS Nguyễn Thanh Diễm 59 Hình 2.22 Ý kiến ThS Chung Quang Tùng .59 Hình 2.23 Ý kiến ThS Nguyễn Thị Ngọc Thủy .59 DANH MỤC SƠ ĐỒ Sơ đồ 2.1 Cơ chế hoạt động mạch sử dụng cảm biến chuyển động 38 Sơ đồ 2.2 Lưu đồ lập trình mẫu mạch cảm biến còi 40 V DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Mục tiêu kiến thức STEM .7 Bảng 1.2 Yêu cần cần đạt lực GQVĐ sáng tạo cấp THCS 17 Bảng 2.1 Phân tích kiến thức chủ đề liên quan theo định hướng giáo dục STEM .19 Bảng 2.2 Khái quát tiến trình dạy học chủ đề “Thiết bị chống trộm” 20 Bảng 2.3 Bảng triển khai nhiệm vụ nhóm 28 Bảng 2.4 Kí hiệu linh kiện nhiệm vụ 2.1 34 Bảng 2.5 Lưu đồ thuật tốn phân tích chương trình nháy led 36 Bảng 2.6 Một số toán tử so sánh câu điều kiện 39 Bảng 2.7 Phân tích chương trình nhiệm vụ 2.4 .40 Bảng 2.8 Bảng tiêu chí đánh giá sản phẩm chủ đề 48 Bảng 2.9 Rubric đánh giá lực GQVĐ sáng tạo chủ đề 50 Bảng 2.10 Danh sách chuyên gia khảo sát chủ đề 55 Bảng 2.11 Tổng hợp kết đánh giá chuyên gia .56 VI MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Việt Nam q trình cơng nghiệp hóa – đại hóa, ngày phát triển để vươn hội nhập quốc tế Xu hướng phát triển xã hội đại phụ thuộc ngày nhiều vào tiến khoa học kỹ thuật Đặc biệt, cách mạng công nghiệp 4.0 với xu hướng phát triển dựa tích hợp lĩnh vực khoa học cơng nghệ cao, hướng tới phát triển trí tuệ nhân tạo, ngày tác động mạnh mẽ đến mặt đời sống xã hội Để bắt kịp nhịp phát triển giới, đào tạo nguồn nhân lực cho đất nước thời đại trước tiên phải có thay đổi theo hướng tích cực, đổi mới, sáng tạo giáo dục nước nhà Vì vậy, phương pháp dạy học phải thay đổi theo hướng đại, phát huy tính tích cực, tự chủ, sáng tạo học sinh, lấy học sinh làm trung tâm trình dạy học Quan điểm giáo dục STEM giải pháp làm tăng hiệu dạy học, phát triển lực học sinh Thông qua giải vấn đề thực tiễn, học sinh chủ động lĩnh hội kiến thức kỹ lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật Toán học, đồng thời nâng cao lực cốt lõi, lực đặc thù đáp ứng định hướng nghề nghiệp tương lai Mơ hình giáo dục STEM khơng cịn mơ hình giáo dục xa lạ trường phổ thông Việt Nam Chỉ thị 16/CT-TTg (04/5/2017) Thủ tướng Chính phủ việc tăng cường lực tiếp cận cách mạng công nghiệp lần thứ rõ nhiệm vụ Bộ Giáo Dục “Thúc đẩy triển khai giáo dục khoa học, cơng nghệ, kỹ thuật tốn học (STEM) chương trình giáo dục phổ thơng; tổ chức thí điểm số trường phổ thơng từ năm học 2017 – 2018” Việc triển khai giáo dục STEM nước đặt yêu cầu chủ đề STEM thiết thực mang tính giáo dục phù hợp với định hướng chương trình giáo dục [1] Trong thời đại kỷ nguyên công nghệ 4.0, giáo dục trọng đến phát triển phẩm chất lẫn lực học tập nhằm phát triển kiến thức, kỹ đức, trí, thể mỹ, tập trung phần thực hành, học sinh biết vận dụng kiến thức kỹ rèn luyện để giải vấn đề sống Nội dung giảng mở rộng, có tính phát triển q trình thực hiện, phù hợp với tiến khoa học cơng nghệ địi hỏi thực tế Học sinh tiếp cận với tư lập trình để sáng tạo sản phẩm thông minh phục vụ đời sống người nhà thông minh, vườn tưới thơng minh, hệ thống điện tự đóng ngắt, người máy sử dụng ngành y tế, xe tự hành.v.v Học sinh rèn luyện học tập tự chủ, sáng tạo, hợp tác, giải vấn đề thực tế, thể khả thân lĩnh vực ngôn ngữ, khoa học, công nghệ, tin học Lĩnh vực điện học cấp Trung học sở lĩnh vực quan trọng góp phần hình thành học sinh hiểu biết dòng điện, nguồn điện, tác dụng dòng điện, chất dẫn điện, chất cách điện, sơ đồ mạch điện, v.v Những kiến thức nguyên lý bên số thiết bị có tính ứng dụng cao sống thiết bị lọc bụi tĩnh điện, thiết bị phun sơn tĩnh điện hay lĩnh vực IoTs kiểu nhà thông minh.v.v Với lý trên, lựa chọn thực đề tài: Tổ chức dạy học chủ đề “Thiết bị chống trộm” theo định hướng giáo dục STEM cho học sinh lớp nhằm giúp học sinh vận dụng kiến thức vào thực tế đồng thời trải nghiệm, sáng tạo vấn đề lý thuyết để tạo sản phẩm liên quan đến chủ đề Tổng quan vấn đề nghiên cứu 2.1 Tình hình nghiên cứu giới Cuối thập niên 50 kỷ XX, giáo dục STEM xuất tất yếu khoa học Mỹ phát triển vũ bão[2] Kể từ đó, giáo dục STEM trở thành đề tài nhận nhiều quan tâm trường đại học sở giáo dục giới Riêng Mỹ, phủ có biện pháp nhằm nâng cao chất lượng khuyến khích hoạt động dạy – học STEM, ví dụ: Quỹ Khuyến khích Giáo viên (The Teacher Incentive Fund), Chương trình Hợp tác Tốn Khoa học (The Math and Science Partnerships program), v.v [3] Tại Anh, Giáo dục STEM pháp triển thành chương trình quốc gia với mục tiêu tạo nguồn nhân lực nghiên cứu khoa học chất lượng cao Chướng trình hành động Anh nhằm thúc đẩy giáo dục STEM gồm nội dung: Một là, tuyển dụng giáo viên giảng dạy STEM Theo đó, dạy tích hợp khơng phải giáo viên dạy nhiều môn học lúc mà giáo viên môn học khác phải hợp tác, xây dựng giảng để học sinh vận dụng kiến thức kỹ nhiều môn để giải vấn đề Hai là, bồi dưỡng nâng cao trình độ giáo viên Ba là, cải tiến làm phong phú chương trình học lớp học Bốn là, phát triển sở vật chất hỗ trợ cho việc dạy học [4] Những năm gần dây, nhiều nhà kĩ sư, khoa học thể quan tâm giáo dục STEM cho thiếu niên Cụ thể, năm 2013, Delores M Etter – kĩ sư, nhà khoa học giáo sư ngành kĩ thuật ứng dụng số cộng tác viên thiết lập website http://stem-works.com nhằm cung cấp nguồn tài liệu tham Cảm biến thân nhiệt chuyển động hay cảm biến chuyển động, viết tắt PIR ( Passive InfraRed sensor), cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích tia hồng ngoại Cảm biến gọi thụ động không dùng nguồn nhiệt tự phát (hay trực tiếp phát tín hiệu) mà hấp thụ từ nguồn nhiệt (đó thân nhiệt thực thể khác người, động vật) từ chuyển hóa thành tín hiệu điện [15] Cụ thể hơn, người động vật tới gần vùng làm việc cảm biến phát lượng nhiệt dạng xạ hồng ngoại, từ thấu kính Fresnel hội tụ tia hồng ngoại đưa vào cảm biến nhiệt điện, từ cảm biến cho xuất tín hiệu tín hiệu khuếch có biên độ đủ cao nhằm tác động vào thiết bị điều khiển hay báo động Cảm biến PIR (HC-SR501) gồm chân VCC (chân dương) GND (chân âm) dùng để làm chân cấp nguồn, chân OUT cho mức logic cao dùng để phát đối tượng Nhiệt độ hoạt động : 32-122 ° F Phạm vi phát : nhỏ 120 độ, độ xa tối đa 6m Cảm biến chuyển động PIR (HC-SR501) (create.arduino.cc) Ngoài cịn có chiết áp (biến trở) dùng để điều chỉnh độ nhạy cảm biến thời gian phát đối tượng (điều chỉnh thời gian trễ khoảng từ 0.5 giây đến 200 giây) Chế độ H: Lặp lại kích hoạt hết chuyển động Chế độ L: Khơng lặp lại kích hoạt [17] Có thể tìm hiểu thêm tại: https://create.arduino.cc/projecthub/electropeak/pirmotion-sensor-how-to-use-pirs-w-arduino-raspberry-pi-18d7fa PL7 III STT Các linh kiện khác: Tên linh kiện Hình ảnh Cấu tạo Board test dụng cụ giúp kết nối thiết bị điện với thông qua lỗ cắm, chia làm phần: a-d b-c - Với phần a-d, tất lỗ cắm linh kiện nối (dẫn điện) với Board test theo hàng ngang, hàng ngang canh khơng nối với - Với phần b-c, lỗ cắm linh kiện nối với theo hàng dọc, vcác hàng dọc khơng nối với - Đèn Led có cấu tạo bao gồm chân: chân dương cực chân âm cực - Thông thường chân dương cực có Đèn Led chiều dài dài chân âm cực - Ngồi có cách xác định khác: chân đèn có mặt vát phẳng chân âm cực (trong hình đế gắn) - Buzzer thiết bị phát âm Cịi báo (Cịi chíp, Buzzer) (tiếng bíp bíp) hay dùng mạch điện tử - Cịi báo có chân: chân dài (+) chân ngắn ( -) - Điện trở có nghĩa cản trở dòng điện Điện trở - Các giá trị điện trở khác có vạch màu khác PL8 IV Hướng dẫn thực chương trình điều khiển: Cấu trúc lập trình: Chương trình bắt đầu chạy từ câu lệnh đầu tiến đến câu lệnh cuối gặp lệnh lặp lại quay trở lại câu lệnh thực lại từ đầu cịn khơng chương trình kết thúc Để vẽ lưu đồ lập trình, cần nhớ tuân thủ ký hiệu sau đây: STT Ý nghĩa Ký hiệu Bắt đầu kết thúc chương trình Kiểm tra điều kiện Luồng liệu Yêu cầu thực Lưu đồ bên cấu trúc chương trình thực khối lệnh A, B, C gặp lệnh lặp lại quay trởlại thực khối lệnh A sẽlặp lặp lại hành động Quá trình thực chương trình Arduino mơ tả sơ đồ bên dưới: Trong chương trình Arduino, bạn cần có tối thiểu hàm hệ thống chính, bắt buộc phải có, setup() loop() PL9 - Những lệnh setup() chạy chương trình khởi động Có thể sử dụng lệnh để khai báo giá trị biến, khai báo thư viện, thiết lập thông số… - Sau setup() chạy xong, lệnh loop() chạy, chúng lặp lặp lại liên tục ngắt nguồn board Arduino - Bất bạn nút Reset, chương trình bạn trở lại trạng thái Arduino cấp nguồn Board Arduino (sử dụng phần mềm vẽ mạch minh họa) Các hàm ngơn ngữ lập trình Arduino liên quan đến chủ đề “Thiết bị chống trộm”: Tham khảo tập lệnh Arduino www.arduino.cc/reference/en số hàm giải thích chi tiết garretlab.web.fc2.com Phần sau diễn giải khái niệm mô tả hàm thao tác/thủ tục có liên quan đến chủ đề “Thiết bị chống trộm” PL10 Ý nghĩa Cú pháp Dùng để thích lưu ý nhiệm vụ hàm, chạy chương trình phần kiểm tra biên dịch // bỏ qua phần Quy định hoạt động chân kết nối pinMode(pin, mode); pin: chân kết nối mà bạn muốn thiết đặt mode: INPUT OUTPUT đầu vào (INPUT) đầu (OUTPUT) Ví dụ: pinMode(Led, OUTPUT); nghĩa thiết đặt chân kết nối Led đầu Dùng để khai báo giá trị (hoặc chân kết nối) biến Ví dụ: int Led = 7; nghĩa Led kết nối với chân digital board Aruino int var = val; var: tên biến val: giá trị digitalWrite(pin,value); pin: Số chân digital mà bạn muốn thiết đặt value: giá trị HIGH LOW Xuất tín hiệu chân digital, có giá trị HIGH LOW Nếu pin thiết đặt OUTPUT pinMode() xuất tín hiệu điện chân 5V (nếu xuất tín hiệu HIGH) 0V (nếu xuất tín hiệu LOW) Ví dụ: digitalWrite(Led, HIGH); nghĩa tín hiệu xuất chân kết nối Led có giá trị HIGH, lệnh dùng để bật đèn Led sáng int value = digitalRead(pin); pin: chân muốn đọc Dùng để đọc giá trị digital chân muốn đọc delay(ms); Dùng để tạm dừng chương trình thời gian định tính mili giây (ms) 1000 mili giây = giây if (biểu thức điều kiện) {[câu lệnh 1] } else { [câu lệnh 2] } Nếu biểu thức điều kiện trả giá trị TRUE, [câu lệnh 1] thực hiện, ngược lại, [câu lệnh 2] thực Đọc tín hiệu từ chân board Arduino (được thiết đặt INPUT) Dùng để xét giá trị cảm biến chuyển động PIR Các hàm liên quan đến chủ đề PL11 Chương trình điều khiển (code) nháy đèn led: int Led = 13; //khai báo led nối với chân digital 13 void setup() //hàm setup chạy lần khởi động chương trình { pinMode(13, OUTPUT); //thiết đặt led OUTPUT } void loop() //hàm loop chạy lặp lại liên tục đến kết thúc ngắt nguồn board { digitalWrite(Led,HIGH); // trạng thái điện chân 13 HIGH = cung cấp dòng điện 5V chân dương Led => (bật đèn Led sáng) delay(1000); //dừng 1000ms=1s (thấy đèn sáng 1s) digitalWrite(Led,LOW); // trạng thái điện chân 13 LOW = cung cấp dòng điện 0V chân dương Led => (tắt đèn Led) delay(1000); //dừng 1000ms=1s (thấy đèn tắt 1s) } Hướng dẫn nạp code vào board Arduino: Sau hoàn thành viết chương trình, ta phải nạp code cho mạch: Bước 1: Vào Tool → Chọn Board Port phù hợp với cổng máy tính sử dụng Bước 2: Kích chuột vào biểu tượng công cụ để nạp chương trình Bước 3: Chương trình nạp thành cơng xuất Done uploading bên PL12 Ý KIẾN CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN Nhận xét: (Về chất lượng Khóa luận cần) Ý kiến: Đánh dấu (X) vào ô lựa chọn Đồng ý thông qua báo cáo Không đồng ý thông qua báo cáo ., ngày tháng năm NGƯỜI HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) ... động dạy học chủ đề “Thiết bị chống trộm” theo định hướng giáo dục STEM Nhiệm vụ nghiên cứu − Nghiên cứu sở lý luận tổng quan giáo dục STEM − Thiết kế chủ đề dạy học “Thiết bị chống trộm” theo định. .. 17 CHƯƠNG THIẾT KẾ TIẾN TRÌNH TỔ CHỨC DẠY HỌC CHỦ ĐỀ “THIẾT BỊ CHỐNG TRỘM” THEO ĐỊNH HƯỚNG GIÁO DỤC STEM CHO HỌC SINH LỚP Tên chủ đề: THIẾT BỊ CHỐNG TRỘM (Số tiết: 06 tiết – Lớp 7) 2.1 Mô tả chủ. .. lý luận dạy học theo định hướng giáo dục STEM − Chương – Thiết kế tiến trình tổ chức dạy học chủ đề “Thiết bị chống trộm” theo định hướng giáo dục STEM cho học sinh lớp − Chương – Khảo sát đánh