Raspberry Pi – giải pháp triển khai STEM Robotics trong dạy học ở trường phổ thông

STEM Robotics là điểm nhấn ấn tượng của giáo dục STEM. Học sinh sẽ sử dụng robot và các công cụ lập trình để mô phỏng và giải quyết vấn đề. Bài viết đề xuất Board mạch Raspberry Pi là giải pháp triển khai STEM Robotics trong dạy học ở trường phổ thông.

RASPBERRY PI – GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI STEM ROBOTICS TRONG DẠY HỌC Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG NGUYỄN TÚ HÀ Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế Email: nguyentuha@dhsphue.edu.vn Tóm tắt: STEM Robotics điểm nhấn ấn tượng giáo dục STEM Học sinh sử dụng robot cơng cụ lập trình để mơ giải vấn đề Điều buộc học sinh phải vận dụng tích hợp kiến thức lĩnh vực “Khoa học – Công nghệ – Kỹ thuật – Tốn học” để hồn thành dự án học tập Tuy nhiên, chi phí đầu tư dụng cụ thiết bị lại rào cản lớn để triển khai Trong báo này, đề xuất Board mạch Raspberry Pi giải pháp triển khai STEM Robotics dạy học trường phổ thơng Từ khóa: Dạy học, STEM, STEM Robotics, Raspberry Pi ĐẶT VẤN ĐỀ Giáo dục STEM chìa khóa cho đổi tăng trưởng kinh tế giới kết nối, mà người bao quanh cơng nghệ sáng tạo [1], [6] STEM Robotics môn học dành cho đối tượng học sinh từ lớp trở lên, STEM Robotics đáp ứng chương trình ngoại khóa khóa cho em học sinh từ lớp đến lớp 12 [2] Đây môn quan trọng học sinh thời đại công nghệ 4.0 Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật, thiết bị ngày thu nhỏ kích thước đáp ứng tốt yêu cầu cần có Raspberry Pi ví dụ điển hình, với kích thước thẻ tín dụng có nhiều tính hấp dẫn tương tự máy tính [8] Ngồi ra, Raspberry Pi cịn tích hợp thêm hệ thống IO giúp cho người sử dụng thỏa sức sáng tạo phát triển ứng dụng Raspberry Pi Board Raspberry Pi với vi xử lý SoC Broadcom BCM2835 (là chip xử lí mobile mạnh mẽ có kích thước nhỏ hay dùng điện thoại di động) bao gồm CPU, GPU, xử lí âm thanh/video tính khác… tất tích hợp bên chip có điện thấp Chi phí đầu tư cho Board Raspberry Pi thấp, lại kèm với nhiều chức nên Raspberry Pi thích hợp để đưa vào chương trình học tập nghiên cứu trường học, thiết bị để người đam mê điện tử lập trình thỏa sức sáng tạo Raspberry Pi xem giải pháp để tổ chức dạy học STEM Robotics cho học sinh THPT bối cảnh STEM Robotics cịn nhiều khó khăn chưa phổ biến Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế ISSN 1859-1612, Số 2(58)/2021: tr.84-91 Ngày nhận bài: 09/3/2021; Hoàn thành phản biện: 25/3/2021; Ngày nhận đăng: 26/3/2021 RASPBERRY PI – GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI STEM ROBOTICS TRONG DẠY HỌC… 85 NỘI DUNG 2.1 STEM Robotics Trên giới, giáo dục STEM coi cải cách giáo dục mang tính đột phá với mục tiêu xác lập vững vị quốc gia kinh tế, khoa học, công nghệ đào tạo nguồn lao động chất lượng thuộc lĩnh vực STEM Cho đến nay, việc làm thuộc lĩnh vực STEM dự báo mở rộng phát triển nhanh Mỹ – nơi khởi nguồn giáo dục STEM Không thế, dự đoán tương tự nước phát triển khác Úc, Anh, Pháp, Canada, Singapore, Thái Lan… [1], [6] Giáo dục STEM trường trung học quan điểm dạy học định hướng phát triển lực học sinh thuộc lĩnh vực Khoa học, Công nghệ, Kỹ thuật Tốn học Trong đó, học sinh tham gia hoạt động STEM, chủ yếu thực hành hoạt động trải nghiệm nhằm tạo sản phẩm, phục vụ cho sinh hoạt học tập, hay hoạt động hướng đến giải vấn đề thực tiễn [3] Theo GS Nguyễn Minh Thuyết, Chương trình Giáo dục phổ thơng mới, vai trị giáo dục STEM thể điểm sau: “Có đầy đủ môn học STEM; …Yêu cầu dạy học tích hợp đổi phương pháp giáo dục Chương trình GDPT mới, tạo điều kiện tổ chức chủ đề STEM chương trình mơn học, góp phần phát triển lực cho học sinh…” [9] Trong vài năm trở lại đây, STEM xuất Việt Nam trở thành hoạt động giáo dục thức chưa phổ cập rộng rãi mà số tỉnh, thành phố thí điểm Gần đây, việc đẩy mạnh tăng cường giáo dục STEM giáo dục trung học Bộ Giáo dục Đào tạo đạo hướng dẫn thực năm học 2020- 2021, nhằm góp phần thực mục tiêu Chương trình giáo dục phổ thơng năm 2018 [4], [5] Do cho thấy STEM giáo dục STEM nghiên cứu cách sâu sắc, nghiêm túc với phạm vi ngày rộng rãi ứng dụng sâu rộng vào thực tế STEM Robotics môn học dành cho học sinh từ lớp trở lên STEM Robotics đáp ứng chương trình ngoại khóa khóa cho em học sinh từ lớp đến lớp 12 Đây môn quan trọng học sinh thời đại công nghệ phát triển 4.0 Người học phải làm quen dần với ngôn ngữ lập trình Chương trình STEM Robotics phát triển tổ chức Robomatter thuộc Học viện Robotics trường Đại học Carnegie Mellon (Mỹ) [2], [8] Robomatter tổ chức đầu nghiên cứu áp dụng robot môi trường học tập nhằm tạo động lực cho học sinh giáo viên việc dạy học lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật tốn học [8] Các học chương trình STEM Robotics xây dựng theo chủ đề dựa vấn đề thực tiễn Học sinh từ sử dụng robot cơng cụ lập trình để mô Điều cho phép học sinh học kiến thức tích hợp lĩnh vực Cơng nghệ - Kỹ thuật - Khoa học - Toán học lĩnh vực lĩnh vực giáo dục STEM 86 NGUYỄN TÚ HÀ Với cách tiếp cận “Hand-on, mind-on” (thực hành, động não) hoạt động học STEM Robotics khuấy động trí tưởng tượng khả sáng tạo học sinh tham gia vào học Cách tiếp cận STEM Robotics giúp học sinh học cách vui vẻ việc thiết kế, xây dựng lập trình cho robot hoạt động, đồng thời liên hệ với hoạt động giới tự nhiên với học sinh STEM Robotics thiết kế phù hợp với học sinh có khơng có kinh nghiệm lập trình mong muốn học kiến thức lập trình Ngồi ra, STEM Robotics cịn hỗ trợ trang bị kiến thức cho người chưa biết lập trình từ đơn giản đến phức tạp, tạo điều kiện cho người học tiếp cận sau phát triển Hình Tầm quan trọng STEM Robotics người học 2.2 Giới thiệu Raspberry Pi Hình Rasberry Pi loại cổng kết nối Raspberry Pi máy tính kích thước nhỏ (kích thước hai cạnh cỡ thẻ ATM) tích hợp nhiều phần cứng mạnh mẽ đủ khả chạy hệ điều hành cài đặt nhiều ứng dụng [8] Với giá vài chục USD, Raspberry minicomputer bật Ban đầu, tổ chức Raspberry Pi Foundation phát triển dự án Raspberry với mục tiêu giảng dạy máy tính cho trẻ em tạo RASPBERRY PI – GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI STEM ROBOTICS TRONG DẠY HỌC… 87 cơng cụ hỗ trợ có chi phí thấp để sinh viên nghiên cứu học tập Tuy nhiên, sau xuất hiện, Raspberry Pi cộng đồng đánh giá cao tính ứng dụng với phần cứng hỗ trợ tốt, nhanh chóng phát triển cách rộng rãi Raspberry Pi phù hợp cho ứng dụng cần khả xử lý mạnh mẽ, đa nhiệm giải trí đặc biệt cần chi phí thấp Hiện có hàng ngàn ứng dụng đa dạng cài đặt Rasberry Pi Raspberry Pi không thay hoàn toàn hệ thống để bàn máy xách tay Tuy nhiên Raspberry Pi thiết bị đa đáng ngạc nhiên với nhiều phần cứng chi phí thấp hồn hảo cho hệ thống điện tử, dự án DIY, thiết lập hệ thống tính tốn rẻ tiền cho học trải nghiệm lập trình… Phiên Raspberry Pi phát hành tháng năm 2012, tới có nhiều phiên khác Có phiên model Raspberry Pi bao gồm Model A Model B, tên model dược đặt theo tên BBC Micro [8] Model B bao gồm: - SoC 700MHz với 512MB RAM - cổng HDMI cho đầu âm thanh/video số - cổng video RCA cho đầu video Analog - 02 cổng USB - 01 cổng Ethernet LAN - 01 đầu đọc thẻ nhớ SD để tải hệ điều hành - 01 giao diện GPIO (General Purpose Input/Output) - Jack Headphone Stereo 3.5mm cho đầu âm Analog Ngoài thành phần tương tự trên, Model A có cổng USB khơng có cổng Ethernet Hai loại model Raspberry Pi Model A Model B nâng cấp lên A+ B+ Trên nâng cấp có số cải tiến nhỏ, chẳng hạn tăng số cổng USB mức tiêu thụ lượng cải thiện, đặc biệt phiên B+ Với nâng cấp phần cứng, hướng tới mục tiêu khác Phiên theo thứ tự mắt là: Pi A → Pi A+ → Pi B → Pi 1B+ → Pi 2B → Pi Zero → Pi 3B→ Pi 4B Có nhiều hệ điều hành cho Pi như: - Raspbian: OS thức, giao diện giống Windows/Mac/Linux - OSMC: tích hợp KODI, dùng làm máy xem phim, nghe nhạc - RetroPie: dùng làm máy chơi game, hỗ trợ nhiều hệ máy khác - Ngồi cịn có Ubuntu, Windows 10 IoT, RiscOS Raspbian OS thức dành cho Pi Cách cài đặt đơn giản, cần tải Raspbian về, giải nén, copy vào thẻ nhớ microSD gắn thẻ vào máy Pi hoàn thành cài đặt xong 88 NGUYỄN TÚ HÀ 2.3 Đề xuất số ứng dụng Raspberry Pi để triển khai STEM Robotics dạy học trường phổ thông Với lợi ích mà mơn học STEM Robotics mang lại, có nhiều trường phổ thơng thành phố lớn triển khai môn học học ngoại khóa Tuy nhiên, khó khăn việc triển khai mơn học chi phí đầu tư ban đầu để mua thiết bị lớn Vì vậy, đề xuất việc ứng dụng Board mạch Raspberry Pi để xây dựng số dự án cho chương trình học STEM Robotics Đây giải pháp làm giảm nhiều chi phí đầu tư, nâng cao hiệu tính khả thi để triển khai STEM Robotics Trong thực tế, Raspberry Pi ứng dụng, như: - Đầu coi phim HD giống Android Box, hỗ trợ KODI đầy đủ - Máy chơi game cầm tay, console, game thùng Chơi máy điện tử băng ngày xưa, giả lập nhiều hệ máy - Cắm máy tải Torrent 24/24 - Dùng làm VPN cá nhân - Biến ổ cứng bình thường thành ổ cứng mạng (NAS) - Làm camera an ninh, quan sát từ xa - Hiển thị thời tiết, hiển thị thông tin mạng nội - Máy nghe nhạc, máy đọc sách - Làm thành máy Terminal di động có hình, bàn phím, pin dự phịng để sử dụng lúc nơi, dò pass Wi-Fi - Làm thiết bị điều khiển Smart Home, điều khiển thiết bị điện tử nhà - Điều khiển robot, máy in không dây từ xa, Airplay Tuy nhiên, vào phù hợp đối tượng học sinh phổ thông, đề xuất số dự án không địi hỏi kiến thức lập trình mức độ cao, gắn liền với vấn đề thực tiễn Học sinh từ sử dụng Board Raspberry kết hợp với cấu khí, điện tử để chế tạo mơ hình robot lập trình Board Raspberry để mô phỏng, giải vấn đề đặt Điều cho phép học sinh học kiến thức tích hợp lĩnh vực Khoa học - Cơng nghệ - Kỹ thuật - Tốn học Một số dự án đề xuất: Hình Dự án điều khiển thiết bị qua điện thoại RASPBERRY PI – GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI STEM ROBOTICS TRONG DẠY HỌC… 89 - Các dự án nhà thông minh: Đây dự án thiết kế xây dựng mơ hình nhà thơng minh mà thiết bị nhà điều khiển từ xa, tự vận hành theo yêu cầu chủ nhà, an toàn tiết kiệm lượng, - Các dự án xe tự hành: Đây dự án thiết kế xây dựng mơ hình xe tự hoạt động theo yêu cầu đề ra: tự tránh vật cản, chạy theo đường line, … Hình Dự án xe tự hành - Các dự án cánh tay Robot: Đây dự án thiết kế xây dựng mô hình cánh tay robot thực thao tác gắp thả đồ vật theo yêu cầu Hình Dự án cánh tay Robot Trong khuôn khổ nội dung báo này, dự án nhà thông minh minh hoạ chi tiết, bao gồm: - Mô tả Xã hội phát triển kéo theo nhiều yêu cầu chất lượng sống Ở người muốn có sống tiện nghi, thoải mái Ai số mong muốn ngơi nhà nơi thoải mái, ấm cúng, tiện nghi đầy đủ, thiết bị nhà thơng minh, an tồn tiết kiệm lượng Vì mà xu hướng nhà thơng minh trở nên ngày phổ biến Học sinh tìm hiểu vận dụng kiến thức điện tử lập trình để thiết kế chế tạo nhà thông minh mà người sử dụng điều khiển, giám sát thiết bị điện từ xa Sau hoàn thành, học sinh thử nghiệm vận hành mơ hình tiến hành đánh giá chất lượng sản phẩm 90 NGUYỄN TÚ HÀ - Mục tiêu + Hiểu rõ kiến thức điện tử: module Wifi, Rơle, đèn LED, …; kiến thức lập trình + Tính tốn, vẽ sơ đồ thiết kế đề ra; rèn luyện kỹ lập trình; làm việc nhóm; trình bày, bảo vệ thiết kế sản phẩm mình, phản biện ý kiến thảo luận Thiết bị: Board mạch Raspberry Pi, module Wifi, Rơle, đèn LED, pin, dây dẫn, giấy bìa, keo, hồ dán, … Dự kiến sản phẩm: Mơ hình ngơi nhà thơng minh mà người sử dụng điều khiển, giám sát từ xa thông qua thiết bị điện KẾT LUẬN Ứng dụng Rasberry Pi triển khai STEM Robotics cung cấp cho học sinh tảng khoa học, vật lý, kiến thức tồn diện điện, điện tử tự động hóa, từ học sinh xây dựng ý tưởng thiết kế lắp ghép thành mơ hình Robot, hình thành tư lập trình điều khiển robot ứng dụng phục vụ nhu cầu thiết thực sống Đồng thời kết hợp với việc rèn luyện tư lập trình, kỹ lập trình ngơn ngữ Scratch Python (ngơn ngữ lập trình phổ biến dành cho người học) Do đó, Rasberry Pi xem giải pháp STEM Robotics, mang đến phương pháp giảng dạy hiệu thực tế giúp người học tiếp thu cách nhanh chóng, lại khơng địi hỏi q nhiều chi phí TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Biên, Tưởng Duy Hải (2019) Giáo dục STEM nhà trường phổ thông, NXB Giáo dục [2] Khine, M S., Khine, M S., Ohmer (2017) Robotics in STEM Education Springer [3] Bộ Giáo dục Đào tạo (2019) Tài liệu tập huấn Dạy học môn khoa học trường trung học theo định hướng STEM Hà Nội [4] Bộ Giáo dục Đào tạo (2020) Triển khai thực giáo dục STEM giáo dục trung học, số: 3089/BGDĐT-GDTrH, ngày 14/8/2020 [5] Bộ Giáo dục Đào tạo (2020) Hướng dẫn thực nhiệm vụ giáo dục trung học năm học 2020-2021, số: 3414/BGDĐT-GDTrH, ngày 04/9/2020 [6] Kennedy, T J., & Odell, M R L (2014) Engaging students in STEM education, Science Education International, 25(3), 246-258 [7] Nugent, G., Barker, B., Grandgenett, N., & Adamchuk, V I (2010) Impact of robotics and geospatial technology interventions on youth STEM learning and attitudes, Journal of Research on Technology in Education, 42(4), 391-408 [8] Zhao, C.W., Jegatheesan, J., Loon, S.C (2015) Exploring iot application using raspberry pi, International Journal of Computer Networks and Applications, 2(1), 27-34 [9] Trung tâm Truyền thông Giáo dục (2017) Giáo dục STEM chương trình giáo dục phổ thông mới, 2-1-2021, https://moet.gov.vn/giaoducquocdan/giao-duc-trunghoc/Pages/tin-tuc.aspx?ItemID=4940 RASPBERRY PI – GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI STEM ROBOTICS TRONG DẠY HỌC… 91 Title: RASPBERRY PI – IMPLEMENTATION OF STEM ROBOTICS FOR TEACHING IN SCHOOL Abstract: STEM Robotics is the impressive highlight of STEM education Students will use robots and programming tools to simulate and solve problems This forces students to apply and integrate knowledge of fields “Science - Technology - Engineering – Mathematics: to complete learning projects However, the cost of investment in tools and equipment is a major barrier to implementation In this article, we propose Raspberry Pi as a solution to deploying STEM Robotics for teaching in schools Keywords: Teaching, STEM, STEM Robotics, Raspberry Pi ... https://moet.gov.vn/giaoducquocdan/giao-duc-trunghoc/Pages/tin-tuc.aspx?ItemID=4940 RASPBERRY PI – GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI STEM ROBOTICS TRONG DẠY HỌC… 91 Title: RASPBERRY PI – IMPLEMENTATION OF STEM ROBOTICS FOR TEACHING IN SCHOOL Abstract: STEM Robotics is the... USD, Raspberry minicomputer bật Ban đầu, tổ chức Raspberry Pi Foundation phát triển dự án Raspberry với mục tiêu giảng dạy máy tính cho trẻ em tạo RASPBERRY PI – GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI STEM ROBOTICS. .. Pi hoàn thành cài đặt xong 88 NGUYỄN TÚ HÀ 2.3 Đề xuất số ứng dụng Raspberry Pi để triển khai STEM Robotics dạy học trường phổ thơng Với lợi ích mà mơn học STEM Robotics mang lại, có nhiều trường