Thiết kế tổ chức dạy học chủ đề STEM robot hút bụi đơn giản theo quy trình thiết kế kĩ thuật cho học sinh trung học cơ sở
TẠP CHÍ KHOA HỌC
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH
HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF EDUCATION
JOURNAL OF SCIENCE
Tập 18, Số 8 (2021): 1495-1508
Vol. 18, No. 8 (2021): 1495-1508
ISSN:
2734-9918
Website: http://journal.hcmue.edu.vn
Bài báo nghiên cứu*
THIẾT KẾ TỔ CHỨC DẠY HỌC CHỦ ĐỀ STEM ROBOT HÚT BỤI
ĐƠN GIẢN THEO QUY TRÌNH THIẾT KẾ KĨ THUẬT
CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CƠ SỞ
Đặng Đông Phương, Vũ Quốc Thắng, Nguyễn Đức Anh, Lê Hải Mỹ Ngân*
Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam
Ngày nhận bài: 17-3-2021; ngày nhận bài sửa: 26-4-2021; ngày duyệt đăng: 28-4-2021
TÓM TẮT
Giáo dục STEM là quan điểm dạy học tich hơp
̣
̣ ̀ ́
đang đươc quan tâm ơ nhiêu quôc gia trên
̉
́
thê
́
giơi. Trong các nội dung giáo dục STEM, một số nghiên cứu đã ghi nhận tác động tích cực của
́
viêc
̣
̣ ́ ̣
giao duc STEM robotics đối với kiên thưc, kꢀ năng va sư hứng thu của học sinh. Bài viết này
́ ́ ̀ ́
giới thiệu tiến trình dạy học một chủ đề STEM lꢀnh vực robotics cho học sinh lớp 8 – thiết kế và chế
tạo robot hút bụi. Chủ đề được thiết kế dựa trên quy trình thiết kế kꢀ thuật (Engineering Design
Process) nhằm tạo cơ hội bồi dưỡng năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh. Kết quả thực nghiệm
đối với học sinh lớp 8 cho thấy rằng, các em có các biểu hiện tích cực đối với năng lực giải quyết
vấn đề trong giáo dục STEM lꢀnh vực robotics thông qua học tập chủ đề.
Từ khóa: giáo dục robotics; quy trình thiết kế kĩ thuật; THCS; giáo dục STEM
1.
Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, giáo dục STEM là một xu hướng được quan tâm ở một số
nước như Trung Quốc, Ấn Độ, Malaysia, Úc, Anh và Canada (Miwa A. Takeuchi, Pratim
Sengupta, & Marie-Claire Shanahan, 2020). Ở Việt Nam, hiện nay giáo dục STEM đã
được định nghĩa trong Chương trình giáo dục phổ thông 2018 và được nêu cụ thể trong
chương trinh cac môn học liên quan bao gồm Toán, Khoa học, Tin học và Công nghệ
́
̀
(Ministry of Education and Training, 2018). Hiện nay, robotics, vơi đăc
̣
trưng tich hơp
̣
cao,
́
́
̉
là một lĩnh vực đang thu hút được nhiều sự quan tâm trong triên khai giao duc
̣
STEM.
́
Trong giáo dục STEM lĩnh vực robotics (STEM robotics), robot được hiểu vừa là đối
tượng vừa là công cụ học đối với các môn khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học (Arís
& Orcos, 2019a). Thông qua các hoạt động thực hành, sử dụng và chế tạo robot, hoc
(HS) có cơ hội tiếp xúc các thiết bị hoặc vật liệu công nghệ hiện đại chẳng hạn như cảm
biến, vi mạch điều khiển, từ đó tạo sư hứng thú cho HS trong lĩnh vực khoa học công nghệ
̣
sinh
̣
Cite this article as: Dang Dong Phuong, Vu Quoc Thang, Nguyen Duc Anh, & Le Hai My Ngan (2021).
STEM education: Simple robot vacuum cleaner based on the engineering design process for secondary
students. Ho Chi Minh City University of Education Journal of Science, 18(8), 1495-1508.
1495
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM
Tập 18, Số 8 (2021): 1495-1508
(Eguchi, 2010). Nghiên cứu tổng hợp (Jung & Won, 2018) khẳng định giao duc
̣
STEM
theo hướng tích hợp các môn học
̀ng các hoạt động STEM robotics co tac
́
robotics hiện nay đươc
liên quan. Môt sô nghiên cưu gâ
đông tich cưc đên năng lực giải quyết vấn đề cua HS (Atmatzidou, 2012; Mubin, Stevens,
̣
xem như một lĩnh vực hoc
̣ ̣
tâp
̣
́
̀
n đây đa đê câp ră
̀
̣
́
̃
́
́
̣
̣
́
̉
́
Shahid, Mahmud, & Dong, 2013; Arís & Orcos, 2019). Khi tham gia các hoạt động STEM
robotics, HS phải tìm hiểu hoạt động của robot, phân tích các vấn đề về nguyên lí, cấu tạo của
̉
robot đê co đươc
̣
giai phap công nghê
̣
giải quyết vấn đề một cách hiệu quả (Odorico, 2004).
̉
́
́
Trong giao duc
̣
STEM robotics, bộ công cụ là một yếu tố quan trọng quyết định đến
́
mục tiêu và định hướng dạy học (Chen & Chang, 2018; Mubin et al., 2013). Nghiên cứu
của (Mubin et al., 2013) chỉ ra rằng mỗi loại nền tảng công cụ sẽ phù hợp với một số mục
tiêu dạy học cụ thể. Đối với mục tiêu phát triển năng lực giải quyết vấn đề, HS cần được
̉
̣ ̣
phu hơp va thiết kế san phâm theo y tương cua minh,
̉ ̉ ̉
̀ ̀ ́
̀
tạo cơ hội lưa
̣
chọn các linh kiên
̉
chăng han
trong thiêt kê
động robotics, HS phải nghiên cứu, mô phỏng các hoạt động xung quanh robot, học tập các
khái niệm mới như robot, va ca lập trình (Erkan Çalişkan, 2020). Các khái niệm được cụ
̣
bô
̣
công cu mã nguồn mở Arduino và các linh kiên
̣
̣
tao
̣ ̣
sư linh hoạt cho HS
̉
́
́ san phâm (Saleiro, Carmo, Rodrigues, & Du Buf, 2013). Khi tham gia hoạt
̉
̉
̀
thể hóa bằng quá trình HS chê
giúp bôi dương năng lực giải quyết vấn đề của HS (Catlin & Woollard, 2014; Numanoğlu
̉
̣
& Keser, 2017). Đê phu hơp ́ chế tao san phâm, trong nghiên cứu
̉
̣
́ tao và lập trình cho robot thực hiện nhiệm vụ và yếu tố này
̀
̃
̉
̣
vơi đin
̣
h hương thiê
́
t kê
̀
́
́
̉
này, chúng tôi vân
̣
dun
̣
g quy trình thiết kế kĩ thuật EDP trong tô chưc day
̣
hoc
̣
t kế ki thuât thường gặp một số vấn đề
̃
̣
. Theo
́
(Crismond, 2013), người mới bắt đầu với quy trinh thiê
́
̀
như (1) không có cơ sở để việc thiết kế, (2) phác thảo ý tưởng không chính xác, (3) không biết
cách thử nghiệm, (4) thiếu tính sáng tạo, (5) không nghiên cứu về những kiến thức liên quan.
Do đó, việc áp dụng quy trình EDP nhằm tăng cường hiểu biết của HS về thiết kế mở để đưa
̣
ra các ý tưởng mới, áp dụng các khái niệm khoa học và toán học, biết thử nghiệm và tư đanh
́
̉
̣
gia đê đưa đến nhưng điều chinh cai tiến phu hơp.
̉
̉
̀
́
̃
Theo (Le & Nguyen, 2020), HS trung hoc
thê hiên sư hứng thú với các hoạt động robotics, tuy nhiên, chưa thê hiên
hoạt động lĩnh vực này, mặc dù đã được trang bị các kiến thức, kĩ năng về lập trình tại
trường học. Hiên tai, ơ Viêt Nam, việc tiếp cận các vấn đề robotics của HS trong nha trương
̣
cơ sơ (THCS) tại Thành phố Hồ Chí Minh
̉
̉
̉
̣
̣
̣ ̣
tư tin tham gia các
̣
̣
̣
̉
̀
̀
thường chủ yếu thông qua các cuộc thi như World Robotics Olympiad (WRO), Robotacon
hay thông qua các vật dụng công nghệ hiện đại được sử dụng tại các hộ gia đình như robot
̣ ̣
hút bụi, máy rửa chén, các thiết bị IoT (Internet of things). Vơi goc đô xem robotics la môt
̀
́
́
linh vưc
̣
hoc
robot hút bụi cho HS lớp 8 trên cơ sở gắn kết các nội dung chương trình nhà trường. Bên
canh đo, chúng tôi sử dụng bộ dụng cụ robotics trên nền tảng vi điều khiển Arduino Uno R3
̣ ̣ ̣
tâp tich hơp, trong nghiên cưu nay, chúng tôi thiết kế và tổ chức dạy học chủ đề
́ ̀
́
̃
̣
́
nhằm hướng tới mục tiêu phát triển năng lực giải quyết vấn đề, và sự linh hoạt của HS trong
quá trình thiết kế và chế tạo sản phẩm. Thông qua chủ đề, HS được tiến cận kiến thức
1496
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM
Đặng Đông Phương và tgk
khoa học, công nghệ hiện đại, lập trình, đồng thời vận dụng các kiến thức ở các bộ môn
Công nghệ, Khoa học tự nhiên, Tin học, Toán học chương trình 2018. Từ đó, HS học tập các
kiến thức khoa học cũng như bồi dưỡng và phát triển năng lực giải quyết vấn đề trong linh
̃
vưc
̣
giao duc
̣
STEM robotics.
́
2.
Câu hỏi và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu với mục tiêu thiết kế và tổ chức dạy học chủ đề robot hút bụi nhằm
hướng đến giải quyết các câu hỏi tương ứng như sau:
1. Chủ đề STEM robot hút bụi tich hơp nội dung một số môn học trong Chương trình
̣
́
2018 như thế nào?
2. Dạy học chủ đề STEM robot hút bụi cho HS THCS theo quy trình thiết kế kꢀ thuật
EDP như thế nào?
̉
3. HS biêu hiên
̣
năng lực giải quyết vấn đề thông qua chủ đề như thế nào?
Đê thiết kế chủ đề STEM robot hút bụi, chúng tôi thưc hiện nghiên cứu cơ sở lí luận
giao duc STEM robotics va quy trình thiêt kê ki thuật, kêt hơp phân tích nội dung
chương trình các môn Khoa học tự nhiên, Công nghệ, Toán học và Tin học. Sau đo, chúng
̉
̣
vê
̀
̣
́
́
́
̣
́
̀
̃
́
tôi tiê
THPT Hoa Sen, Quận 9, Thành phố Hồ Chí Minh. HS tham gia thưc
toan mơi vơi linh vực robotics va lâp trinh, chi đươc 1 lân tiếp cận thông qua 1 chủ đề xe di
chuyên theo vạch kẻ đen đơn gian. Chúng tôi ghi nhận dư liêu thông qua quay phim, chụp
của HS và phiếu hỏi khảo sát. Dữ
h tinh thông qua đánh giá hành vi dựa vào khung năng lưc
́n hanh thực nghiệm sư pham chủ đề trong 10 tiết với 15 HS lơp 8 tại trường THCS –
̣
̀
́
̣
̣
nghiêm hầu như hoan
̀
̣
̣
̀
̀
́
́
̀
̉
̃
̀
̉
̣
̉
̃
ảnh các buổi học; quan sát, ghi chú; sản phẩm hoc
liệu thu nhận đươc phân tích đin
giai quyêt vân đê trong giáo duc
i HS môt ma sô
Kết quả và thảo luận
̣ ̣
tâp
̣
̣
̣
́
́
́
̀
̣
robotics (Le, 2020). Để thuận lơi
̣
trong qua trinh phân
́
̀
̉
tich, chung tôi cho mô
̃
̣
́
theo câu truc HS.[nhom].[STT cua HS]
́
́
̃
́
́
̉
́
3.
3.1. Chủ đề robot hút bụi
Trong chủ đề này, HS tìm hiểu cấu tạo và nguyên lí của hệ thống hút bụi, kết hợp xe
tự tránh vật cản để chế tạo robot hút bụi. HS sử dụng các nguyên vật liệu đơn giản, vận
dụng kiến thức khoa học, công nghệ, kết hợp với các thiết bị như cảm biến, động cơ, và vi
̉
điều khiển Arduino kết hợp mạch động cơ L293D để chế tạo robot hút bụi co thê hút được
́
một số loại bụi nhẹ, nhỏ như giấy vụn, cát bụi va tự động đổi hướng khi găp
̣
vật cản lớn.
̀
Bảng 1. Bảng dụng cụ các vật liệu sử dụng trong chủ đề
Dụng cụ
Dụng cụ
Dụng cụ
Hình ảnh
Hình ảnh
Hình ảnh
(số lượng)
(số lượng)
(số lượng)
2 động cơ
và bánh xe
6V
2 bánh xe
1 quạt điện
đa hướng
12 V
1497
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM
Tập 18, Số 8 (2021): 1495-1508
1 vi
1 cảm biến
vật cản
1 mạch
động cơ
L293D
điều khiển
Arduino
Uno R3
hồng ngoại
1 nguồn
4 nguồn
1 hộp đựng
điện 12 V
điện 1,5 V
4 pin AA
1 bìa foam
(50 cm x
40 cm)
1 tấm lưới
lọc bụi
2 công tắc
Hình 1 biểu diễn quy trình chê
́
tao
̣
robot gồm 5 bước: bước 1, vẽ các vị trí dụng cụ
lên bìa foam, cắt các vị trí cần đặt dụng cụ; bước 2 và 3, đặt các thiết bị tương ứng ở mặt
dưới và mặt trên bằng súng bắn keo; bước 4 và 5, lắp đặt mạch điện theo sơ đồ Hình 2.
Hình 1. Quy trình lắp ráp hệ thống tránh vật cản
Hình 2. Sơ đồ mạch điện hệ thống tránh vật cản
Hình 3 biểu diễn quy trình chê tao hệ thống hút bụi: bước 1, căt bia form và ghép tạo
́
̣
́
̀
thành hình hộp chữ nhật, đặt quạt điện vào hộp; bước 2, cắt 5 mảnh bìa foam với kích
thước khác nhau và ghép thành ngăn đựng bụi; bước 3, lắp ngăn đựng bụi và lưới lọc vào
hình hộp đã cắt ở bước 1 tạo thành hệ thống hút bụi hoàn chỉnh.
Hình 3. Quy trình lắp ráp hệ thống hút bụi
1498
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM
Đặng Đông Phương và tgk
3.2. Phân tích nội dung kiến thức trong chủ đề ứng với chương trình 2018
Mạch
Ki
́
hiêu
Môn Khối
Nội dung
Yêu cầu cần đạt
nội dung
̣
- Vẽ được hình biểu diễn và nêu được các
khái niệm: tia sáng tới, tia sáng phản xạ,
pháp tuyến, góc tới, góc phản xạ, mặt
phẳng tới, ảnh
Sự
KH01
7
Ánh sáng
phản xạ
ánh sáng
- Vận dụng được định luật phản xạ ánh
sáng trong một số trường hợp đơn giản
- Giải thích được một số ứng dụng về áp
KH02
Áp suất
trong
Khoa
học
8
8
Áp suất
KH03 suất không khí trong đời sống
chất khí
tự
- Nêu được nguồn điện có khả năng cung
KH04 cấp năng lượng điện và liệt kê được một số
nguồn điện thông dụng trong đời sống
Nguồn
điện
nhiên
- Vẽ được sơ đồ mạch điện với kí hiệu mô
Điện học
tả: điện trở, biến trở, chuông, ampe kế
KH05
Mạch điện
đơn giản
(ammeter), vôn kế (voltmeter), đi ốt (diode)
và đi ốt phát quang
- Mắc được mạch điện đơn giản với: pin,
KH06
công tắc, dây nối, bóng đèn, động cơ điện
- Vẽ và mô tả được sơ đồ khối của mạch
CN01
Kĩ thuật
điện
điện điều khiển đơn giản
Công
Công
- Lắp ráp được các mạch điện điều khiển
CN02
8
nghệ và
đời sống
nghệ
đơn giản có sử dụng một mô đun cảm biến
Thiết kế
kĩ thuật
- Thiết kế được một sản phẩm đơn giản
CN03
theo gợi ý, hướng dẫn
- Mô tả được kịch bản đơn giản dưới dạng
Ti01 thuật toán và tạo được một chương trình
đơn giản
GQVĐ
với sự trợ
giúp của
máy tính
Tin
Lập trình
trực quan
8
8
học
- Chạy thử, tìm lỗi và sửa được lỗi cho
Ti02
chương trình
Tính toán
- Giải quyết được một số vấn đề gắn với
và ước
việc giải các bài toán liên quan đến chuyển
Toán
Đo lường lượng với TH01 động đều (tìm vận tốc, quãng đường, thời
học
các số đo
đại lượng
gian của một chuyển động đều)
1499
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM
Tập 18, Số 8 (2021): 1495-1508
Hình 4. Sơ đồ nội dung kiến thức STEM gắn với cấu tạo của robot hút bụi
3.3. Tiến trình dạy học Chủ đề robot hút bụi
Chủ đề được tổ chức dạy học 6 buổi, mỗi buổi 2 tiết, tổng thời lượng là 12 tiết.
Hình 5. Sơ đồ các hoạt động ở từng pha quy trình thiết kế kꢀ thuật EDP
1500
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM
Đặng Đông Phương và tgk
Hoạt động
Kiến
thức
Nội dung
[Pha EDP]
HS nhận biết được tầm quan trọng của robot trong cuộc sống
thông qua theo dõi đoạn clip giới thiệu và các câu hỏi
HĐ1. Đặt vấn
đề
[1]
HĐ2.1. Tìm hiểu cấu tạo chung của robot
HS làm việc theo nhóm kĩ thuật khăn trải bàn xác định cấu tạo
chung của robot
HĐ2.
Nghiên
cứu về cấu tạo
chung
robot
[2]
của
HĐ2.2. Nghiên cứu cấu tạo robot hút bụi
HS thảo luận nhóm xác định nhiệm vụ chính robot hút bụi:
(1) Nhiệm vụ 1: Dò tránh vật cản
(2) Nhiệm vụ 2: Hút được bụi
HĐ3.1. Nghiên cứu kiến thức về nhiệm vụ 1 của robot.
Mỗi HS trong nhóm trở thành một chuyên gia nghiên cứu một
trạm nội dung:
HĐ3.
Khám
phá các kiến
thức liên quan
đến các bộ
KH01
KH02
KH04
KH05
KH06
CN03
CN04
Ti01
●
Trạm 1: Nguồn điện, động cơ và dòng điện
phận của robot HS xem đoạn phim ngắn nghiên cứu kiến thức va thực hành vẽ sơ
̀
[2]
đồ mạch điện và lắp đặt mạch điện đơn giản gồm nguồn điện,
công tắc và động cơ
●
Trạm 2: Tín hiệu, Arduino + L293D và cảm biến vật cản
hồng ngoại
HS nghiên cứu các kiến thức thực hành lắp đặt cảm biến vật cản
Ti02
̉
̉
va động cơ vào Arduino đê điều khiên
̀
TH01
TH02
●
Trạm 3: Lập trình, sơ đồ khối và lập trình mBlock
HS thực hành vẽ sơ đồ khối lập trình mBlock cho nhiệm vụ đơn
giản “xe đi thẳng và rẽ phải”
HĐ3.2. Tổng kết nghiên cứu
- HS thực hành hoạt động tổng kết: Lắp đặt xe tự hành, vẽ sơ đồ
khối và lập trình xe theo nhiệm vụ: “Xe gặp vật cản rẽ trái”
1501
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM
Tập 18, Số 8 (2021): 1495-1508
HĐ3.3. Khám phá hệ thống hút bụi
- HS thực hiện nghiên cứu hệ thống hút bụi theo các trạm xoay
vòng với các nội dung:
KH03
CN01
(1) Nguyên lí hoạt động
(3) Cấu tạo.
(2) Kết nối
(4) Hệ thống hút kín
(5) Hệ thống hút lọc
- HS thiết kế bản vẽ cấu tạo robot gồm 3 phần:
CN01
CN02
CN03
CN05
Ti01
HĐ4. Thiết kế
robot hút bụi
đơn giản [3]
●
●
●
●
Xác định các linh kiện sử dụng
Sơ đồ nối dây các linh kiện
Sơ đồ tư duy, sơ đồ khối nhiệm vụ robot
Sơ đồ cấu tạo chung của robot
TH01
- HS thực hành lắp ráp, chế tạo và lập lập trình cho robot thực hiện
nhiệm vụ
HĐ5. Chế tạo
robot [4,5]
HĐ6. Thử
- HS thử nghiệm sản phẩm
- HS lắng nghe góp ý và cải tiến sản phẩm của nhóm
nghiệm, báo
cáo [5,6]
3.4. Thực nghiệm sư phạm
Dựa vào quan sát và khung năng lực, chúng tôi phân tích biểu hiện năng lực giải
quyết vấn đề của học sinh trong các hoạt động như sau.
● Hoạt động 1. Giới thiệu và đặt vấn đề về dự án
Khi được yêu cầu trả lơi nhanh 5 học sinh (HS1.2, HS2.1, HS5.3, HS4.1, HS3.2) đều
̀
thể hiện được ý: robot giúp đỡ con người làm việc, robot hỗ trợ, tăng năng suất lao động và
rủi ro trong quá trình làm việc. Với câu hỏi: “Để nghiên cứu về robot thì ta cần nghiên cứu
được điều gì” các HS đều trả lời lần lượt được các bộ phận của robot và các yếu tố quan tâm
khi chế tạo robot: cảm biến, hệ điều hành, động cơ, giá thành, chất lượng, cấu tạo, vật liệu.
● Hoạt động 2. Nghiên cứu cấu tạo robot
Trong hoạt động thảo luận nhóm về cấu tạo chung của robot, các nhóm đều có các ý
kiến liên quan đến các bộ phận của robot và linh kiện cho từng bộ phận song vẫn chưa thể
hiện rõ thành ba bộ phận chính cơ bản: bộ phận xử lí thông tin, cảm biến và động cơ, vi du
̣
́
̉
̣ ̣
nhom thê hiên trên Hình 6. Các vấn đề về cấu tạo của robot được HS đưa ra thông qua
́
môt
các câu hỏi như: “Có Arduino không? Có pin, động cơ”, “Robot có mũi? Robot có đầu?
Làm sao để điều khiển được robot?”. Đối với nhiệm vụ đê xuât linh kiện, các nhóm dựa
̀
́
trên mô hình robot hút bụi sẵn có trên thị trường để tìm hiểu nguyên lí và nhận ra được
nhiệm vụ tránh vật cản của robot. Kết quả quan sát cho thấy, có 3/5 nhóm (nhóm 3, 4, 5)
tìm ra được cảm biến vật cản hồng ngoại, đặc biệt ở nhóm 3 còn đưa ra được một số dụng
cụ hiện đại như wifi, laser định vị.
1502
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM
Đặng Đông Phương và tgk
̣
Hình 6. Sản phẩm nhóm 1 ở hoạt động nghiên cưu cấu tao robot
́
● Hoạt động 3. Khám phá các kiến thức liên quan đến bộ phận của robot
Đối với hoạt động 3, HS nghiên cứu các kiến thức thông qua các trạm. Kết quả cho
thấy, các nhóm trải nghiệm qua các trạm đều hoàn thành được trên 83% nội dung câu hỏi lí
thuyết và trên 70% nội dung thực hành. Sau khi tìm hiểu, HS thực hiện hoạt động tổng kết
lắp đặt và lập trình để xe chuyển động thẳng về phía trước, nếu gặp vật cản thì rẽ trái. Kết
quả cho thấy, cả 5 nhóm hoàn thành tốt nhiệm vụ chọn nguồn và lắp đặt mạch điện. Riêng
̣ ̣
đối với nhiệm vụ lâp trình, môi nhom co nhưng biêu hiên khac nhau. Các nhóm phân tích
̃
̉
́ ́ ́
̃
nhiệm vụ qua các câu hỏi “Có bao nhiêu tín hiệu vào?”, “Lập trình như vậy thì xe hoạt
động làm gì?”, “Cho xe chạy mấy giây?” và đưa ra được tín hiệu Arduino nhận được “tín
hiệu 0 khi gặp vật cản và tín hiệu 1 khi không gặp vật cản”. Hầu như các nhóm (4/5 nhóm)
đều sử dụng câu lệnh “một bánh chuyển động về phía trước – một bánh ngừng” để cho xe
rẽ trái nhưng không thành công. Tuy nhiên, ở nhóm 2 đề xuất được phương án khác “một
bánh lùi và một bánh đứng yên” và khiến xe thực hiện nhiệm vụ tránh vật cản thành công.
Đối với nhiệm vụ nghiên cứu hệ thống hút bụi, HS tiến hành tìm hiểu về hệ thống hút bụi
thông qua 5 trạm nghiên cứu: cách hút bụi, xác định được mặt hút bụi, xác định được hệ
̣
thống hút lọc, hệ thống hút kín, từ đó các nhom đều thiết kế đươc hệ thống hút bụi phù hợp
́
̣
với robot hut bui.
́
Hình 7. HS khám phá hệ thống hút bụi và lập trình xe tự hành ở hoạt động 3
1503
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM
Tập 18, Số 8 (2021): 1495-1508
● Hoạt động 4. Thiết kế bản vẽ cấu tạo robot
̣
Trong nhiệm vụ thiết kế robot hút bui đơn gian, các HS đều thể hiện được bản vẽ
̉
robot hút bụi vơi đầy đu các phần: nguyên vật liệu, sơ đồ nối dây, sơ đồ khô
́
i tư duy cua
̉
̉
́
robot và hình dạng câ
́
u truc robot. Các nhom đê
̀
u đưa ra được danh sach linh kiên
̣
, nguyên
́
́
́
vật liệu phù hợp, tuy nhiên ơ hinh dan
̣
g câ
được rõ rang. Trong quá trình xac đinh sơ đô
được nhiệm vụ của robot và tín hiệu mà Arduino nhận được từ cảm biến khi có vật cản và
tư đo thể hiên đươc thanh sơ đô khôi. Song các nhóm gặp khó khăn ở phần thiết kế hệ
́
u trúc cua robot thi cac thông sô
́
kich thước chưa
̉
̉
́
̀
̀
́
̣
̀ khối tư duy cua robot, các nhóm đều nêu lại
̉
̀
́
̣
̣
̀
́
̀
́
̀
thống hút bụi, các vấn đề được một số nhóm đặt ra như “Đặt bộ phận hút ở vị trí nào”,
“nên thiết kế bộ phận hút bụi và bộ phận chuyển động chung hay tách ra”. Khi đó, nhóm 2
và 5 các HS đề ra được phương án tách robot làm hai bộ phận, sau đó trên bộ phận chuyển
động sẽ khoét lỗ trống và đặt hệ thống hút vào sau như Hình 9. Ngoài ra, các HS ở nhóm 1
đề xuất ý kiến để bụi di chuyển trong khu vực hút (vị trí cánh quạt), bằng cách sử dụng
thêm hai chổi quét ở hai bên thành robot.
Hình 8. Hình ảnh HS thiết kế bản vẽ cấu tạo và báo cáo bản vẽ
● Hoạt động 6. Lắp ráp, chế tạo robot hút bụi
Ở hoạt động 6, HS thực hiện chế tạo sản phẩm, thử nghiệm và sửa chữa lỗi của sản
̣
phẩm trong thơi gian 2 tiết hoc. Trong quá trình thực hiện, các nhóm không có đầy đủ các
̀
dụng cụ để cắt, ghép bìa cứng. Khi đó, các nhóm nghĩ ra phương án sử dụng các vật dụng
xung quanh như hộp bút, bìa cứng khác, cạnh bàn để tiến hành gia công vật liệu. Quá trình
thiết kế bộ phận chuyển động ở các nhóm tương đồng nhau, đặt ra được các vấn đề về cách
nối dây, các lắp các thiết bị. Đặc biệt ở phần kích thước, do chưa có sự ước lượng cụ thể,
điển hình ở nhóm 4 do nhóm không đo đạc nên đã phải làm khung robot 2 lần khác nhau.
Tuy nhiên ở nhóm 5, nhóm có sự ước lượng trước nên sản phẩm được thiết kế gọn gàng.
̣ ̣
Trong phần chế tao va lắp đăt bộ phận hút mỗi nhóm có một ý tưởng khác nhau nhưng
̀
nhìn chung đều có chung mục đích chế tạo hệ thống hút sao cho hút thành công và chiều
cao hệ thống phải giảm thiểu đáng kể nhằm có thể chui vào dưới gầm các vật dụng trong
nhà. Đối với nhiệm vụ lập trình chuyển động cho robot, hầu như các nhóm đều sử dụng các
dòng lệnh tương tự ở hoạt động 3. Tuy nhiên, nhóm 3 đề xuất được phương án khác để xe
không chỉ rẽ ở một hướng duy nhất mà có thể rẽ ở các hướng khác nhau nên đã dùng lệnh
“pick random” nhưng kết quả không thành công do chưa sắp xếp lệnh hợp lí. Theo quan
1504
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM
Đặng Đông Phương và tgk
sát, đa số các nhóm khi lập trình đều gặp phải vấn đề thời gian bánh xe ngừng, bánh xe
chuyển động trong quá trình rẽ hướng và phải thử nghiệm nhiều lần mới có thể rút ra được
thời gian thực hiện phù hợp.
Nhìn chung, các nhóm HS đều thực hiện được từng bước chế tạo, bao gồm chuẩn bị,
lắp ráp, lập trình và thử nghiệm. Quá trình thử nghiệm được các nhóm thực hiện xuyên
suốt quá trình nối dây và lập trình nhằm sửa chữa các lỗi của robot. Từ các thử nghiệm và
các vấn đề robot gặp phải, các nhóm trình bày được các phương án và thực hiện các
phương án đó. Kết quả cho thấy, các nhóm thực hiện thành công việc lắp ráp các bộ phận
của robot, tuy nhiên chỉ có nhóm 2 hoàn thành tốt được tất cả nhiệm vụ, nhóm 1, 3 và 5
hoàn thành lập trình hoạt động của xe ở mức khá, nhóm 4 chỉ hoàn thành được việc lắp đặt
các bộ phận và mạch điện.
Hình 9. Sản phẩm robot hút bụi của một số nhóm
̣
3.5. Kêt qua khao sat y kiên hoc sinh
́ ́
̉ ̉ ́ ́
Hình 10. Kết qua khảo sát sự tiếp nhận của HS đối vơi chủ đề robot hút bụi đơn gian
̉ ̉
́
Sau khi thực nghiệm, chúng tôi tiến hành khảo sát các em HS thông qua 10 câu hỏi
theo dạng Likert 10 mức độ với bốn nội dung chính: Mức độ hiểu về cấu tạo và nguyên lí
robot, tự đánh giá khả năng, mức độ hứng thú và mức độ tự tin. Kết quả điểm số trung bình
của 15 HS khảo sát được thể hiện qua hình 10 cho thấy mức độ tiếp nhận và phù hợp của
chủ đề ở bốn nội dung trên đều ở mức tốt trên 8 điểm. Biểu đồ còn phản ánh sự hứng thú
của HS thông qua chủ đề, điển hình với số điểm cao nhất ở câu 5, các em rất thích học chủ
đề robot hút bụi do có yếu tố tự động hóa. Tuy nhiên, đối với sự tự tin, đây là nhóm câu
hỏi HS đưa ra số điểm thấp nhất, đặc biệt ở câu số 9 cho thấy các em vẫn chưa quá tự tin
nếu được giao nhiệm vụ tự thực hiện một sản phẩm robot tương tự robot hút bụi.
1505
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM
Tập 18, Số 8 (2021): 1495-1508
Ngoài ra, chúng tôi còn đặt các câu hỏi cho HS về những gì HS học được thông qua
chủ đề, điểm khó khăn khi học tập và cảm nhận của HS sau tham gia. Hầu hết, các HS đều
học thêm được cách lập trình và cách vận hành robot cũng như vai trò của robot hút bụi
trong cuộc sống. Một số khó khăn được HS đưa ra trong quá trình học tập chủ yếu như thời
lượng quá ít, khó khăn trong quá trình thiết kế cấu tạo cũng như lập trình robot. Nhìn
chung, sau khi tham gia chủ đề robot hút bụi, HS đều cảm thấy hứng thú và mong muốn
tiếp tục thực hiện chủ đề khác tương tự.
́
4.
Kêt luân
̣
Trong bài báo này, chúng tôi đã trình bày chủ đề STEM robot hút bụi đơn giản theo
quy trình thiết kế kĩ thuật EDP nhằm bồi dưỡng và phát triển năng lực giải quyết vấn đề
của học sinh. Chủ đề được xây dựng dựa trên nội dung Chương trình giáo dục phổ thông
2018 dựa trên chương trình các môn Khoa học tự nhiên, Công nghệ, Tin học và Toán học.
Kết quả thực nghiệm cho thấy thông qua chủ đề, năng lực giải quyết vấn đề của HS được
bồi dưỡng, phát triển và thể hiện trong suốt quá trình nghiên cứu kiến thức, thiết kế và chế
tạo robot hút bụi. Ngoài ra, chủ đề tạo được sự hứng thú, tò mò của học sinh trong lĩnh vực
robotics và tiến trình tổ chức dạy học mang tính khả thi trong việc triển khai cũng như đáp
ứng được yêu cầu đổi mới về nội dung dạy học và phương pháp dạy học ở các trường phổ
thông hiện nay.
Tuyên bố về quyền lợi: Các tác giả xác nhận hoàn toàn không có xung đột về quyền lợi.
̣
TAI LIÊU THAM KHẢO
̀
Arís, N., & Orcos, L. (2019a). Educational Robotics in the Stage of Secondary Education:
Empirical Study on Motivation and STEM Skills. Education Sciences, 9(2), 73.
Arís, N., & Orcos, L. (2019b). Educational Robotics in the Stage of Secondary Education:
Empirical Study on Motivation and STEM Skills. Education Sciences, 9(2), 73.
Atmatzidou. (2012). Evaluating the Role of Collaboration Scripts as Group Guiding Tools in
Activities of Educational Robotics: Conclusions from Three Case Studies. Proceedings of
the 12th IEEE International Conference on Advanced Learning Technologies, 298–302.
Catlin, D., & Woollard, J. (2014). Educational Robots and Computational Thinking.
Chen, Y., & Chang, C. C. (2018). The impact of an integrated robotics STEM course with a
sailboat topic on high school students’ perceptions of integrative STEM, interest, and career
orientation. Eurasia Journal of Mathematics, Science and Technology Education, 14.
Crismond, D. (2013). Design practices and misconceptions: Helping beginners in engineering
design, 80(1), 50-54.
1506
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM
Đặng Đông Phương và tgk
Eguchi, A. (2010). What is Educational Robotics? Theories behind it and practical
implementation.
Erkan Çalişkan. (2020). The effects of robotics programming on secondary school students’
problem-solving skills. World Journal on Educational Technology: Current Issues, 12(4),
217-230.
Jung, S., & Won, E. (2018). Systematic review of research trends in robotics education for young
children. Sustainability, 10(4), 905.
Le, H. M. N., & Nguyen, V. B. (2020). Xay dung khung nang luc giai quyet van de trong giao duc
khoa hoc robot cua HS THCS [Designing a problem-solving competence framework in
educational robotics for secondary school students]. HNUE Journal of Science, 65(7),
Le, H. M. N., Nguyen, T. T., Mai, T. K. N., Dang, D. P., & Vu, Q. T. (2020). Mot so yeu to anh
huong hung thu doi voi linh vuc Robotics cua hoc sinh mot so truong THCS tai TP Ho Chi
Minh [Factors affecting students’ interest in Robotics at some secondary schools – Ho Chi
Minh City]. Ho Chi Minh City University of Education Journal of Science, 8, 1337-1350.
Ministry of Education and Training. (2018). Chuong trinh giao duc pho thong tong the [General
Education Curriculum]. Hanoi.
Miwa A. Takeuchi, Pratim Sengupta, Marie-Claire Shanahan, J. D. A. & M. H. (2020).
Transdisciplinarity in STEM education: a critical review. Studies in Science Education.
Mohr-Schroeder, M. J., Jackson, C., Miller, M., Walcott, B., Little, D. L., Speler, L., … Schroeder,
D. C. (2014). Developing Middle School Students’ Interests in STEM via Summer Learning
Experiences: See Blue STEM Camp. School Science and Mathematics, 114(6), 291-301.
Mubin, O., Stevens, C., Shahid, S., Mahmud, A., & Dong, J.-J. (2013). A review of the
applicability of robots in education. Technology for Education and Learning, 1.
Numanoğlu, M., & Keser, H. (2017). Robot Usage in Programming Teaching - Mbot Example.
Bartin
Odorico, A. (2004). Marco teórico para una robótica pedagógica.
University
Journal
of
Faculty
of
Education,
6,
497-515.
Saleiro, M., Carmo, B., Rodrigues, J. M. F., & Du Buf, J. M. H. (2013). A low-cost classroom-
oriented educational robotics system. Lecture Notes in Computer Science (Including
Subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics),
1507
Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM
Tập 18, Số 8 (2021): 1495-1508
STEM EDUCATION: SIMPLE ROBOT VACUUM CLEANER BASED
ON THE ENGINEERING DESIGN PROCESS FOR SECONDARY STUDENTS
Dang Dong Phuong, Vu Quoc Thang, Nguyen Duc Anh, Le Hai My Ngan*
Ho Chi Minh City University of Education, Vietnam
Received: March 17, 2021; Revised: April 26, 2021; Accepted: April 28, 2021
ABSTRACT
STEM education is an integrated teaching perspective in which students expericence, learn,
explore and research practical problems. In STEM education content, robotics is a modern field
that has been concerned in many research projects because of the positive impact on student’s
interest, thinking and abilities. This article presents a STEM robotics topic for 8th graders– robot
vacuum cleaner. This topic is designed based on the engineering design process to enhance design
thinking and problem-solving skills. Experimental results for 8th graders illustrate that they can
access and accquire knowledge as well as show positive expression of problem-solving abilities in
STEM robotics through this topic.
Keywords: educational robotics; EDP; secondary school; STEM education
1508
14 trang
16/05/2022
6380
Bạn đang xem tài liệu "Thiết kế tổ chức dạy học chủ đề STEM robot hút bụi đơn giản theo quy trình thiết kế kĩ thuật cho học sinh trung học cơ sở", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- thiet_ke_to_chuc_day_hoc_chu_de_stem_robot_hut_bui_don_gian.pdf
