Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh triển khai Chương trình Giáo dục phổ thông 2018 (CT GDPT 2018), đổi mới phương pháp dạy học theo định hướng phát triển phẩm chất và năng lực học sinh trở thành nhiệm vụ trọng tâm. Giáo dục STEM nói chung và giáo dục STEM Robotics nói riêng đã được khẳng định vai trò qua các văn bản chỉ đạo như Chỉ thị số 16/CT-TTg năm 2017 của Thủ tướng Chính phủ về tăng cường tiếp cận cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư và Công văn số 3089/BGDĐT-GDTrH ngày 14/08/2020 của Bộ Giáo dục và Đào tạo về việc triển khai thực hiện giáo dục STEM trong giáo dục trung học.

Tại các trường trung học phổ thông, Robotics là lĩnh vực mang tính liên môn cao, tạo môi trường thuận lợi để học sinh ứng dụng kiến thức vật lý, tin học, toán học và kỹ thuật vào việc giải quyết các bài toán tự động hóa thực tiễn. Trong chương trình Vật lí 11, chuyên đề "Mở đầu về điện tử học" cung cấp các kiến thức cơ bản về linh kiện, cảm biến và mạch điều khiển. Tuy nhiên, việc giảng dạy nội dung này theo hình thức truyền thống còn nặng tính lý thuyết, thiếu các hoạt động trải nghiệm thực hành thiết kế, lập trình và chế tạo thiết bị thực tế. Do đó, tác giả lựa chọn đề tài: Phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trong dạy học nội dung "Mở đầu về điện tử học" - lớp 11 theo hình thức hoạt động trải nghiệm STEM Robotics.

Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng và tổ chức hoạt động trải nghiệm STEM Robotics trong chuyên đề "Mở đầu về điện tử học" - Vật lí 11 nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh trung học phổ thông.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý luận về hoạt động trải nghiệm theo định hướng STEM Robotics và cơ sở lý luận về phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh.
  2. Phân tích nội dung chuyên đề "Mở đầu về điện tử học" - Vật lí 11; thiết kế tiến trình hoạt động trải nghiệm STEM Robotics chủ đề "Xe robot tự hành" (kèm theo hệ thống phiếu học tập, tài liệu hỗ trợ và bộ công cụ đánh giá năng lực giải quyết vấn đề).
  3. Tiến hành thực nghiệm sư phạm tại trường trung học phổ thông trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh để kiểm chứng tính khả thi và hiệu quả của tiến trình dạy học đã thiết kế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hoạt động dạy học môn Vật lí 11 (CT GDPT 2018) nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh THPT.
  • Phạm vi không gian: Học sinh lớp 11A4 tại Trường THPT Bùi Thị Xuân, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Từ tháng 09/2023 đến tháng 04/2024 (giai đoạn thực nghiệm thực tế diễn ra từ ngày 22/03/2024 đến 01/04/2024).
  • Phạm vi nội dung: Tích hợp nội dung chuyên đề "Mở đầu về điện tử học" vào hoạt động trải nghiệm thiết kế và chế tạo sản phẩm "Xe robot tự hành".

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng

  1. Lý thuyết hoạt động trải nghiệm: Dựa trên mô hình học tập qua trải nghiệm của David A. Kolb (1984), định nghĩa của Hiệp hội Giáo dục Trải nghiệm (AEE, 1977) và định hướng hoạt động trải nghiệm trong CT GDPT 2018. Tác giả vận dụng kết hợp hai phương thức tổ chức chính: phương thức Khám phá và phương thức Nghiên cứu.
  2. Mô hình giáo dục STEM Robotics: Phân loại robot giáo dục thành ba nhóm (robot điện tử, robot cơ học, robot người máy) và cấu trúc chức năng của hệ thống robot gồm ba bộ phận: Bộ phận thu thập thông tin (Cảm biến/Sensors), Bộ phận xử lý và điều khiển (Vi điều khiển/Brain) và Bộ phận thực thi nhiệm vụ (Cơ cấu chấp hành/Actuators). Khóa luận sử dụng bộ công cụ robot điện tử với mạch lập trình Yolo:bit kết hợp phần mềm OhStem (lập trình kéo thả khối lệnh và MicroPython).
  3. Khung năng lực giải quyết vấn đề (GQVĐ): Sử dụng khung năng lực của Lê Hải Mỹ Ngân và Nguyễn Văn Biên (2020) gồm 3 hợp phần, 6 thành tố và 13 chỉ số hành vi được lượng hóa qua rubric phân tích (Analytical Rubric) 4 mức độ (từ Mức 1 đến Mức 4).
Hợp phần Thành tố Mã chỉ số hành vi Nội dung cốt lõi của chỉ số hành vi
A. Tìm hiểu vấn đề A1. Tìm hiểu tình huống vấn đề cần giải quyết A1.1
A1.2		 Phát hiện thông tin trong vấn đề thực tiễn.
Trình bày tính cần thiết và lợi ích của giải pháp sử dụng robot.
A2. Phân tích vấn đề A2.1
A2.2		 Nêu cấu trúc, nhiệm vụ của 3 bộ phận robot (cảm biến, vi xử lý, vận hành).
Xác định linh kiện phù hợp với nhiệm vụ từng bộ phận.
B. Đề xuất giải pháp B1. Đề xuất kiến thức và nghiên cứu thông tin B1.1
B1.2
B1.3		 Đề xuất kiến thức về cấu tạo, nguyên lý vận hành từng bộ phận.
Đề xuất kiến thức thiết lập mệnh lệnh điều khiển bộ não robot.
Khám phá, thu thập và vận dụng kiến thức để thiết kế, lập trình.
B2. Phân tích và đề xuất phương án thiết kế B2.1
B2.2
B2.3		 Phân tích quy trình, xây dựng sơ đồ khối xử lý thông tin cho robot.
Xác định danh mục linh kiện và vẽ sơ đồ lắp ráp các bộ phận.
Trình bày bản thiết kế hoàn thiện (cấu trúc, kích thước, vật liệu).
C. Thực hiện, đánh giá C1. Lập kế hoạch và chế tạo sản phẩm C1.1
C1.2		 Làm rõ các bước thực hiện theo thứ tự phù hợp.
Tiến hành chế tạo, lắp ráp và nạp code cho robot theo kế hoạch.
C2. Thử nghiệm, vận hành và điều chỉnh C2.1
C2.2		 Thử nghiệm, vận hành robot và ghi nhận kết quả so với yêu cầu.
Phát hiện lỗi sai, đưa ra giải pháp cải tiến và điều chỉnh chương trình/phần cứng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp nghiên cứu lý luận: Phân tích, tổng hợp tài liệu về giáo dục STEM, robot giáo dục, lý luận dạy học môn Vật lí và các tài liệu đánh giá năng lực giải quyết vấn đề.
  • Phương pháp điều tra, quan sát thực tiễn: Điều tra thực trạng giảng dạy chuyên đề điện tử học và việc ứng dụng STEM Robotics tại các trường THPT trên địa bàn TP.HCM.
  • Phương pháp thực nghiệm sư phạm: Tổ chức dạy học thực tế cho học sinh lớp 11A4 THPT Bùi Thị Xuân; sử dụng phương pháp nghiên cứu trường hợp (Case study) trên mẫu chọn ngẫu nhiên ($n = 4$ học sinh), kết hợp phiếu quan sát, phiếu học tập, bảng kiểm và phỏng vấn sâu.
  • Nguồn dữ liệu: Biên bản quan sát lớp học, hình ảnh/video ghi hình hoạt động nhóm, sản phẩm học tập (phiếu học tập số 1, 2, 3, sơ đồ nguyên lý, sơ đồ khối thuật toán, bản thiết kế kỹ thuật, mã nguồn chương trình trên phần mềm OhStem, mô hình xe robot thực tế).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý luận về tổ chức hoạt động trải nghiệm STEM Robotics ở trường trung học phổ thông

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về hoạt động trải nghiệm và giáo dục STEM Robotics trong nhà trường phổ thông:

  • Làm rõ bản chất của hoạt động trải nghiệm theo định hướng CT GDPT 2018: nhấn mạnh tính tham gia trực tiếp, tính tự chủ, tính sáng tạo và gắn liền lý thuyết với thực tiễn đời sống.
  • Xác định 3 mục tiêu trọng tâm của giáo dục STEM Robotics: phát triển các năng lực cốt lõi (năng lực GQVĐ và sáng tạo, năng lực khoa học, công nghệ, tin học); đẩy mạnh ứng dụng robot vừa là công cụ vừa là đối tượng học tập; định hướng nghề nghiệp kỹ thuật - công nghệ cho học sinh.
  • Phân tích nguyên lý 3 khối chức năng của hệ thống robot giáo dục (Cảm biến $\rightarrow$ Vi xử lý $\rightarrow$ Cơ cấu chấp hành).
  • Xây dựng tiến trình 5 bước tổ chức hoạt động trải nghiệm STEM Robotics dựa trên quy trình thiết kế kỹ thuật và hướng dẫn tại Công văn 3089/BGDĐT-GDTrH:
    1. Hoạt động 1: Xác định vấn đề và nhiệm vụ của robot.
    2. Hoạt động 2: Nghiên cứu các bộ phận của robot.
    3. Hoạt động 3: Trình bày bản thiết kế robot.
    4. Hoạt động 4: Chế tạo và vận hành robot.
    5. Hoạt động 5: Thử nghiệm robot.
  • Xác lập 3 nguyên tắc đánh giá năng lực (bám sát mục tiêu phát triển năng lực, kết hợp đánh giá quá trình với đánh giá kết quả, kết hợp tự đánh giá và đánh giá đồng đẳng) cùng bộ tiêu chí Rubric phân tích chi tiết cho 13 chỉ số hành vi.

Chương 2: Xây dựng hoạt động trải nghiệm STEM Robotics trong chuyên đề "Mở đầu về điện tử học" - Vật lí 11 nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh

Chương 2 trình bày quy trình thiết kế chuyên đề dạy học cụ thể:

  • Phân tích yêu cầu cần đạt và cấu trúc của chuyên đề "Mở đầu về điện tử học" (Vật lí 11): nhận biết, giải thích nguyên tắc hoạt động của các linh kiện cảm biến (quang điện trở, nhiệt điện trở, cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại dò đường), bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp), relay và LED.
  • Thiết kế chủ đề trải nghiệm "Xe robot tự hành": Xuất phát từ bài toán thực tiễn về việc vận chuyển và phân loại hàng hóa tự động trong nhà máy công nghiệp.
  • Xây dựng cấu trúc phần cứng và phần mềm của sản phẩm "Xe robot tự hành":
    • Mạch điều khiển trung tâm: Mạch Yolo:bit tích hợp vi điều khiển.
    • Khối cảm biến: Cảm biến khoảng cách sóng siêu âm (phát hiện vật cản) và cảm biến hồng ngoại 4 mắt (dò vạch kẻ đường/line tracking).
    • Khối chấp hành: 02 động cơ DC kèm bánh xe và mạch cầu điều khiển động cơ.
    • Môi trường lập trình: Giao diện lập trình khối lệnh và MicroPython trên nền tảng OhStem.
  • Biên soạn kế hoạch bài dạy chi tiết cho 5 hoạt động học tập, kèm theo hệ thống học liệu: Phiếu học tập 1 (Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm), Phiếu học tập 2 (Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến dò đường), Phiếu học tập 3 (Cấu tạo và chức năng mạch Yolo:bit), Phiếu giao nhiệm vụ thiết kế và Rubric đánh giá năng lực GQVĐ tương ứng với từng pha hoạt động.

Chương 3: Thực nghiệm sư phạm

Chương 3 mô tả quá trình triển khai và đánh giá kết quả thực nghiệm sư phạm:

  • Tổ chức thực nghiệm: Tiến hành tại lớp 11A4 Trường THPT Bùi Thị Xuân gồm 5 nhóm học sinh, chia làm các giai đoạn học tập trên lớp và tự học/chế tạo ngoài giờ lên lớp.
  • Diễn biến các hoạt động thực nghiệm:
    • HĐ1 & HĐ2: Học sinh tiếp cận bài toán vận chuyển hàng hóa, thảo luận nhóm hoàn thành các phiếu học tập PHT 1, PHT 2, PHT 3, xây dựng sơ đồ nguyên lý dò đường và phát hiện vật cản.
    • HĐ3: Các nhóm nghiên cứu mẫu robot Rover, vẽ sơ đồ lắp ráp linh kiện, thiết kế sơ đồ khối xử lý thông tin và lập danh mục linh kiện.
    • HĐ4: Phân công nhóm nhỏ thực hiện song song việc lắp ráp phần cứng cơ khí/điện tử và lập trình thuật toán điều khiển trên phần mềm OhStem.
    • HĐ5: Thử nghiệm vận hành 5 mẫu xe trên sa bàn thử nghiệm có vạch đen và chướng ngại vật; tổ chức báo cáo, tự đánh giá và đánh giá đồng đẳng giữa các nhóm.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định tính

  • 5/5 nhóm học sinh hoàn thành đúng hạn sản phẩm "Xe robot tự hành" đáp ứng các tiêu chí vận hành cơ bản: di chuyển tự động bám theo vạch đen và phát hiện vật cản.
  • Nhóm 2 đạt kết quả kỹ thuật cao nhất: sản phẩm có khả năng phát hiện chướng ngại vật trên sa bàn, tự động quay đầu chuyển hướng và tiếp tục tìm lại vạch đen để di chuyển liên tục.
  • Học sinh thể hiện sự tiến bộ rõ rệt ở các kỹ năng: phân tích yêu cầu kỹ thuật, đọc hiểu sơ đồ chân cắm cảm biến, tư duy giải thuật dạng sơ đồ khối và kỹ năng làm việc nhóm.

Kết quả định lượng

Đánh giá định lượng năng lực giải quyết vấn đề trên mẫu nghiên cứu trường hợp gồm 4 học sinh ($n = 4$) được chọn ngẫu nhiên từ các nhóm. Tổng điểm tối đa là 48 điểm (12 chỉ số hành vi được ghi nhận $\times$ thang điểm từ 1 đến 4).

Thang phân loại mức độ năng lực:

  • Tốt: Điểm đạt trên 80% (từ 39 đến 48 điểm).
  • Khá: Điểm đạt từ 65% đến 80% (từ 31 đến 38 điểm).
  • Trung bình: Điểm đạt từ 50% đến 64% (từ 24 đến 30 điểm).
  • Yếu: Điểm đạt dưới 50% (dưới 24 điểm).
Học sinh Điểm số đạt được (trên 48 điểm) Tỷ lệ phần trăm Xếp loại năng lực GQVĐ Các chỉ số hành vi còn hạn chế (Mức 1 - 2)
HS1 32 66,67% Khá B2.1, B2.2, B2.3, C1.2, C2.2
HS2 41 85,42% Tốt B2.2, B2.3
HS3 26 54,17% Trung bình A2.1, B1.1, B1.3, B2.1, B2.2, B2.3, C1.2, C2.2
HS4 26 54,17% Trung bình A2.1, B1.1, B2.2, B2.3, C1.1, C1.2, C2.2

Tổng hợp phân phối mức độ: Không có học sinh xếp loại Yếu; 50% học sinh đạt mức Trung bình (HS3, HS4); 25% đạt mức Khá (HS1); 25% đạt mức Tốt (HS2). Kết quả này khẳng định giả thuyết khoa học của đề tài là phù hợp.

Đóng góp mới của đề tài

  1. Hệ thống hóa cơ sở lý luận về tổ chức hoạt động trải nghiệm STEM Robotics gắn với khung năng lực giải quyết vấn đề của học sinh THPT trong môn Vật lí theo CT GDPT 2018.
  2. Thiết kế hoàn chỉnh tiến trình dạy học chủ đề "Xe robot tự hành" tích hợp trong chuyên đề "Mở đầu về điện tử học" - Vật lí 11 theo quy trình kỹ thuật 5 bước chuẩn hóa theo Công văn 3089/BGDĐT-GDTrH.
  3. Xây dựng bộ công cụ học liệu và đánh giá đồng bộ: 3 phiếu học tập, phiếu nhiệm vụ thiết kế, sơ đồ nguyên lý/thuật toán mẫu, và hệ thống Rubric 4 mức độ đánh giá chi tiết 13 chỉ số hành vi của năng lực giải quyết vấn đề.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Quy mô đánh giá định lượng: Mẫu đánh giá định lượng năng lực GQVĐ còn nhỏ ($n = 4$ học sinh), chưa thể hiện đầy đủ bức tranh thống kê cho toàn bộ học sinh tham gia.
  • Phân bổ nội dung kiến thức nền: Hoạt động nghiên cứu kiến thức khoa học còn mang tính thụ động ở một số khâu; khối lượng kiến thức trong các phiếu học tập tương đối nhiều khiến học sinh trung bình gặp khó khăn trong việc hoàn thành đúng tiến độ.
  • Áp lực thời gian: Thời lượng thực nghiệm trên lớp bị giới hạn, dẫn đến một số hoạt động phải đẩy nhanh tiến độ, làm ảnh hưởng đến độ chính xác khi bộc lộ hành vi của học sinh ở các chỉ số thiết kế (B2.3) và lập trình điều khiển (C1.2, C2.2).
  • Phương tiện thu thập dữ liệu: Thiết bị ghi âm, ghi hình tại từng nhóm còn hạn chế, chưa bao quát toàn diện hoạt động vi mô của tất cả các thành viên trong nhóm.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng phạm vi thực nghiệm sư phạm trên cỡ mẫu lớn hơn và kéo dài thời gian theo dõi để đánh giá sự phát triển năng lực một cách toàn diện, mang tính thống kê sâu.
  • Tinh chỉnh và tái cấu trúc các phiếu học tập: giảm tải lượng câu hỏi lý thuyết hàn lâm, tăng cường câu hỏi gợi mở gắn kết trực tiếp giữa cấu tạo linh kiện với chức năng phần cứng của xe robot.
  • Bổ sung thiết bị quan sát, ghi hình độc lập tại từng bàn thực hành nhằm thu thập dữ liệu hành vi đầy đủ, hỗ trợ đánh giá quá trình chính xác hơn.

Giá trị tham khảo

  • Đối với giáo viên Vật lí THPT: Cung cấp giáo án, phiếu học tập, tài liệu hướng dẫn kỹ thuật và khung Rubric sẵn có để triển khai dạy học chuyên đề "Mở đầu về điện tử học" (Vật lí 11) hoặc các chủ đề hoạt động trải nghiệm STEM liên quan.
  • Đối với sinh viên ngành Sư phạm Vật lí và Khoa học Tự nhiên: Là tài liệu tham khảo thực chứng về phương pháp thiết kế bài học STEM theo quy trình thiết kế kỹ thuật (Công văn 3089) và phương pháp xây dựng ma trận đánh giá năng lực giải quyết vấn đề trong nghiên cứu thực nghiệm sư phạm.
  • Đối với các nhà quản lý giáo dục và câu lạc bộ STEM: Cung cấp mô hình triển khai tích hợp thiết bị robot điện tử (Yolo:bit, OhStem) vào chương trình chính khóa và hoạt động ngoại khóa một cách khả thi và tiết kiệm chi phí.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng nền tảng phần cứng và phần mềm nào để chế tạo robot?

Khóa luận sử dụng bộ robot điện tử với mạch điều khiển trung tâm Yolo:bit, kết hợp cảm biến khoảng cách siêu âm, cảm biến hồng ngoại dò đường 4 mắt, động cơ DC và khung xe. Phần mềm được sử dụng là nền tảng OhStem, hỗ trợ lập trình kéo thả khối lệnh và lập trình văn bản bằng ngôn ngữ MicroPython.

2. Khung năng lực giải quyết vấn đề trong khóa luận gồm những thành phần nào?

Khung năng lực dựa trên nghiên cứu của Lê Hải Mỹ Ngân và Nguyễn Văn Biên (2020), gồm 3 hợp phần (Tìm hiểu vấn đề; Đề xuất giải pháp; Thực hiện và đánh giá), chia thành 6 thành tố (A1, A2, B1, B2, C1, C2) với 13 chỉ số hành vi đặc trưng cho hoạt động STEM Robotics.

3. Tiến trình tổ chức hoạt động trải nghiệm trong đề tài gồm mấy bước?

Tiến trình được xây dựng theo 5 hoạt động:

  • Hoạt động 1: Xác định vấn đề và nhiệm vụ của robot.
  • Hoạt động 2: Nghiên cứu các bộ phận của robot.
  • Hoạt động 3: Trình bày bản thiết kế robot.
  • Hoạt động 4: Chế tạo và vận hành robot.
  • Hoạt động 5: Thử nghiệm robot.

4. Kết quả thực nghiệm sư phạm tại Trường THPT Bùi Thị Xuân đạt được như thế nào?

Cả 5 nhóm học sinh lớp 11A4 đều chế tạo và vận hành thành công xe robot tự hành bám đường và phát hiện vật cản. Đánh giá định lượng trên 4 học sinh được chọn ngẫu nhiên cho thấy: 1 học sinh đạt mức Tốt (85,42%), 1 học sinh đạt mức Khá (66,67%), 2 học sinh đạt mức Trung bình (54,17%) và không có học sinh nào xếp loại Yếu về năng lực giải quyết vấn đề.

5. Học sinh gặp khó khăn nhiều nhất ở những chỉ số hành vi nào?

Học sinh gặp khó khăn chủ yếu ở các chỉ số: B2.1 (Xây dựng sơ đồ khối xử lý thông tin cho bộ não robot), B2.3 (Vẽ bản thiết kế hoàn chỉnh cấu trúc robot), C1.2 (Lắp ráp và lập trình robot theo kế hoạch) và C2.2 (Phát hiện lỗi sai và tự điều chỉnh mã lệnh lập trình).

Kết luận

Khóa luận của tác giả Nguyễn Thành Vinh đã nghiên cứu và vận dụng thành công quy trình giáo dục STEM Robotics vào giảng dạy chuyên đề "Mở đầu về điện tử học" - Vật lí 11 theo định hướng CT GDPT 2018. Thông qua chủ đề "Xe robot tự hành" được thiết kế chặt chẽ theo tiến trình 5 bước kỹ thuật cùng hệ thống học liệu và Rubric đánh giá chi tiết, nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả trong việc kích thích hứng thú học tập và phát triển năng lực giải quyết vấn đề cho học sinh THPT. Mặc dù còn hạn chế về quy mô mẫu định lượng và thời lượng thực nghiệm, đề tài đã cung cấp một tư liệu dạy học thực nghiệm có giá trị thực tiễn cao cho giáo viên và sinh viên ngành Sư phạm Vật lí.