CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN 1.1 Tổng quan về STEM 1.1 Khái niệm về STEM và giáo dục STEM Khái niệm STEM STEM là thuật ngữ viết tắt của các từ Science (Khoa học), Technology (Công nghệ), Engineering (Kĩ thuật) và Mathematics (Toán học) (Sanders, 2009). Giáo dục STEM Giáo dục STEM được hiểu theo nghĩa là quan tâm đến các môn Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học. Đây cũng là quan niệm về giáo dục STEM của Bộ giáo dục Mỹ “Giáo dục STEM là một chương trình nhằm cung cấp hỗ trợ, tăng cường, giáo dục Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học (STEM) ở tiểu học và trung học cho đến bậc sau đại học” (U. Department of Education, 2007).
Đây là nghĩa rộng khi nói về giáo dục STEM. Giáo dục STEM được hiểu theo nghĩa là tích hợp (liên ngành) của 4 lĩnh vực/môn Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học (Merrill & Daugherty, 2009; Morrison & Bartlett, 2009). Tác giả Tsupros định nghĩa “Giáo dục STEM là một phương pháp học tập tiếp cận liên ngành, ở đó những kiến thức hàn lâm được kết hợp chặt chẽ với các bài học thực tế thông qua việc học sinh được áp dụng những kiến thức Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học vào trong những bối cảnh cụ thể tạo nên một kết nối giữa nhà trường, cộng đồng và các doanh nghiệp cho phép người học phát triển những kĩ năng STEM và tăng khả năng cạnh tranh trong nền kinh tế mới” (Tsupros & Hallinen, 2009). Bên cạnh đó, giáo dục STEM cũng được quan niệm như là chương trình đào tạo dựa trên ý tưởng giảng dạy cho học sinh bốn lĩnh vực cụ thể: Khoa học, Công nghệ, Kĩ thuật và Toán học trong một liên ngành và phương pháp tiếp cận ứng dụng.
Thay vì dạy bốn lĩnh vực này theo những môn học tách biệt và rời rạc, STEM tổng hợp chúng thành một mô hình học tập liền mạch dựa trên các ứng dụng thực tế (Hom, 2014). Sinh viên thực hiện: Trần Đức Chuẩn Trang 17 Báo cáo khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS.2 STEM Robotics Khoa học robot (Robotics) là một ngành liên kết giữa kĩ thuật và khoa học bao gồm các lĩnh vực như kĩ thuật cơ khí, kĩ thuật điện tử, kĩ thuật thông tin, khoa học máy tính. Theo định nghĩa của NASA, khoa học robot là lĩnh vực nghiên cứu về robot, trong đó robot được hiểu là các hệ thống máy móc có thể được sử dụng để thực hiện một nhiệm vụ. Robot có hai loại bao gồm robot tự vận hành (tự động hóa) theo chức năng đã thiết lập và robot được điều khiển ("What Is Robotics?," 2009).
Khoa học robot liên quan đến thiết kế, xây dựng, vận hành và sử dụng robot, cũng như các hệ thống máy tính để điều khiển, thu nhận thông tin và xử lí thông tin. Theo nghiên cứu (Jung, & Won, 2018) đã đề cập và nhấn mạnh quan điểm xem robot như một công cụ để tìm hiểu khoa học về robot và cũng chính là đối tượng để học tập. Quan điểm và cách tiếp cận hiện nay trong giáo dục khoa học robot chủ yếu tập trung theo định hướng robot là một đối tượng học tập và cũng là công cụ học tập, học là người sẽ nghiên cứu, thiết kế và vận hành robot để giải quyết hoặc thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Theo nghiên cứu (Komis, Romero, & Misirli, 2016), giáo dục khoa học robot đề cập đến việc dạy học trong đó học sinh có thể sử dụng robot để xây dựng “tri thức” cho chính robot hoặc với sự trợ giúp của robot.
Để xây dựng tri thức cho robot, người học cần sử dụng kiến thức của nhiều lĩnh vực. Để người học trở thành chủ thể của việc sử dụng và vận hành robot thì việc đưa khoa học robot vào giáo dục không chỉ là vấn đề tiếp cận các công nghệ mới, mà quan trọng đó là lý thuyết giáo dục và chương trình giảng dạy hướng dẫn sử dụng robot (Alimisis, 2012). Theo định hướng này, giáo dục khoa học robot được xem một công cụ hiệu quả cho giáo dục STEM trong nhà trường. Nhiều nghiên cứu cho thấy quá trình học tập với robot đã tạo cơ hội cho học sinh đạt được kết quả cả về kiến thức các môn học Vật lý, Sinh học, Địa lý, Toán học, Khoa học, Điện tử và cơ khí, và cả các kĩ năng học thuật quan trọng, như nghiên cứu, sáng tạo, hợp tác, tư duy phê phán, đưa quyết định, giải quyết vấn đề và kĩ năng giao tiếp, và kĩ năng thiết kế và tư duy tính toán (Alimisis, & Kynigos, 2009; Benitti, 2012; Eguchi, 2014; Nourbakhsh, Hamner, Crowley, & Wilkinson, 2004).
Sinh viên thực hiện: Trần Đức Chuẩn Trang 18 Báo cáo khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Trần Văn Hưng Trong giáo dục khoa học robot, học sinh phải là những người trực tiếp sử dụng, thiết kế và chế tạo ra robot, dù ở mức đơn giản nhất chứ không chỉ là người tiêu thụ sản phẩm (Blikstein, 2013). Những giá trị cơ bản mà STEM Robotics mang lại Hình 1. 1 Những giá trị cơ bản mà STEM Robotics mang lại 1.2 Tổng quan về các loại linh kiện 1.1 Giới thiệu về Arduino 1.1 Khái niệm chung về Arduino Theo định nghĩa từ https://www.cc/, Arduino là nền tảng điện tử mã nguồn mở, dựa trên phần cứng và phần mềm, linh hoạt và dễ sử dụng, các board Arduino có khả năng đọc dữ liệu từ môi trường (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm,.), trạng thái nút nhấn tin nhắn từ Twitter,.
và điều khiển trở lại với các thiết bị như động cơ, đèn LED, gửi thông tin đến 1 nơi khác,. Chúng ta có thể điều khiển các vi điều khiển trên board Arduino bằng cách sử dụng ngôn ngữ lập trình C hoặc C++, được điều khiển biên dịch bởi Arduino IDE và các trình biên dịch đi kèm ra mã máy nhị phân. Lúc này vi điều khiển có thể dễ dàng thực thi chương trình. Sinh viên thực hiện: Trần Đức Chuẩn Trang 19 Báo cáo khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS.2 Quá trình phát triển Lịch sử phát triển Arduino như là một dự án dành cho sinh viên Interaction Design Insitute Ivrea tại Ivrea, Italy.Vào thời điểm đó các sinh viên sử dụng một tem cơ bản có giá khoảng $100.
Masimo Banzi, một trong những nhà sáng lập giảng dạy tại Ivrea. Cái tên “Arduino” đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường xuyên gặp mặt. Lý thuyết phần cứng được đóng góp bởi một sinh viên người Coloumbia tên là Hermando Barragan. Sau nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã làm việc với nhau để giúp nó nhẹ hơn, rẻ hơn và khả dụng đối với mã nguồn mở.
Trường này cuối cùng bị đóng cửa, vì vậy các nhà nghiên cứu một trong số đó là David Cuarlielles đã phổ biến ý tưởng này.1 Giới thiệu tổng quát Hình 1. 2 Arduino UNO Board Arduino UNO nhỏ gọn và đầy đủ tính năng phù hợp với trường hợp bắt đầu làm quen với lập trình Arduino, Arduino UNO sử dụng chip Atmega328. Nó có 14 chân digital I/O, 6 chân đầu vào (input) analog, thạch anh dao động 16Mhz. Hiện nay, board Arduino UNO đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (Arduino UNO R3).
Sinh viên thực hiện: Trần Đức Chuẩn Trang 20 Báo cáo khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS.2 Đặc điểm Hình 1. 3 Arduino UNO R3 USB (1) Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính. Thông qua cáp USB chúng ta có thể nạp chương trình cho Arduino hoạt động. Ngoài ra, USB còn là nguồn cho Arduino.
Nguồn (2 và 3) Khi không sử dụng USB làm nguồn thì chúng ta có thể sử dụng nguồn ngoài thông qua jack cắm 2.1mm (cực dương ở giữa) hoặc có thể sử dụng 2 chân Vin và GND để cấp nguồn cho Arduino. Bo mạch hoạt động với nguồn ngoài ở điện áp từ 5 – 20volt. Chúng ta có thể cấp một áp lớn hơn, tuy nhiên chân 5V có mức điện áp lớn hơn 5volt. Nếu sử dụng nguồn lớn hơn 12 volt thì sẽ có hiện tượng nóng và hỏng bo mạch.
Khuyến cáo, nên sử dụng nguồn ổn định là 5 đến 12 volt. Chân 5V và chân 3.3V (Output voltage): Các chân này dùng để lấy nguồn ra từ nguồn mà chúng ta đã cung cấp cho Arduino. Lưu ý: Không được cấp nguồn vào các chân này vì sẽ làm hỏng Arduino. GND (Ground): Cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino.
Khi sử dụng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau. Sinh viên thực hiện: Trần Đức Chuẩn Trang 21 Báo cáo khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS. Trần Văn Hưng Chip Atmega328 có các bộ nhớ sau: 32K bộ nhớ Flash thường thì trong đó sẽ sử dụng 0. Những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của chip.
Đối với 32K bộ nhớ Flash thì hiếm khi nào sử dụng quá 20KB. 2K cho SRAM, giá trị các biến bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm.
Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất. Do đó, chúng ta cần cẩn thận khi sử dụng và ghi nhớ những đặc điểm cần thiết của SRAM trong việc sử dụng và trong lập trình để tránh những điều trên. 1K cho EEPROM, đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM. Input và Output (4 và 5) Arduino UNO có các chân với chức năng input và ouput sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() để điều khiển các chân này (Analog: A0 đến A5) (Digital: chân số 0 đến chân số 13).
Cũng trên 14 chân này chúng ta còn một số chân chức năng đó là: Serial: chân 0 (Rx), chân 1 (Tx). Hai chân này dùng để truyền (Tx) và nhận (Rx) dữ liệu nối tiếp TTL.Chúng ta có thể sử dụng nó để giao tiếp với cổng COM của một số thiết bị hoặc các linh kiện có chuẩn giao tiếp nối tiếp. PWM: Các chân 3, 5, 6, 9, 10, 11 trên board có dấu “~” là các chân PWM chúng ta có thể sử dụng nó để điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng của đèn,. Các chân này cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 -> 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite().
SPI: 10 (SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13 (SCK), các chân này hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn SPI với các thiết bị khác. I2C: Arduino hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn I2C. Các chân A4 (SDA), A5(SCL) cho phép chúng ta giao tiếp giữa Arduino với các linh kiện có chuẩn giao tiếp là I2C.