Thiết kế bộ thiết bị điện tử hỗ trợ giáo dục STEM

VJE Tạp chí Giáo dục, Số 467 (Kì 1 - 12/2019), tr 56-60 56 Email: quanglx@hnue.edu.vn THIẾT KẾ BỘ THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ HỖ TRỢ GIÁO DỤC STEM Lê Xuân Quang - Đặng Minh Đức - Vũ Thị Ngọc Thúy Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Ngày nhận bài: 10/10/2019; ngày chỉnh sửa: 28/10/2019; ngày duyệt đăng: 30/10/2019. Abstract: STEM education is an educational activity commonly deployed in the form of experience and product orientation. Therefore, devices for STEM education, especially digital devices, electronic devices become more important and specific. It plays an important role in determining the quality of STEM educational activities in the new era. The article presents orientations for designing, designing process of electronic devices to support STEM education; Besides, we also propose a direction to exploit the equipment for effective teaching. Keywords: STEM education, equipment, electronic. 1. Mở đầu Bắt nguồn từ Hoa Kì, giáo dục STEM được quan tâm triển khai và nghiên cứu trong nhiều năm trở lại đây ở các quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam. Giáo dục STEM giúp nâng cao hứng thú và sự tham gia tích cực của người học vào các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kĩ thuật và toán học đồng thời là một giải pháp hướng nghiệp quan trọng trong bối cảnh của sự phát triển rất nhanh của khoa học, công nghệ. Giáo dục STEM là một phương thức giáo dục nhằm trang bị cho học sinh (HS) những kiến thức khoa học gắn liền với ứng dụng của chúng trong thực tiễn, qua đó phát triển cho HS năng lực phát hiện và giải quyết vấn đề cùng với những năng lực khác tương ứng, đáp ứng được yêu cầu của sự phát triển KT-XH [1]. Do vậy các yếu tố Kĩ thuật và Công nghệ có vai trò quan trọng trong giáo dục STEM, các yếu tố đó được thể hiện lồng ghép thông qua các quy trình thiết kế kĩ thuật, các thiết bị dạy học, công cụ được sử dụng trong quá trình dạy và học các bài học STEM Giáo dục STEM dựa trên các bộ thiết bị là một xu hướng khá phổ biến điển hình như việc sử dụng các bộ Lego, Robotic trong giáo dục STEM hiện nay. Giáo dục STEM thông qua các bộ thiết bị sẽ giúp tăng khả năng sáng tạo thực hành cho người học, giúp người học trở nên hào hứng hơn với những lĩnh vực vốn dễ tạo cảm giác khô khan như kĩ thuật công nghệ. Bên cạnh những mục tiêu của giáo dục STEM nêu trên thì một mục tiêu quan trọng khác của giáo dục STEM là hướng nghiệp. Hiện nay, thế giới đang diễn ra cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư, là cuộc cách mạng có thể được mô tả như là sự ra đời của một loạt các công nghệ mới, kết hợp tất cả các kiến thức trong lĩnh vực vật lí, kĩ thuật số, sinh học, và ảnh hưởng đến tất cả các lĩnh vực, nền kinh tế, các ngành kinh tế và ngành công nghiệp [2]. Trung tâm của cuộc cách mạng này đang nổi lên những đột phá công nghệ trong các lĩnh vực như trí tuệ nhân tạo, robot, Internet vạn vật, xe tự lái, công nghệ in 3D, và công nghệ nano [3]. Vì vậy, hướng nghiệp cho người học theo các ngành nghề phù hợp với cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 4 là một vấn đề rất quan trọng. Một trong những giải pháp đặt ra là tạo điều kiện để HS sớm được tiếp cận với những kiến thức, kĩ năng nền tảng về điện tử, về kĩ thuật số, trí tuệ nhân tạo, internet vạn vật ở mức độ phù hợp ngay từ khi còn ngồi trên ghế nhà trường. Điều này đòi hỏi các chủ đề giáo dục STEM, các thiết bị giáo dục STEM cần có một sự phù hợp tương ứng. Trên cơ sở nghiên cứu chương trình giáo dục phổ thông hiện hành và chương trình giáo dục phổ thông mới của Việt Nam, nghiên cứu các mô hình triển khai giáo dục STEM, chúng tôi nghiên cứu và xây dựng bộ thiết bị điện tử hỗ trợ giáo dục STEM theo hướng: bám sát Chương trình giáo dục phổ thông Việt Nam hiện hành và Chương trình đổi mới sắp tới, phù hợp với nhiều mô hình triển khai, với nhiều đối tượng HS và phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ hiện nay và trong tương lai gần. Bài viết phác thảo quy trình thiết kế và định hướng khai thác sử dụng bộ thiết bị điện tử hỗ trợ giáo dục STEM. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Định hướng thiết kế thiết bị - Dựa trên mô hình IPO (Input - Process - Output): đây là mô hình chức năng xác định đầu vào, đầu ra và các tác vụ xử lí cần thiết để biến đổi đầu vào thành đầu ra. - Module hóa: Bộ thiết bị gồm các bo mạch hoàn thiện, có khả năng hoạt động độc lập và cũng có thể ghép nối với bo mạch khác thực hiện công việc mở rộng. - Định hướng giải quyết các vấn đề thực tiễn: Bộ thiết bị được xây dựng hàm chứa những kịch bản dạy học hướng đến việc giải quyết những vấn đề thực tiễn trong cuộc sống như vấn đề sức khỏe, năng lượng, môi trường VJE Tạp chí Giáo dục, Số 467 (Kì 1 - 12/2019), tr 56-60 57 - Tính đa chức năng: Bộ thiết bị có thể giúp giải quyết nhiều bài toán khác nhau. Các thiết bị có thể được sử dụng linh hoạt trong nhiều bối cảnh học tập khác nhau. - Đa phương án: Bộ thiết bị cho phép người học có thể có nhiều phương án khác nhau khi giải quyết một nhiệm vụ và cũng có thể giải quyết nhiều nhiệm vụ trên cùng một thiết bị, điều này sẽ tạo cơ hội cho HS được tự do tư duy, bộc lộ năng lực sáng tạo trong việc tìm ra các giải pháp các ý tưởng cho vấn đề cần giải quyết. - Định hướng thiết kế kĩ thuật: Đặc điểm nổi bật của giáo dục STEM là nhấn mạnh yếu tố kĩ thuật và cụ thể là tính thiết kế. Bộ thiết bị có thể sử dụng linh hoạt theo quy trình thiết kế kĩ thuật để giải quyết các bài toán đặt ra. 2.2. Quy trình thiết kế thiết bị hỗ trợ giáo dục STEM Hình 1. Quy trình thiết kế thiết bị hỗ trợ giáo dục STEM - Bước 1. Nghiên cứu chương trình: Đây là bước quan trọng để thiết bị khi được thiết kế phải đảm bảo phù hợp với mục tiêu, nội dung chương trình. Đảm bảo tính khả thi cũng như định hướng nghề nghiệp trong tương lai của HS. Nghiên cứu chương trình là việc tìm hiểu về mục tiêu, nội dung, cấu trúc các môn học thuộc lĩnh vực STEM. - Bước 2. Xây dựng các chủ đề STEM: + Giáo dục STEM là hoạt động giáo dục có chủ đích do vậy xác định các chủ đề giáo dục STEM nhằm truyền tải những kiến thức gì, thông điệp gì là rất quan trọng. Về bản chất sẽ là lấy “sản phẩm” là xuất phát điểm cho các hoạt động nhận thức của người học và các tiêu chí của “sản phẩm” sẽ là “vỏ bọc” cho những kiến thức, thông điệp mà giáo viên mong muốn học sinh vận dụng và lĩnh hội sau khi hoàn thành nhiệm vụ/giải quyết vấn đề. + Giáo dục STEM giúp HS không chỉ hiểu về những cơ chế/nguyên lí/tính chất về mặt khoa học mà còn có thể ứng dụng những cơ chế/nguyên lí/tính chất khoa học thông qua việc vận dụng các kiến thức công nghệ, kĩ thuật để giải quyết những vấn đề trong thực tiễn cuộc sống (đó là những vấn đề về môi trường, sức khỏe, năng lượng, giảm thiểu nguy hiểm.). Ví dụ: từ tính chất điện li hình thành ý tưởng thiết kế hệ cảm biến độ ẩm từ đó có thể thiết kế thống tưới tiêu thông minh, kiểm soát độ mặn trong nước nuôi tôm, hay kiểm soát nước bẩn. Hiểu về hệ tuần hoàn biết được một điều quan trọng là máu có màu đỏ tươi khi tim bơm máu đến các động mạch đi nuôi các tế bào trong cơ thể và có màu đỏ nhạt khi tim thu máu về từ các tĩnh mạch, sự thay đổi sắc tố máu này tương ứng với nhịp đập của tim để từ đó thiết kế được thiết bị đo nhịp tim. Các chủ đề định hướng sản phẩm; tuy nhiên, sản phẩm không phải là cái đích cuối cùng và duy nhất mà con đường để làm ra sản phẩm đó là một mục tiêu quan trọng của các chủ đề. Bảng 1. Định hướng một số chủ đề STEM Sức khỏe Năng lượng, năng lượng tái tạo Robot và máy thông minh Nông nghiệp công nghệ cao IoT Nghệ thuật - Y sinh - Cảm biến nhận biết các dấu hiệu sinh tồn; - Cảm biến, theo dõi tình trạng sức khỏe; - Ứng dụng AI trong chẩn đoán, điều trị các bệnh lí, - Năng lượng và các dạng chuyển hóa của năng lượng; - Năng lượng sạch; - Năng lượng tái tạo; - Kiểm soát, sử dụng năng lượng có hiệu quả; - - Hệ thống truyền động và kết cấu cơ khí; - Cảm biến, đo lường; - Robot thay thế con người làm việc trong các môi trường nặng nhọc, độc hại; - . - Trồng trọt công nghệ cao; - Ứng dụng công nghệ cao trong thu hoạch, chế biến, bảo quản lương thực, thực phẩm; - Vườn thông minh, - Nhà thông minh; - Giám sát, điều khiển từ xa; - Hệ thống cảnh báo, định vị; - . - Âm thanh, hiệu ứng âm thanh; - Ánh sáng, hiệu ứng ánh sáng; - Trang trí, làm đẹp, VJE Tạp chí Giáo dục, Số 467 (Kì 1 - 12/2019), tr 56-60 58 - Bước 3. Thiết kế thiết bị: + Bước đầu tiên của hoạt động này là việc nghiên cứu lựa chọn mô hình thiết kế thiết bị: Giáo dục STEM giúp người học có thể vận dụng kiến thức để giải quyết các vấn đề thực tiễn do vậy có thể hình dung những kiến thức của người học chính là những tín hiệu đầu vào (input), các vấn đề thực tiễn cần giải quyết là các tín hiệu đầu ra (output). Quá trình giải quyết vấn đề là một quá trình điều khiển. Do vậy nghiên cứu đã lựa chọn mô hình lí thuyết hệ thống và điều khiển học làm cơ sở cho mô hình thiết kế thiết bị (hình 2). Hình 2 + Nghiên cứu nội dung các môn học ở hoạt đông nghiên cứu chương trình sẽ giúp tìm ra những cơ chế, nguyên lí, tính chất khoa học là cơ sở nền tảng để hình thành ý tưởng xây dựng các module đầu vào. Nghiên cứu các bài toán thực tiễn để thiết kế module đầu ra. Ví dụ một số hình ảnh về bộ thiết bị đã được thiết kế (bảng 2): - Bước 4. Tổ chức dạy thử nghiệm: Trên cơ sở bộ thiết bị và dựa trên các chủ đề STEM được định hướng trong quá trình thiết kế thiết bị, chúng tôi xây dựng các kịch bản trải nghiệm với bộ thiết bị cho HS với các mức độ từ đơn giản đến phức tạp. Một số chủ đề trải nghiệm được thiết kế như: Thiết kế ô tô dò đường, ô tô điều khiển bằng điện thoại thông minh, thiết bị đo nhịp tim, hệ thống tưới nước tự động, hệ thống cảnh báo khí ga, Các chủ đề này được tổ chức dạy thử nghiệm để đánh giá sự phù hợp của chủ đề, mức độ đáp ứng của thiết bị để từ đó điều chỉnh thiết bị và kịch bản cho phù hợp với nội dung chương trình, trình độ của HS và điều kiện triển khai ở các nhà trường. Kết quả khảo sát được thể hiện ở bảng 3 (trang bên). Kết quả bảng 3 cho thấy: tất cả các tiêu chí đều không tuân theo phân phối chuẩn (P < 0,05), nên sử dụng giá trị trung vị để đánh giá. Hầu hết các tiêu chí: nghiên cứu kĩ tài liệu hướng dẫn trước khi làm, vận dụng kiến thức của nhiều môn học khác nhau để giải quyết nhiệm vụ, các Đầu vào Xử lí Đầu ra Bảng 2. Một số bộ thiết bị đã thiết kế Đầu vào Xử lí Đầu ra Cảm biến độ ẩm đất Còi báo Cảm biến ánh sáng Máy bơm điện Cảm biến hồng ngoại Cảm biến đo nhịp tim Đèn Led chiếu sáng VJE Tạp chí Giáo dục, Số 467 (Kì 1 - 12/2019), tr 56-60 59 nhiệm vụ là vừa sức, hoạt động giúp em phát triển khả năng phát hiện và giải quyết vấn đề, em cảm thấy hứng thú với hoạt động, em có suy nghĩ cải tiến/phát triển sản phẩm này đều được HS đồng ý (với giá trị trung vị là 3,25-75th: 3-4). Tiêu chí: em được trao đổi, giao tiếp và hợp tác với bạn bè; hoạt động giúp em phát triển tư duy sáng tạo được HS rất đồng ý (với giá trị trung vị là 4, 25- 75th: 3-4). Kết quả cho thấy tính phù hợp của chủ đề và thiết bị nhằm gia tăng hứng thú, phát triển các năng lực giải quyết vấn đề của HS trong giáo dục STEM. Bảng 3. Khảo sát HS sau trải nghiệm Các tiêu chí Số lượng Lựa chọn (%) X SD Trung vị (25-75th) P Rất không đồng ý (1) Không đồng ý (2) Đồng ý (3) Rất đồng ý (4) 1. Em đã nghiên cứu kĩ các tài liệu hướng dẫn trước khi làm 377 0,3 4 59,2 36,6 3,32 0,56 3 (3-4) < 0,001 2. Em đã vận dụng kiến thức của nhiều môn học khác nhau để giải quyết nhiệm vụ 377 0 7,2 53,1 39,8 3,33 0,60 3 (3-4) < 0,001 3. Các nhiệm vụ là vừa sức với em 371 0 2,2 57,7 40,2 3,38 0,53 3 (3-4) < 0,001 4. Em được trao đổi, giao tiếp và hợp tác với bạn bè 378 0,3 1,1 31,5 67,2 3,66 0,51 4 (3-4) < 0,001 5. Hoạt động này giúp em phát triển khả năng phát hiện và giải quyết vấn đề 376 0,3 2,7 48,4 48,7 3,45 0,56 3 (3-4) < 0,001 6. Hoạt động này giúp em phát triển tư duy sáng tạo 373 0 6,2 43,2 50,7 3,45 0,61 4 (3-4) < 0,001 7. Em cảm thấy hứng thú với hoạt động này 376 0,3 1,3 48,7 49,7 3,48 0,54 3 (3-4) < 0,001 8. Em có suy nghĩ về việc cải tiến/phát triển sản phẩm này 366 2,7 13,1 53,6 30,6 3,12 0,73 3 (3-4) < 0,001 Trung bình 2994 0,5 4,7 49,3 45,5 3,41 0,65 3 (3-4) < 0,001 Hình 3. Minh họa thiết bị cho chủ đề Hệ thống tưới nước tự động VJE Tạp chí Giáo dục, Số 467 (Kì 1 - 12/2019), tr 56-60 60 - Bước 5. Đóng gói: Ở bước này, ngoài thiết bị đã được hiệu chỉnh thì các kịch bản, tài liệu hướng dẫn, danh mục thiết bị sẽ được hoàn thiện để đảm bảo sự đồng bộ. 2.3. Đặc điểm bộ thiết bị điện tử hỗ trợ giáo dục STEM - Ngoài các module được thiết sẽ sẵn thì đi kèm các module là các tài liệu về các sơ đồ nguyên lí, cách bố trí linh kiện, mạch in PBC, đây là những chỉ dẫn quan trọng để giáo viên có thể xây dựng thành nhiều bài học STEM với mức độ phức tạp khác nhau và các bối cảnh học tập khác nhau STEM dạy kiến thức mới, STEM vận dụng, hay tổ chức cho HS trải nghiệm, nghiên cứu từ mức đơn giản là ghép nối từ các module thiết kế sẵn đến việc HS tự làm các module với các giai đoạn: Xác định nhiệm vụ thiết kế, thiết kế mạch, hàn linh kiện - Trên thực tế các module cảm biến đầu vào hay kit lập trình adruino được sản xuất và bán rất phổ biến trên thị trường tuy nhiên do rất nhiều nhà phát triển và nhiều phiên bản nên các chuẩn kết nối liên tục bị thay đổi khiến gây khó khăn cho người dùng đặc biệt là đối tượng HS mới tiếp xúc chưa có nhiều kiến thức về điện tử nói chung. Do vậy các module ở đây được thiết kế với chuẩn chung kết nối rất phổ biến là chuẩn USB điều này giúp HS dễ dàng tìm hiểu và kết nối. - Cấu trúc thiết bị gồm: cơ cấu cơ khí và cơ cấu điều khiển có mức độ phức tạp khác nhau tùy thuộc vào vấn đề/bài toán phải giải quyết. - Thiết bị có khả năng lập trình: với sự phát triển của hệ thống nhúng, IoT thiết bị được xây dựng theo hướng HS có thể lập trình với thiết bị để giải quyết các bài toán phức tạp hơn với nhiều tham số đầu vào. 2.4. Định hướng khai thác và sử dụng bộ thiết bị - Sử dụng bộ thiết bị như một “nguồn” thông tin: Theo cách này giáo viên một số bộ môn như Vật lí, Tin học, Công nghệ có thể sử dụng bộ thiết bị như một nội dung học tập. HS được hướng dẫn để quan sát tìm hiểu các kiến thức liên quan về linh kiện điện tử, bo mạch, chuẩn kết nối, vi xử lí - Sử dụng mô hình hóa sơ đồ: Trong dạy học Vật lí, Công nghệ có nhiều kiến thức liên quan đến mạch điện và giáo viên thường vẽ các sơ đồ mạch điện lên bảng để hướng dẫn HS về nguyên lí hoạt động và các phần tử phổ biến trong mạch điện hay được sử dụng như nguồn, khóa K, bóng đèn (thiết bị tiêu thụ điện). Với những module nguồn, khóa K, bóng đèn được thiết kế trong bộ thiết bị (các module có đế nam châm có thể dễ dàng dính lên bảng) giáo viên hoàn toàn có thể chuyển từ hình vẽ nguyên lí sang mô hình thật giúp bài học trở nên sinh động, trực quan hơn. - Theo mức độ áp dụng giáo dục STEM trong giáo dục phổ thông [1] bộ thiết bị có thể được sử dụng trong dạy các môn khoa học theo phương thức giáo dục STEM. Với những chủ đề thiết kế sẵn từ bộ thiết bị có thể tổ chức các hoạt động trải nghiệm ngoại khóa STEM hiệu quả cho HS. Trên cơ sở bộ thiết bị có thể cho phép HS nghiên cứu sáng tạo phát triển thành các ứng dụng khác, vì vậy bộ thiết bị có thể sử dụng là những thiết bị hỗ trợ hữu ích cho hoạt động nghiên cứu khoa học trong các lĩnh vực về tự động hóa, hệ thống nhúng, trí tuệ nhân tạo 3. Kết luận Nghiên cứu đã xây dựng được các module thiết bị điện tử hỗ trợ giáo dục STEM trong nhà trường phổ thông. Các bộ thiết bị đã được dạy thử nghiệm, tinh chỉnh để đảm bảo sự phù hợp với chương trình. Bộ thiết bị điện tử giúp người học kết hợp lí thuyết với thực hành, vận dụng kiến thức trong nhà trường để giải quyết các vấn đề thực tiễn trong đời sống, kích thích hứng thú học tập của người học đối với các môn học thuộc lĩnh vực STEM; đồng thời, tạo điều kiện để người học học tập, rèn luyện kĩ năng; qua đó, phát triển năng lực cá nhân, tìm hiểu và định hướng nghề nghiệp tương lai. Bên cạnh đó, bộ thiết bị hỗ trợ việc tổ chức các hoạt động trải nghiệm, nghiên cứu khoa học cho người học. Tuy nhiên, bộ thiết bị có những thách thức cần tiếp tục nghiên cứu cải tiến đó là độ bền và tính ổn định cũng như giá thành của thiết bị. (Nghiên cứu được tài trợ bởi đề tài B2017-SPH29) Tài liệu tham khảo [1] Bộ GD-ĐT (2019). Tài liệu tập huấn Dạy học môn khoa học ở trường trung học theo định hướng STEM. [2] Hermann - Pentek - Otto (2015). Design Principles for Industrie 4.0 Scenarios. Working paper, No. 01. [3] Schwab, Klaus (2016). The Fourth Industrial Revolution: what it means, how to respond. World Economic Forum. [4] Trịnh Văn Đích (2019). Một số lí luận về thiết kế và sử dụng trò chơi kĩ thuật trong dạy học môn Công nghệ ở trung học phổ thông. Tạp chí Giáo dục, số 449, tr 26-31. [5] Lê Huy Hoàng - Lê Xuân Quang (2018). Định hướng giáo dục STEM trong chương trình giáo dục phổ thông mới. Tạp chí Khoa học dạy nghề, số 52- 53, tr 28-32. [6] Lê Xuân Quang (2016). Một số vấn đề trong dạy học môn Công nghệ theo định hướng giáo dục STEM. Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, số 61, 6B, tr 211-218. [7] Phạm Quang Tiệp (2017). Bản chất và đặc điểm của mô hình giáo dục STEM. Tạp chí Khoa học giáo dục, Viện Khoa học Giáo dục Việt Nam, số 145 - tháng 10, tr 61-64.