Dạy Học Phát Triển Năng Lực Giải Quyết Vấn Đề

Tuy nhiên, có thể chia ra các bộ dụng cụ robot trên thị trường thành 3 nhóm khác nhau:

+ Bộ dụng cụ robot điện tử (Electronic Robot Kit): các bộ dụng cụ này giúp HS không chỉ học về robot mà còn học về kiến thức điện tử cơ bản, ví dụ như bộ robot của Arduino, Boebot. Những bộ dụng cụ này cũng yêu cầu khả năng lập trình tốt, HS sau khi lắp ráp robot, HS được học cách lập trình

và tải mã nguồn vào robot[22].

Hình 1.4. Electronic Robot kit

Hình 1.5. Mechanical Robot kit

+ Bộ dụng cụ robot cơ học (Mechanical Robot Kit): các bộ dụng cụ này cho phép người sử dụng có được tự do và linh hoạt trong việc lắp ráp cấu trúc cơ học của robot, có thể kể đến bộ robot phổ biến nhất là LEGO Mindstorms. Thông qua việc lắp ráp các bộ phận và cảm biến cho robot, HS có thể được tích luỹ rất nhiều kiến thức đa dạng như lập trình, vật lí, thiết kế kĩ thuật, khoa học robot[22].

+ Bộ dụng cụ robot người máy (Humanoid Robot): những robot này thường có hình dạng như động vật (chó, mèo), nhân vật hoạt hình, hay hình dạng giống cơ thể người. Những robot này đã được lập trình sẵn và có thể tương tác, giao tiếp với con người thông qua âm thanh giọng nói, biểu hiện khuôn mặt trên màn hình, cử chỉ tay chân. Những robot này giúp hỗ trợ người học như là một người bạn, có thể tương tác, nhắc nhở đúng sai. Một số robot điển hình trong nhóm này có thể kể đến như Nao, Beebot[22].

Tuỳ vào mục đích sử dụng mà GV có thể lựa chọn bộ dụng cụ robot

Hình 1.6.

Humanoid robot

phù hợp cho việc dạy học HS. Sự lựa chọn phù hợp này cần phải được xem xét dựa trên các yếu tố chính là: giá thành của robot, môn học giảng dạy, độ tuổi của học sinh [22].

Trong phạm vi của đề tài này, tác giả sẽ sử dụng bộ công cụ robot điện tử trong dạy học STEM, thông qua việc HS tìm hiểu về robot và điện tử, HS còn được tiếp thu kiến thức về các môn khoa học, lập trình trên nền tảng mBlock.

1.2.4. Cấu trúc hệ thống của robot trong Giáo dục Robot

Ngoài việc quan tâm đến các loại robot, thì ta cũng cần phải quan tâm đến cấu trúc hệ thống cơ bản của một robot trong Giáo dục robot gồm những bộ phận nào để từ đó có thể lựa chọn những linh kiện, bộ phận phù hợp cho mục đích sử dụng trong dạy học.

Một hệ thống robot thường sẽ gồm 3 bộ phận cơ bản chính được thể hiện sơ đồ sau:

Hình 1.7. Sơ đồ các bộ phận của robot[23]

+ Bộ phận thu nhận thông tin: hay còn gọi là Cảm biến dùng đề thu thập, ghi nhận các thông tin từ môi trường bên ngoài thông qua các cảm biến, những thông tin này sẽ được cung cấp cho bộ não xử lí. Bộ phận này xem như là “giác quan” giống như con người của robot để robot cảm nhận môi trường xung quanh.

+ Bộ não xử lí, điều khiển: là trung tâm hoạt động của robot, đây là nơi tiếp nhận thông tin đầu vào từ bộ phận thu nhận tín hiệu. Thông tin sẽ được xử lí và nếu đáp ứng đúng một điều kiện nào đó, bộ não sẽ tiến hành gửi tín hiệu điều khiển đến bộ phận thực hiện nhiệm vụ để thực thi một hành động cụ thể phản hồi với thông tin đầu vào.

+ Bộ phận thực hiện nhiệm vụ: là nơi nhận tín hiệu điều khiển từ trung tâm xử lí, bộ phận này sẽ tiến hành thực hiện các thao tác cơ học (như quay bánh xe, cánh tay gắp, chân bước…) theo đúng yêu cầu của bộ não. Bộ phận này cũng sẽ gửi các thông tin ngược trở lại bộ não xử lí (ví dụ như số vòng quay bánh xe,…).

1.3. Dạy học phát triển năng lực giải quyết vấn đề

1.3.1. Khái niệm năng lực giải quyết vấn đề

Năng lực là thuộc tính cá nhân được hình thành, phát triển nhờ tố chất sẵn có và quá trình học tập, rèn luyện, cho phép con người huy động tổng hợp các kiến thức, kĩ năng và các thuộc tính cá nhân khác như hứng thú, niềm tin, ý chí,... thực hiện thành công một loại hoạt động nhất định, đạt kết quả mong muốn trong những điều kiện cụ thể. (Theo Chương trình Tổng thể, 2018)[2].

Năng lực giải quyết vấn đề của học sinh được hiểu là sự huy động tổng hợp kiến thức, kĩ năng, thái độ, xúc cảm của học sinh đó để giải quyết các tình huống thực tiễn trong bối cảnh cụ thể mà các giải pháp không có sẵn ngay lập tức[24].

1.3.2. Cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề

Năng lực giải quyết vấn đề của học sinh được thể hiện thông qua những hoạt động trong quá trình giải quyết vấn đề. Theo tác giả Đỗ Hương Trà, phân tích cấu trúc của năng lực giải quyết vấn đề qua tiến trình giải quyết vấn đề có thể thấy có bốn thành tố sau[24]:

+ Năng lực tìm hiểu vấn đề: Nhận biết, phát hiện vấn đề, xác định đượ những thông tin đã cho, thông tin cần tìm.

+ Năng lực đề xuất giải pháp giải quyết vấn đề: Phân tích, sắp xếp, kết nối các thông tin với kiến thức đã biết và đưa ra giải pháp, lựa chọn giải pháp tốt nhất để giải quyết vấn đề. Năng lực thiết lập không gian vấn đề bao gồm mô tả vấn đề bằng ngôn ngữ vật lí, thiết lập mối quan hệ giữa các đại lượng để giải quyết tình huống.

+ Năng lực thực hiện giải pháp giải quyết vấn đề: Trình bày giải pháp, điều chỉnh giải pháp cho phù hợp với thực tiễn khi có sự thay đổi.

+ Năng lực đánh giá và phản ánh giải pháp, xây dựng vấn đề mới: Đánh giá giải pháp đã thực hiện và vấn đề đặt ra; phản ánh giá trị của giải pháp, xác nhận những kiến thức và kinh nghiệm.

1.3.3. Giải quyết vấn đề theo Tư duy máy tính (Computational Thinking)

Tư duy máy tính (hay Computational Thinking) là thuật ngữ được giới thiệu lần đầu bởi Wing (2006)[12]. Theo Wing, “Tư duy máy tính (hay Computational Thinking) là các quá trình tư duy của con người nhằm hình thành vấn đề và đề xuất ra giải pháp cho vấn đề đó sao cho giải pháp này được thể hiện dưới dạng mà có thể được thực thi hiệu quả bởi các công cụ xử lí thông tin” [25]. Wing cũng cho rằng Tư duy máy tính là một trong những kĩ năng cần thiết mỗi người cần biết trong thế kỉ 21.

Tư duy máy tính liên quan đến nhiều quá trình tư duy khác nhau, có thể kể đến một số quá trình quan trọng nhất trong tư duy máy tính gồm[26]:

+ Phân tích (Decomposition): Chia nhỏ vấn đề, tiến trình thành các thành phần nhỏ hơn có thể dễ dàng xử lí.

+ Xác định các mối liên hệ (Patter Recognition): Quan sát và tìm ra các điểm tương đồng, các mẫu hình, mối liên hệ của giữa các vấn đề.

+ Hệ thống hoá (Abstraction): Xác định và rút trích các thông tin cần thiết để giải quyết vấn đề chính.

+ Thiết kế thuật toán (Algorithm design): đề xuất ra một chuỗi các bước thực thi nhằm giúp giải quyết các vấn đề mang tính tương tự.

+ Tự động hoá (Automation): sử dụng máy móc hoặc máy tính để thực hiện các công việc mang tính lặp lại.

Thông qua các quá trình của tư duy máy tính, ta có thể thấy tư duy máy tính có mối liên hệ tương đồng với tư duy giải quyết vấn đề. Mối quan hệ tương đồng này có thể được thể hiện qua bảng sau:

Bảng 1.2. So sánh tư duy GQVD và tư duy máy tính[27]

Tư duy GQVD

Tư duy máy tính

Mô tả

Xác định và trình bày vấn đề

Đối chiếu

(Confrontation)

Xác định, làm rõ vấn đề và các thông tin cần thiết liên quan.

Nghiên cứu tìm hiểu thông tin

Phân tích

(Decomposition)

Xác định mối liên hệ

(Pattern recognition)

Lập luận phân tích vấn đề thành các đối tượng nghiên cứu thành phần.

Xác định các thông tin liên hệ phản ánh sự kết nối giữa các đối tượng nghiên cứu

trong tổng thể chung để tìm được các giải pháp hiệu quả.

Hệ thống hoá thông tin

Hệ thống hoá

(Abstraction)

Lựa chọn các thông tin và đặc tính quan

trọng, hoặc các quy luật với các đối tượng nghiên cứu, cần thiết đối với giải pháp.

Đề xuất kế hoạch và thực hiện

Tư duy thuật toán

(Algorithm)

Đề xuất các bước cụ thể hoặc tiến trình một cách hệ thống, chặt chẽ để giải quyết

vấn đề.

Kiểm tra và điều chỉnh

Đánh giá

(Evaluation)

Vận hành, thử nghiệm sản phẩm/giải pháp để ghi nhận kết quả, phân tích hiệu quả trên cơ sở đối chiếu với các thông đã

tổng hợp ở pha hệ thống hoá.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 216 trang tài liệu này.

Giáo dục khoa học Robot là một công cụ học tập quan trọng nhằm giúp học sinh phát triển tư duy máy tính[28]. Nhiều minh chứng chỉ ra rằng học sinh khi tham gia các hoạt động lắp ráp và lập trình robot tự động cho thấy được sự hữu dụng của robot như là một công cụ dạy học cho mọi lứa tuổi học sinh. Việc bắt đầu dạy học phát triển tư duy máy tính cho học sinh từ lứa tuổi nhỏ sẽ giúp học sinh có được thuận lợi trong học tập không những trong lĩnh vực lập trình hay tính toán mà còn trong nhiều ngành học có liên quan đến kĩ năng giải quyết vấn đề[28].

Hơn thế nữa, một trong những cách tiếp cận tốt nhất trong giáo dục STEM là tích hợp STEM với yếu tố tư duy máy tính[29]. Chính nhờ những sự tương đồng giữa giáo dục STEM, giáo dục khoa học Robot và Tư duy máy tính, mà nếu như ta kết hợp ba yếu tố này với nhau trong một chủ đề dạy học, có thể là một cách hữu hiệu nhằm phát triển năng lực giải quyết vấn đề của học sinh.

1.3.4. Khung năng lực giải quyết vấn đề trong giáo dục khoa học robot

Theo tác giả Lê Hải Mỹ Ngân và Nguyễn Văn Biên, cấu trúc năng lực giải quyết vấn đề có sự kết hợp với Giáo dục khoa học Robot và Tư duy máy tính dành cho HS trung học cơ sở được thể hiện trong bảng sau[27]:

Bảng 1.3. Khung năng lực giải quyết vấn đề trong GD khoa học robot

Hợp phần

Thành tố	Chỉ số hành vi	Mô tả
A. TÌM HIỂU VẤN ĐỂ	A.1 Phát hiện vấn đề	A.1.1 Trình bày vấn đề thực tiễn cần giải quyết.	HS phát hiện các thông tin trong vấn đề thực tiễn cần giải quyết trong tình huống hoặc bối cảnh, từ đó phát biểu vấn đề sử dụng ngôn ngữ cá nhân.
	A.1 Phát hiện vấn đề	A.1.2 Làm rõ ý tưởng liên hệ giải pháp sử dụng robot.	HS nhận ra các thông tin trong vấn đề cần giải quyết để thấy sự phù hợp và cần thiết sử dụng giải pháp robot, từ đó trình bày làm rõ sự đáp ứng và lợi ích của giải pháp
	A.2 Phân tích vấn đề	A.2.1 Xác định nhiệm vụ cụ thể và các thông tin liên quan trên cơ sở nguyên lí chung của robot.	HS làm rõ nhiệm vụ cụ thể robot cần thực hiện để giải quyết vấn đề, kèm theo các thông tin chi tiết cần thiết theo nguyên lí hoạt động cơ bản của robot, bao gồm: thông tin tín hiệu đầu vào, các yêu cầu trong việc xử lí thông tin, và thông tin tín hiệu đầu ra hoặc thao tác robot cần thực hiện. **Nhiệm vụ và các thông tin có thể được phát biểu bằng ngôn ngữ nói, ví dụ: Robot/hệ thống cần ghi nhận được thông tin A. Nếu thông tin của A thoả điều kiện B thì robot/hệ thống sẽ thực hiện nhiệm vụ cụ thể là C để giải quyết vấn đề. → A, B, C trong ví dụ này là thông tin HS cần làm rõ.
	A.2 Phân tích vấn đề	A2.2 Hệ thống hoá nhiệm vụ cụ thể trong sự gắn kết với các thông tin cần thiết của robot một cách khoa học.	HS sử dụng phương thức trình bày phù hợp để diễn đạt nhiệm vụ cụ thể và các thông tin cần thiết đối với robot sau khi đã xác định được. Việc hệ thống hoá các thông tin của robot một cách khoa học sẽ chính là kết quả cụ thể nhất của quá trình đối chiếu (Confrontation) trong tư duy tính toán. Đây cũng chính là cơ sở để HS tiếp tục các

pha hoạt động tiếp theo trong tiến trình giải quyết vấn đề.

**Các phương thức trình bày:

(1) văn bản viết; (2) sơ đồ; (3) hình vẽ.

B. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP

B.1

Nghiên cứu và lựa chọn thông tin

B.1.1 Xác định các bộ phận của robot phù hợp với nhiệm vụ.

HS xác định và nêu rõ các linh kiện phù hợp với từng bộ phận của robot trên cơ sở nhiệm vụ cụ thể của robot, bao gồm: cảm biến (thu nhận thông tin), bộ não xử lí và bộ phận thực hiện tác động ra bên ngoài.

B.1.2 Tìm kiếm và trình bày các kiến thức liên quan các bộ phận robot và nhiệm vụ cần thực hiện.

HS huy động và làm rõ các kiến thức thông tin liên quan cần thiết để thực hiện thiết kế, chế tạo và làm chương trình hoạt động cho robot.

- Kiến thức về cấu tạo, nguyên lí vận hành của từng bộ phận.

- Kiến thức cần thiết để thiết lập các mệnh lệnh cho bộ não của robot.

**Ghi chú:

+ Mũi tên màu đỏ thể hiện các nội dung cơ bản tìm hiểu về một robot và robot chính là đối tượnghọc tập.

+ Mũi tên màu xanh thể hiện các nội dung thông qua thiết kế robot giải quyết vấn đề, HS sẽ tìm hiểu kiến thức để đưa vào cho robot, khi này robot đóng vai trò công cụ học tập.

	B.1.3 Thực hành tìm hiểu các bộ phận robot.	HS thực hiện các hoạt động khám phá và ghi nhận kết quả để tìm hiểu và vận dụng những kiến thức đã tổng hợp vào làm rõ các bộ phận của robot.
B.2 Đề xuất giải pháp	B.2.1 Trình bày cách lắp ráp các bộ phận của robot.	HS trình bày bằng hình vẽ hoặc văn bản viết về cách lắp ráp các bộ phận của robot phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ.
B.2 Đề xuất giải pháp	B.2.2 Phân tích và làm rõ các bước “xử lí thông tin” cho bộ não robot.	HS thể hiện rõ các bước “xử lí thông tin” robot cần thực hiện để ghi nhận được thông tin từ cảm biến và thực hiện đúng nhiệm vụ theo yêu cầu. Sơ đồ là cơ sở để HS tiến hành lập trình cho robot.
B.3 Thiết kế sản phẩm	B.3.1 Kết nối hệ thống robot vào điều kiện sử dụng thực tiễn.	Dựa vào điều kiện thực tiễn sử dụng, HS đề xuất phương án thiết kế sản phẩm hoàn thiện để giải quyết vấn đề. Kết cấu các bộ phận của robot được gắn kết trong một sản phẩm hoàn thiện ứng với điều kiện thực tiễn khi sử dụng.
B.3 Thiết kế sản phẩm	B.3.2 Trình bày phương án thiết kế sản phẩm hoàn thiện đáp ứng điều kiện thực tiễn.	HS trình bày cụ thể thiết kế sản phẩm hoàn thiện bằng một phương thức phù hợp để thể hiện được các nội dung cơ bản: - Cấu trúc và kích thước chi tiết đối với sản phẩm - Nguyên vật liệu sử dụng - Các sử dụng sản phẩm
C. THỰC HIỆN, ĐÁNH GIÁ	C.1 Chế tạo sản phẩm	C.1.1 Thiết lập kế hoạch chế tạo robot.	HS làm rõ các bước cần thực hiện để hoàn thành sản phẩm, bao gồm các bước chuẩn bị, lắp ráp và các bước lập trình đối với một công cụ cụ thể (mBlock, Scratch, …)
	C.1 Chế tạo sản phẩm	C.1.2 Chế tạo sản phẩm robot theo kế hoạch.	HS thực hiện theo kế hoạch đã đề ra và hoàn thiện sản phẩm, là giải pháp cụ thể cho vấn đề đặt ra ban đầu.
	C.2 Vận hành và điều chỉnh	C.2.1 Đánh giá sự phù hợp của giải pháp và việc thực hiện theo tiến trình.	HS thử nghiệm vận hành hoạt động của robot, ghi nhận kết quả hoạt động so với yêu cầu trong nhiệm vụ.
	C.2 Vận hành và điều chỉnh	C.2.2 Cải tiến và điều chỉnh.	HS phát hiện lỗi sai của sản phẩm; trình bày dự định cải tiến và điều chỉnh.