NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Cơ sở lí luận
Năng lực là thuộc tính cá nhân được hình thành và phát triển qua tố chất, học tập, và rèn luyện Nó cho phép con người huy động kinh nghiệm, kỹ năng, và các thuộc tính cá nhân khác như hứng thú, niềm tin, và ý chí, nhằm đạt được kết quả trong các hoạt động dưới những điều kiện cụ thể.
Chương trình giáo dục phổ thông 2018 nhằm phát triển cho học sinh các năng lực cốt lõi, bao gồm năng lực chung và năng lực đặc thù Năng lực chung là những năng lực cơ bản, thiết yếu cho mọi hoạt động trong cuộc sống và công việc Trong khi đó, năng lực đặc thù được hình thành từ năng lực chung, tập trung vào các lĩnh vực chuyên sâu như toán học, âm nhạc, mĩ thuật và thể thao, đáp ứng nhu cầu của các hoạt động chuyên biệt.
Các năng lực chung được hình thành và phát triển thông qua các môn học và hoạt động giáo dục bao gồm năng lực tự chủ và tự học, năng lực giao tiếp và hợp tác, cũng như năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo.
Các năng lực đặc thù như năng lực ngôn ngữ, tính toán, khoa học, công nghệ, tin học, thẩm mỹ và thể chất được hình thành và phát triển chủ yếu thông qua một số môn học và hoạt động giáo dục nhất định.
2 Năng lực đặc thù môn Tin học theo CT CDPT 2018
Năng lực tin học bao gồm năm thành phần năng lực sau đây:
- NLa: Sử dụng và quản lí các phương tiện công nghệ thông tin và truyền thông;
- NLb: Ứng xử phù hợp trong môi trường số;
- NLc: Giải quyết vấn đề với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin và truyền thông;
- NLd: Ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông trong học và tự học;
- NLe: Hợp tác trong môi trường số
* Chương trình môn Tin học ở cấp THPT
Chương trình môn Tin học ở cấp trung học phổ thông được thiết kế để đáp ứng nhu cầu phân hoá định hướng nghề nghiệp, bao gồm các yêu cầu chung về năng lực tin học cho tất cả học sinh Đồng thời, chương trình cũng đưa ra những yêu cầu bổ sung cho học sinh lựa chọn định hướng Tin học ứng dụng hoặc Khoa học máy tính.
Thành phần năng lực Biểu hiện
NLa có khả năng phối hợp và sử dụng hiệu quả các hệ thống kỹ thuật số phổ biến, mô tả chức năng của các bộ phận chính trong máy tính và các thông số cơ bản của thiết bị số Bên cạnh đó, NLa có thể tùy chỉnh chế độ hoạt động của máy tính, trình bày mối quan hệ giữa phần cứng, hệ điều hành và chương trình ứng dụng NLa cũng biết sử dụng các chức năng chính trong hệ điều hành để nâng cao hiệu quả sử dụng máy tính, so sánh mạng LAN và Internet, và hiểu rõ khái niệm IoT Hơn nữa, NLa có thể giới thiệu chức năng cơ bản của một số thiết bị và giao thức mạng thông dụng, cùng với việc sử dụng các ứng dụng thiết thực trên mạng Cuối cùng, NLa nhận thức được vai trò quan trọng của các hệ thống tự động hóa trong việc xử lý và truyền thông tin trong xã hội tri thức.
NLb trình bày rõ ràng các quy định về quyền thông tin và bản quyền, đồng thời đưa ra ví dụ minh họa để tránh vi phạm khi sử dụng tài nguyên số Họ hiểu khái niệm và cơ chế lây lan của phần mềm độc hại, biết cách phòng chống hiệu quả NLb cũng có khả năng tự bảo vệ thông tin, dữ liệu và tài khoản cá nhân, nhận diện được những mặt trái của Internet, hành vi lừa đảo và thông tin xấu, từ đó biết cách xử lý phù hợp Họ thể hiện tính nhân văn khi tham gia thế giới ảo và có hiểu biết tổng quan về nhu cầu nhân lực cũng như tính chất công việc trong lĩnh vực tin học và các ngành nghề sử dụng ICT Cuối cùng, NLb sẵn sàng, tự tin, có tinh thần trách nhiệm và sáng tạo trong các hoạt động liên quan đến tin học.
NLc nắm vững các cấu trúc dữ liệu cơ bản và thuật toán sắp xếp, tìm kiếm, có khả năng viết chương trình và tạo trang web đơn giản Họ hiểu khái niệm hệ cơ sở dữ liệu cùng với kiến trúc hệ cơ sở dữ liệu tập trung và phân tán NLc cũng biết cách sử dụng máy tìm kiếm để khai thác thông tin một cách hiệu quả, an toàn và hợp pháp, đồng thời biết cách tìm kiếm và lựa chọn thông tin cần thiết.
Để phát hiện và giải quyết vấn đề hiệu quả, việc sử dụng 9 thông tin phù hợp và tin cậy là rất quan trọng Các công cụ kỹ thuật số giúp tổ chức và chia sẻ dữ liệu một cách dễ dàng Bên cạnh đó, việc hiểu biết về trí tuệ nhân tạo, cùng với việc nhận diện một số ứng dụng điển hình của nó, sẽ mang lại những lợi ích đáng kể trong quá trình làm việc và ra quyết định.
NLd khai thác hiệu quả các dịch vụ tra cứu và trao đổi thông tin, cùng với nguồn học liệu mở để cập nhật kiến thức, hỗ trợ cho việc học tập và tự học NLd cũng sử dụng thành thạo một số phần mềm hỗ trợ học tập, từ đó tự tin tìm hiểu và khám phá các phần mềm tương tự Qua đó, NLd phát triển ý thức và khả năng tìm kiếm tri thức mới, đồng thời tìm hiểu sâu về nghề nghiệp mà mình quan tâm.
NLe cần biết cách hợp tác hiệu quả trong công việc, sử dụng phần mềm để lập kế hoạch, phân chia và quản lý công việc Đồng thời, lựa chọn các kênh phù hợp để trao đổi thông tin, thảo luận và mở mang tri thức là rất quan trọng Giao tiếp và hòa nhập an toàn trong môi trường số, cũng như biết cách tránh các tác động xấu thông qua các biện pháp phòng tránh cơ bản, là những yêu cầu cần thiết theo định hướng ICT và CS.
Biểu hiện Định hướng ICT Định hướng CS
NLa và – Kết nối được PC với các thiết bị số thông dụng
Hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống năng lượng, đồng thời tổ chức lưu trữ và khai thác dữ liệu hiệu quả để phục vụ cho việc quản lý đơn giản trong thực tế.
– Sử dụng được một số chức năng cơ bản của phần mềm quản lí dự án
Bảo vệ dữ liệu và quản lý phần mềm trên máy tính cũng như thiết bị di động là kỹ năng cần thiết Điều này bao gồm việc cài đặt và gỡ bỏ phần mềm khi cần thiết Ngoài ra, việc nắm vững các phép toán nhị phân cơ bản và ứng dụng của hệ nhị phân trong lĩnh vực tin học cũng rất quan trọng.
– Trình bày được sơ lược việc thiết kế mạng
Sử dụng phần mềm thiết kế đồ họa, chỉnh sửa ảnh và làm phim hoạt hình giúp tạo ra sản phẩm số phục vụ cho việc học tập và thỏa mãn sở thích cá nhân.
Sử dụng thành thạo các phần mềm tin học văn phòng giúp tạo ra sản phẩm số chất lượng, đồng thời giải quyết hiệu quả các vấn đề thực tế thông qua các dự án cụ thể.
–Phân tích được dữ liệu với phần mềm bảng tính
– Biết được mục tiêu và một số thành tựu của Khoa học dữ liệu và Học máy
– Biết được vai trò của phần mềm mô phỏng
3 Năng lực “Giải quyết vấn đề với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin và truyền thông”
- Biết được các cấu trúc dữ liệu cơ bản, các thuật toán sắp xếp và tìm kiếm cơ bản, viết được chương trình, tạo được trang web đơn giản;
Cơ sở thực tiễn
1 Việc dạy và học lập trình ở các trường THPT hiện nay
Việc dạy lập trình ở các trường THPT hiện nay chủ yếu tập trung vào các bài toán toán học, khiến học sinh chưa nhận thức được ứng dụng thực tiễn của lập trình Họ thường thắc mắc về vai trò của lập trình ngoài việc thực hiện các phép tính số học, do phần lớn bài tập trong sách giáo khoa chỉ liên quan đến toán học mà không kết nối với thực tế Do đó, việc giúp học sinh áp dụng kiến thức lập trình vào giải quyết các vấn đề thực tiễn trở nên khó khăn nếu chỉ dựa vào lý thuyết từ giáo viên.
Trong quá trình giảng dạy, giáo viên thường sử dụng phần mềm để kiểm tra các câu lệnh mà không có ví dụ trực quan, dẫn đến việc học sinh gặp khó khăn trong việc tiếp thu kiến thức Điều này khiến cho việc học lập trình trở nên nhàm chán và kém hấp dẫn đối với học sinh.
2 Các cuộc thi khoa học kỹ thuật
Trong những năm gần đây, các cuộc thi khoa học kỹ thuật và sáng tạo dành cho thanh thiếu niên, như kiến tạo tương lai và đề án 1655, đã thu hút sự tham gia đông đảo của học sinh trên khắp các vùng miền Những cuộc thi này không chỉ khuyến khích học sinh trung học nghiên cứu khoa học và sáng tạo công nghệ, mà còn giúp các em áp dụng kiến thức từ các môn học vào giải quyết vấn đề thực tiễn Điều này góp phần đổi mới hình thức dạy học, phát triển văn hóa đọc và thúc đẩy giáo viên nâng cao năng lực chuyên môn của mình.
Cuộc thi thể hiện rõ ràng việc áp dụng kiến thức vào thực tiễn, khuyến khích giáo viên đổi mới phương pháp giảng dạy Điều này không chỉ tạo động lực cho giáo viên mà còn giúp học sinh cải thiện khả năng học tập thông qua trải nghiệm thực hành.
Tại trường THPT Tương Dương 1, số lượng học sinh tham gia các cuộc thi khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực lập trình, còn rất hạn chế.
3 Khảo sát đánh giá thực trạng về mức độ yêu thích học lập trình và mối quan tâm của học sinh về các ứng dụng của lập trình trong thực tiễn
Kết quả khảo sát tại trường THPT Tương Dương 1 cho thấy học sinh chưa có nhiều yêu thích đối với việc học lập trình cũng như sự quan tâm về các ứng dụng thực tiễn của lập trình.
Nền tảng Ardunio
Arduino là nền tảng mã nguồn mở cho việc tạo mẫu điện tử, giúp xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác một cách dễ dàng và thuận tiện.
Nền tảng mẫu này hoạt động như một máy tính thu nhỏ, cho phép người dùng lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần sử dụng các công cụ chuyên dụng để nạp code.
Phần mềm này tương tác với thế giới bên ngoài thông qua các cảm biến điện tử, đèn và động cơ
Phần cứng Arduino là bảng mạch nguồn mở tích hợp bộ vi xử lý và các chân đầu vào/đầu ra (I/O) để giao tiếp và điều khiển các thiết bị vật lý như LED, servo và nút Bảng mạch này thường được cấp nguồn qua USB hoặc nguồn điện bên ngoài, giúp cung cấp năng lượng cho các phần cứng và cảm biến khác.
Arduino là một phần mềm mã nguồn mở tương tự như C++, cung cấp môi trường phát triển tích hợp (IDE - Integrated Development Environment) cho phép người dùng soạn thảo, biên dịch mã nguồn và nạp chương trình vào board.
3 Khả năng kết nối của Arduino
- Arduino hoạt động độc lập
- Kết nối với một máy tính, cho phép truy cập dữ liệu cảm biến từ thế giới bên ngoài và cung cấp thông tin phản hồi
- Các Arduino có thể liên kết với nhau
- Mạch điều khiển Arduino có thể kết nối với các thiết bị điện tử khác
- Arduino có khả năng kết nối với các chip điều khiển
Lập trình Arduino IDE hỗ trợ kết nối với nhiều nền tảng khác nhau, cho phép người dùng khởi động trên Windows, Macintosh OSX và hệ điều hành Linux, trong khi các hệ thống vi điều khiển khác thường chỉ tương thích với Windows.
4 Ứng dụng của nền tảng Arduino
Một số ứng dụng của Arduino trong đời sống phải kể đến như:
- Điều khiển các thiết bị cảm biến âm thanh, ánh sáng
- Làm đàn bằng ánh sáng
- Làm lò nướng bánh biết tweet thông báo khi bánh đã chín
Arduino là một nền tảng mã nguồn mở mạnh mẽ, có khả năng đọc dữ liệu từ các thiết bị cảm biến và điều khiển động cơ, làm cho nó trở thành bộ xử lý trung tâm lý tưởng cho nhiều loại robot.
- Arduino còn có thể được sử dụng để tương tác với Joystick, màn hình,… khi chơi các game như Tetrix, phá gạch, Mario,…
- Dùng để chế tạo ra máy bay không người lái
- Điều khiển đèn giao thông, làm hiệu ứng đèn Led nhấp nháy trên các biển quảng cáo,…
- Ngoài ra, Arduino còn rất nhiều ứng dụng hữu ích khác tùy thuộc vào sự sáng tạo của người sử dụng
5 Arduino mang lại gì cho nền giáo dục?
Với sự phát triển nhanh chóng của mã nguồn mở Arduino IDE, việc học điện tử và lập trình trở nên dễ dàng hơn cho những người đam mê Hiện nay, Arduino đã được đưa vào giảng dạy tại các trường THCS, THPT, Cao Đẳng và Đại Học, đồng thời trở thành đề tài cho các hoạt động ngoại khóa Điều này không chỉ thúc đẩy sự ham mê học hỏi mà còn giúp học sinh tiếp cận công nghệ một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Nếu bạn có những ý tưởng sáng tạo như làm một chú Robot nhện, xe điều khiển từ xa hay ngôi nhà thông minh nhưng chưa biết bắt đầu từ đâu, Arduino chính là giải pháp lý tưởng Với Arduino IDE, bạn không cần phải là lập trình viên chuyên nghiệp vẫn có thể hiện thực hóa những ý tưởng của mình một cách dễ dàng.
6 Một số IDE thông dụng
Arduino IDE hỗ trợ ngôn ngữ lập trình C/C++, cho phép nhận dạng mọi đoạn mã C/C++ Điều này giúp lập trình viên dễ dàng thiết kế chương trình cho các bo mạch Arduino, với nhiều ví dụ được trình bày trong bài viết này.
- Makeblock IDE và VEXcode IDE: Hỗ trợ ngôn ngữ lập trình Python và ngôn ngữ lập trình trực quan Scratch
EasyCode IDE hỗ trợ ngôn ngữ lập trình trực quan Blocky, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận lập trình Ngôn ngữ lập trình trực quan này hoạt động như một cầu nối giữa người lập trình và các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C/C++.
7 Tổng hợp các lệnh hữu ích để code Arduino
7.1 Những lệnh Arduino IDE cơ bản: Ngay khi bạn mở Arduino IDE, bạn sẽ được chào đón bởi các lệnh setup() và loop() Đây là hai ví dụ duy nhất về sketch mà bạn tìm thấy trong hầu hết tất cả các code Arduino
Setup(): Mỗi khi sketch bắt đầu, lệnh setup sẽ giúp bạn khởi tạo các biến và bắt đầu sử dụng các thư viện
Loop(): Một vòng lặp theo sau setup và thực sự là trái tim của chương trình, khiến nó phản hồi vô hạn với bất kỳ logic nào
Break: Nếu bạn muốn thoát khỏi một lệnh, bạn cần nhấn break
Các lệnh logic như "if" khởi tạo hành động khi điều kiện được thỏa mãn, trong khi "return" trả về giá trị nhất định Bên cạnh đó, lệnh "while" cho phép thực hiện một vòng lặp liên tục dưới một điều kiện nhất định.
14 goto: Đúng như tên gọi của nó, lệnh này cho phép bạn đi đến một dòng nhất định trong code
7.2 Boolean và các toán tử số học
Bên cạnh sketch và các lệnh kiểm soát, bạn phải biết một số Boolean và toán tử số học để chỉ huy các chương trình
Các toán hạng: Bằng (=), phép cộng (+), phép trừ (-), phép nhân (*) và phép chia (/)
Các toán hạng nâng cao: Không bằng (!=), Nhỏ hơn hoặc bằng (=), phần dư (%)
Các biến quan trọng là những yếu tố cần thiết để thực hiện các phép toán logic khác nhau trong một số trường hợp Việc xác định và sử dụng các biến này giúp tối ưu hóa quá trình xử lý và mang lại kết quả chính xác hơn.
HIGH|LOW: Điều này mang lại giá trị cuối cùng cao và thấp cho các hằng số LED_BUILTIN: Đưa ra số lượng chân LED (LED pin)
7.3 Các hàm Arduino tích hợp sẵn digitalRead(): Đọc giá trị từ một pin kỹ thuật số nhất định Ngoài ra còn có digitalWrite() pinMode(PIN_NUMBER, INPUT/OUTPUT): Thiết lập pin tại vị trí PIN_NUMBER thành INPUT hoặc OUTPUT pinMode(PIN_NUMBER, INPUT_PULLUP): Thiết lập pin tại vị trí PIN_NUMBER trở thành đầu vào bằng cách sử dụng điện trở kéo lên (pull-up resistor) tích hợp của bo mạch Arduino analogRead(PIN_NUMBER): Đọc số chân analog PIN_NUMBER và trả về một số nguyên từ 0 đến 1023 analogWrite(PIN_NUMBER, VALUE): Giả lập analog output VALUE bằng cách sử dụng PWM trên PIN_NUMBER (Lưu ý: Chỉ khả dụng trên các chân 3, 5,
Hàm analogReference trong Arduino cho phép người dùng chọn điện áp tham chiếu cho các phép đo analog Có ba tùy chọn chính: DEFAULT, sử dụng điện áp tham chiếu mặc định (5V hoặc 3.3V tùy thuộc vào bo mạch); INTERNAL, sử dụng điện áp tham chiếu bên trong (1.1V cho ATmega168/328p và 2.56V cho ATmega32U4/8); và EXTERNAL, sử dụng điện áp được áp dụng cho chân AREF, với giới hạn từ 0-5V.
7.4 Các hàm toán học min(i, j): Trả về giá trị thấp nhất trong hai giá trị i và j max(i, j): Trả về giá trị cao nhất trong hai giá trị i và j
Một số bài toán thực tiễn lập trình trên mạch Arduino
1 Đèn tín hiệu giao thông
1.1 Mô hình thực tế: Đèn tín hiệu giao thông đóng vai trò quan trọng trong hệ thống giao thông đô thị Hệ thống này thường được lắp đặt tại các ngã 3, ngã 4 hay các cung đường vị trí đường đặc biệt Cột đèn thường sẽ có 3 màu đèn gồm: Đỏ, Vàng, Xanh Mỗi màu chứa đựng một hiệu lệnh riêng Hệ thống đèn giao thông sẽ thay lực lượng cảnh sát giao thông phân luồng chỉ dẫn Người tham gia giao thông chỉ cần quan sát và tuân thủ đúng theo hiệu lệnh chỉ dẫn này
1.2 Mô hình Tin học: Lập trình điều khiển LED tín hiệu giao thông
1.4 Các linh kiện cần thiết và sơ đồ đấu nối:
Tên linh kiện Số lượng Sơ đồ đấu nối
Cài đặt chức năng của các chân Đèn vàng Chờ 30 giây Đèn xanh
1.5 Giải quyết vấn đề bằng lập trình:
{ pinMode(13, OUTPUT); pinMode(12, OUTPUT); pinMode(11, OUTPUT);
{ digitalWrite(11, HIGH); delay(30000); //Chờ 30 giây digitalWrite(11, LOW); digitalWrite(12, HIGH); delay(3000); //Chờ 3 giây digitalWrite(12, LOW); digitalWrite(13, HIGH); delay(30000); //Chờ 30 giây digitalWrite(13, LOW);
2.1 Mô hình thực tế: Còi điện thường được sử dụng trong hệ thống báo động, chuông cửa, chuông ở trường học, các còi xe máy, ô tô,
2.2 Mô hình Tin học: Lập trình điều khiển còi kêu bằng nút nhấn
2.4 Các linh kiện cần thiết và sơ đồ đấu nối:
Tên linh kiện Số lượng Sơ đồ đấu nối
2.5 Giải quyết bằng lập trình:
Code int button = 11; int coi = 13;
Cài đặt chức năng của các chân
19 void setup() { pinMode(coi,OUTPUT); pinMode(button,OUTPUT);
} void loop() { int buttonStatus = digitalRead(button); if (buttonStatus == HIGH) { digitalWrite(coi, HIGH);
3.1 Mô hình thực tế: Đèn nháy được sử dụng rất nhiều để trang trí vào dịp giáng sinh, lễ tết, Đèn nháy có rất nhiều hiệu ứng: đèn sáng đuổi nhau, nháy liên hồi, đổi màu,…
3.2 Mô hình tin học: Lập trình điều khiển đèn led sáng dần tắt dần
3.4 Các linh kiện cần thiết và sơ đồ đấu nối:
Tên linh kiện Số lượng Sơ đồ đấu nối
Cài đặt chức năng của các chân
Tắt lần lượt 8 Led Sáng lần lượt 8 Led
3.5 Giải quyết bằng lập trình:
(Sử dụng trong trường hợp kết nối liền mạch)
Dùng mảng 1 chiều (Sử dụng trong trường hợp kết nối không liền mạch) int BASE = 2; //led nối tới chân số 2 int NUM = 8; //số led void setup()
{ for (int i = BASE; i < BASE + NUM; i ++)
//tắt dần 8 led for (int i = BASE; i < BASE + NUM; i ++)
{ digitalWrite(i, LOW); delay(200); const char led[8]={1,3,4,5,6,7,9,10}; void setup()
{ for (int i=0; i
