SKKN Giúp học sinh tiếp cận các bài toán thực tiễn khi dạy lập trình C++ thông qua nền tảng Arduino

PHẦN I. ĐẶT VẤN ĐỀ
I. Lý do chọn đề tài
Giáo dục Việt Nam trong những năm gần đây đang tập trung đổi mới, hướng tới một nền giáo dục tiến bộ, hiện đại, bắt kịp xu hướng của các nước trong khu vực và trên thế giới. Một trong những mục tiêu lớn của giáo dục nước ta hiện nay đó là hoạt động giáo dục phải gắn liền với thực tiễn.
Chính vì vậy, GDPT nước ta hiện nay đang thực hiện bước chuyển từ chương trình giáo dục tiếp cận nội dung sang tiếp cận năng lực của người học, nghĩa là từ chỗ quan tâm đến việc học sinh học được cái gì đến chỗ học sinh vận dụng được cái gì qua việc học. Để đảm bảo được điều đó, nhất định phải thực hiện thành công việc chuyển từ phương pháp dạy học theo lối “truyền thụ một chiều” sang dạy cách học, cách vận dụng kiến thức, rèn luyện kỹ năng hình thành năng lực và phẩm chất; đồng thời phải chuyển cách đánh giá kết quả giáo dục từ nặng về kiểm tra trí nhớ sang kiểm tra, đánh giá năng lực vận dụng kiến thức giải quyết vấn đề.
Trong quá trình đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo, công tác nghiên cứu khoa học là hoạt động không thể thiếu trong trường phổ thông. Đây là một hoạt động giúp học sinh áp dụng những kiến thức đã học vào cuộc sống, học đi đôi với hành; đồng thời là cách tiếp cận, làm quen với phương pháp, kỹ năng nghiên cứu khoa học, rèn luyện cách làm việc độc lập, làm việc nhóm và phát huy tính tích cực, chủ động, tạo hứng thú trong học tập. Từ đó, phát hiện các tài năng, là cơ sở để xây dựng và phát triển đội ngũ nhân lực chất lượng cao cho xã hội.
Chương trình Tin học 11 hiện nay còn một số hạn chế: Áp dụng công thức toán học quá nhiều; Học sinh phải có kiến thức tốt về toán học thì mới giải được các bài tập trong sách giáo khoa; Học sinh chưa hiểu được lập trình để làm gì ngoài việc tính toán với các con số; Học sinh sẽ tự hỏi lập trình có ứng dụng như thế nào trong thực tế bởi đa phần các bài tập trong sách đều liên quan đến tính toán hoặc thuần túy về toán học, không gắn liền với thực tiễn… Vì thế để học sinh có thể vận dụng kiến thức của môn học vào giải quyết những vấn đề thực tiễn là rất khó nếu chỉ căn cứ vào lý thuyết thuần túy do giáo viên truyền đạt.
Từ thực tiễn công tác giảng dạy, tôi nhận thấy khi dạy lập trình, môn học mà đòi hỏi phải tư duy sáng tạo nhiều thì cần phải có một phương pháp dạy học phù hợp nhằm đạt hiệu quả cao, giúp học sinh có những trải nghiệm thú vị hơn với môn học. Vì vậy việc áp dụng các phương pháp để tạo sự hứng thú, yêu thích môn học, làm cho học sinh có thể nắm được nội dung bài học ngay tại lớp, nắm bắt kiến thức một cách logic và có hệ thống,… đặc biệt giúp học sinh biết cách tiếp cận ngôn ngữ lập trình để giải quyết các bài toán ứng dụng vào thực tiễn, khơi dậy niềm đam mê nghiên cứu khoa học trong mỗi học sinh. Qua đây tôi muốn chia sẻ một kinh nghiệm nhỏ mà bản thân đã có được trong quá trình dạy học, đó là “Giúp học sinh tiếp cận các bài toán thực tiễn khi dạy lập trình C++ thông qua nền tảng Arduino”.

II. Mục đích nghiên cứu
– Giúp học sinh tiếp cận bài toán thực tiễn thông qua ngôn ngữ lập trình.
– Rèn luyện cho các em khả năng biết vận dụng các kiến thức đã học về lập trình để giải quyết một số bài toán thực tiễn đời sống hàng ngày thường gặp.
– Hình thành dần cho các em một thói quen biết đặt (giải quyết) những vấn đề cuộc sống dưới góc độ tin học với câu hỏi: Nguồn gốc của bài toán (hay tình huống thực tiễn, bài toán thực tiễn) xuất phát từ đâu? Vận dụng kiến thức nào để giải quyết nó?
– Từng bước tạo ra niềm đam mê và xóa bỏ dần tâm lý e ngại của các em học sinh khi học lập trình.
– Khơi dậy niềm đam mê nghiên cứu khoa học; kích thích sự sáng tạo của học sinh; từng bước hướng các em biết nghiên cứu và vận dụng kiến thức của các môn học vào giải quyết những vấn đề của thực tiễn đời sống.
III. Đối tượng nghiên cứu
Học sinh lớp 11 trường THPT Tương Dương 1
IV. Phạm vi nghiên cứu
– Nghiên cứu việc dạy và học ngôn ngữ lập trình C++ trong chương trình phổ thông
– Một số bài toán thực tiễn áp dụng khi dạy lập trình.
V. Phương pháp nghiên cứu
– Nghiên cứu lý luận: Tìm hiểu, nghiên cứu các tài liệu về các vấn đề liên quan đến đề tài sáng kiến kinh nghiệm.
– Điều tra quan sát: Thực trạng về việc dạy học lập trình ở trường THPT và khả năng tiếp cận bài toán thực tiễn của học sinh trung học phổ thông.
– Thực nghiệm sư phạm: Tổ chức thực nghiệm sư phạm để xem xét tính khả thi và hiệu quả của các biện pháp sư phạm đã đề xuất.
VI. Tính mới của đề tài
– Góp phần thực hiện thành công đổi mới CT GDPT 2018 về phát triển năng lực tin học cho học sinh, đặc biệt là năng lực “Giải quyết vấn đề với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin và truyền thông”.
– Giúp học sinh thấy được mối quan hệ tương hỗ giữa tin học với thực tiễn và ngược lại.
– Góp phần đổi mới phương pháp giáo dục phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo của học sinh, bồi dưỡng cho học sinh phương pháp tự học, vận dụng kĩ năng, vận dụng kiến thức,… đem lại niềm vui, hứng thú và trách nhiệm học tập cho học sinh.
– Khơi gợi niềm đam mê nghiên cứu khoa học và giúp học sinh phát hiện khả năng của bản thân.
– Giúp cho HS có những hiểu biết và hình dung ban đầu về trí tuệ nhân tạo.
– Góp phần định hướng giáo dục STEM trong Tin học.
– Sáng kiến có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho giáo viên Tin nhằm góp phần nâng cao hiệu quả dạy học môn Tin ở trường trung học phổ thông.
PHẦN II.  NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
I. Cơ sở lí luận
1. Khái niệm năng lực
Năng lực là thuộc tính cá nhân được hình thành, phát triển nhờ vào các tố chất và quá trình học tập, rèn luyện, cho phép con người huy động tổng hợp các kinh nghiệm, kĩ năng và các thuộc tính cá nhân khác như hứng thú, niềm tin, ý chí,… thực hiện đạt kết quả các hoạt động trong những điều kiện cụ thể.
Chương trình giáo dục phổ thông 2018 đã xác định mục tiêu hình thành và phát triển cho học sinh các năng lực cốt lõi bao gồm các năng lực chung và các năng lực đặc thù. Năng lực chung là những năng lực cơ bản, thiết yếu hoặc cốt lõi, làm nền tảng cho mọi hoạt động của con người trong cuộc sống và lao động nghề nghiệp. Năng lực đặc thù là những năng lực được hình thành và phát triển trên cơ sở các năng lực chung theo định hướng chuyên sâu, riêng biệt trong các loại hình hoạt động, công việc hoặc tình huống, môi trường đặc thù, cần thiết cho những hoạt động chuyên biệt, đáp ứng yêu cầu của một hoạt động như toán học, âm nhạc, mĩ thuật, thể thao…
– Các năng lực chung được hình thành, phát triển thông qua các môn học và hoạt động giáo dục: năng lực tự chủ và tự học, năng lực giao tiếp và hợp tác, năng lực giải quyết vấn đề và sáng tạo;
– Các năng lực đặc thù được hình thành, phát triển chủ yếu thông qua một số môn học và hoạt động giáo dục nhất định: năng lực ngôn ngữ, năng lực tính toán, năng lực khoa học, năng lực công nghệ, năng lực tin học, năng lực thẩm mĩ và năng lực thể chất.
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 thể hiện sự phân hoá sâu hơn về định hướng nghề nghiệp. Do vậy, chương trình có các yêu cầu cần đạt chung về năng lực tin học bắt buộc đối với mọi học sinh và có các yêu cầu bổ sung riêng tương ứng với học sinh chọn định hướng Tin học ứng dụng hoặc Khoa học máy tính. a) Yêu cầu chung
Thành phần năng lực
Biểu hiện
NLa Phối hợp và sử dụng được đúng cách các hệ thống kĩ thuật số thông dụng; mô tả được chức năng các bộ phận chính bên trong máy tính, những thông số cơ bản của các thiết bị số; bước đầu tuỳ chỉnh được chế độ hoạt động cho máy tính; trình bày được khái quát mối quan hệ giữa phần cứng, hệ điều hành và chương trình ứng dụng; biết sử dụng một số chức năng chủ yếu trong hệ điều hành để nâng cao hiệu quả sử dụng máy tính; so sánh được mạng LAN và Internet, biết được khái niệm IoT; giới thiệu được chức năng cơ bản của một số thiết bị và giao thức mạng thông dụng, sử dụng được một số ứng dụng thiết thực trên mạng; nhận biết được vai trò quan trọng của các hệ thống tự động hoá xử lí và truyền thông tin trong xã hội tri thức.
NLb Trình bày và nêu được ví dụ minh họa một số quy định về quyền thông tin và bản quyền, tránh được những vi phạm khi sử dụng thông tin, tài nguyên số; hiểu khái niệm, cơ chế phá hoại, lây lan của phần mềm độc hại và cách phòng chống; biết cách tự bảo vệ thông tin, dữ liệu và tài khoản cá nhân; hiểu được rõ ràng hơn những mặt trái của Internet, nhận diện được những hành vi lừa đảo, thông tin mang  nội dung xấu và biết cách xử lí phù hợp; thể hiện tính nhân văn khi tham gia thế giới ảo; có hiểu biết tổng quan về nhu cầu nhân lực, tính chất công việc của các ngành nghề trong lĩnh vực tin học cũng như các ngành nghề khác có sử dụng ICT; sẵn sàng, tự tin, có tinh thần trách nhiệm và sáng tạo khi tham gia các hoạt động tin học.
NLc 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; biết khái niệm hệ cơ sở dữ liệu, biết kiến trúc hệ cơ sở dữ liệu tập trung và phân tán; sử dụng được máy tìm kiếm để khai thác thông tin một cách hiệu quả, an toàn và hợp pháp; tìm kiếm, lựa chọn được
thông tin phù hợp và tin cậy; sử dụng được các công cụ kĩ thuật số để tổ chức, chia sẻ dữ liệu và thông tin trong quá trình phát hiện và giải quyết vấn đề; có những hiểu biết và hình dung ban đầu về trí tuệ nhân tạo và nêu được một số ứng dụng điển hình của trí tuệ nhân tạo.
NLd Khai thác được các dịch vụ tra cứu và trao đổi thông tin, các nguồn học liệu mở để cập nhật kiến thức, hỗ trợ học tập và tự học; sử dụng được một số phần mềm hỗ trợ học tập, tự tin, sẵn sàng tìm hiểu những phần mềm tương tự, qua đó có ý thức và khả năng tìm kiếm tri thức mới, tìm hiểu về nghề mình quan tâm.
NLe Biết cách hợp tác trong công việc; sử dụng được phần mềm để lập kế hoạch, phân chia và quản lí công việc; lựa chọn và sử dụng được những kênh phù hợp để trao đổi thông tin, thảo luận, hợp tác và mở mang tri thức; giao tiếp, hoà nhập được một cách an toàn trong môi trường số, biết tránh các tác động xấu thông qua một số biện pháp phòng tránh cơ bản.
b) Yêu cầu bổ sung theo định hướng ICT và CS
Thành
phần năng
lực Biểu hiện
Định hướng ICT Định hướng CS
NLa và – Kết nối được PC với các thiết bị số thông dụng – Hiểu biết được nguyên lí hoạt động của hệ
thống
NLc – Biết tổ chức lưu trữ, khai thác được dữ liệu phục vụ bài toán quản lí đơn giản trong thực tế.
– Sử dụng được một số chức năng cơ bản của phần mềm quản lí dự án.
– Biết bảo vệ dữ liệu, cài đặt hay gỡ bỏ được phần mềm trên máy tính và thiết bị di động khi cần thiết. thông tin bao gồm máy tính và các thiết bị số khác.
– Hiểu được các phép toán nhị phân cơ bản và ứng dụng hệ nhị phân trong tin học.

– Trình bày được sơ lược việc thiết kế mạng.
– Sử dụng được các phần mềm thiết kế đồ hoạ, chỉnh sửa ảnh và làm phim hoạt hình để tạo ra sản phẩm số phục vụ học tập và đáp ứng sở thích của cá nhân.
– Sử dụng thành thạo các phần mềm tin học văn phòng, tạo được sản phẩm số có chất lượng thông qua các dự án giải quyết vấn đề thực tế.
–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;
– Biết khái niệm hệ cơ sở dữ liệu, biết kiến trúc hệ cơ sở dữ liệu tập trung và phân tán; sử dụng được máy tìm kiếm để khai thác thông tin một cách hiệu quả, an toàn và hợp pháp;
– Tìm kiếm, lựa chọn được thông tin phù hợp và tin cậy;
– Sử dụng được các công cụ kĩ thuật số để tổ chức, chia sẻ dữ liệu và thông tin trong quá trình phát hiện và giải quyết vấn đề;
– Có những hiểu biết và hình dung ban đầu về trí tuệ nhân tạo và nêu được một số ứng dụng điển hình của trí tuệ nhân tạo.
II. Cơ sở thực tiễn
1. Việc dạy và học lập trình ở các trường THPT hiện nay
Việc dạy học lập trình ở các trường THPT phần lớn đang chú trọng giải quyết các bài toán về toán học. Học sinh chưa hiểu được lập trình để làm gì ngoài việc tính toán với các con số; Học sinh sẽ tự hỏi lập trình có ứng dụng như thế nào trong thực tế bởi đa phần các bài tập trong sách đều liên quan đến tính toán hoặc thuần túy về toán học, không gắn liền với thực tiễn,… Vì thế để học sinh có thể vận dụng kiến thức của môn học vào giải quyết những vấn đề thực tiễn là rất khó nếu chỉ căn cứ vào lý thuyết thuần túy do giáo viên truyền đạt.
Khi dạy học để mô phỏng kiến thức bài học giáo viên chủ yếu dựa vào các phần mềm để test thử các câu lệnh mà chưa có ví dụ trực quan để mô phỏng. Vì thế học sinh rất khó khăn trong việc tiếp thu kiến thức và cảm thấy rất nhàm chán khi học về lập trình.
2. Các cuộc thi khoa học kỹ thuật
Trong những năm gần đây các cuộc thi khoa học kỹ thuật, sáng tạo thanh thiếu niên nhi đồng, kiến tạo tương lai, đề án 1655,… ngày càng được lan tỏa khắp các vùng miền với sự tham gia đông đảo của các em học sinh. Cuộc thi nhằm khuyến khích học sinh trung học nghiên cứu khoa học; sáng tạo kĩ thuật, công nghệ và vận dụng kiến thức của các môn học vào giải quyết những vấn đề thực tiễn; góp phần đổi mới hình thức tổ chức dạy học gắn với phát triển văn hóa đọc; thúc đẩy giáo viên tự bồi dưỡng nâng cao năng lực chuyên môn, nghiệp vụ,…
Cuộc thi là minh chứng điển hình cho việc thực hành, trải nghiệm, ứng dụng kiến thức vào giải quyết một đề tài cụ thể có tính ứng dụng thực tiễn. Điều đó khích lệ, tạo động lực cho giáo viên thay đổi để học sinh cũng thay đổi trong việc học đi đôi với hành.
Tại trường THPT Tương Dương 1 số lượng học sinh biết đến và tham gia vào các cuộc thi về khoa học kĩ thuật là chưa nhiều, đặc biệt là 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.

Trên đây là kết quả sát thực trạng tại trường THPT Tương Dương 1. Nhìn vào kết quả khảo sát ở trên ta thấy rằng mức độ yêu thích học lập trình và mối quan tâm của học sinh về những ứng dụng của lập trình trong thực tiễn là chưa nhiều.
III. Nền tảng Ardunio
1. Arduino là gì?
Arduino là nền tảng tạo mẫu điện tử mã nguồn mở, được sử dụng nhằm xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận tiện, dễ dàng hơn.
Nền tảng mẫu này giống như một máy tính thu nhỏ, giúp người dùng lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần phải đến các công cụ chuyên dụng để phục vụ việc nạp code.
Phần mềm này tương tác với thế giới bên ngoài thông qua các cảm biến điện tử, đèn và động cơ.
2. Cấu tạo của Arduino
Phần cứng Arduino là bảng mạch nguồn mở, cùng bộ vi xử lý và chân đầu vào/ đầu ra (I/ O) để liên lạc, điều khiển các đối tượng vật lý (LED, servo, nút, v.v.). Bảng mạch thường được cấp nguồn qua USB hoặc nguồn điện bên ngoài, cho phép cung cấp năng lượng cho các phần cứng, cảm biến khác.
Là phần mềm nguồn mở tương tự như C++. Môi trường phát triển tích hợp Arduino (IDE – Integrated Development Environment) cho phép bạn soạn thảo, biên dịch code, nạp chương trình cho board.