Luận án Xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học kĩ thuật điện tử cho sinh viên ngành sư phạm công nghệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI ĐẶNG MINH ĐỨC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ CHO SINH VIÊN NGÀNH SƯ PHẠM CÔNG NGHỆ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC HÀ NỘI - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI ĐẶNG MINH ĐỨC XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ CHO SINH VIÊN NGÀNH SƯ PHẠM CÔNG NGHỆ Chuyên ngành : LL và PPDH bộ môn Kỹ thuật công nghiệp Mã số : 9140111 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC GIÁO DỤC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN TRỌNG KHANH HÀ NỘI - 2023 LỜI CAM ĐOAN Tác giả cam đoan công trình nghiên cứu này do chính tác giả thực hiện. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực, khách quan và chưa được công bố bởi ai hay ở bất ở bất kỳ nghiên cứu nào khác. Các thông tin trích dẫn sử dụng trong luận án đều được chỉ rõ nguồn gốc. Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tác giả Đặng Minh Đức LỜI CẢM ƠN Tác giả xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc tới: Ban Giám hiệu, Phòng sau Đại học, Trung tâm Thông tin - Thư viện, quí Cô/Thầy ở Khoa Sư phạm Kĩ thuật - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội cùng các nhà khoa học đã quan tâm, tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập, nghiên cứu, thực nghiệm sư phạm và hoàn thành luận án của mình. Đặc biệt, tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Trọng Khanh – Khoa Sư phạm Kĩ thuật, trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn quí Cô/Thầy đang giảng dạy tại Bộ môn Công nghệ Điện – Điện tử khoa Sư phạm Kĩ thuật và các chuyên gia giáo dục kĩ thuật ở trường đại học, cao đẳng đã đóng góp những ý kiến quý báu giúp tác giả hoàn thiện luận án của mình. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, các em sinh viên đã động viên, khích lệ và hỗ trợ hoàn thành luận án này! Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tác giả Đặng Minh Đức MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .......................................................................................... 1 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ................................................................................... 4 3. KHÁCH THỂ, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................... 4 4. GIẢ THUYẾT KHOA HỌC ................................................................................... 4 5. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ................................................................................... 4 6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................................... 5 7. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ....................................................................... 5 8. CẤU TRÚC LUẬN ÁN .......................................................................................... 6 Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN VỀ XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC ....................... 7 1.1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC ......................................... 7 1.1.1. Tình hình nghiên cứu về bài toán kĩ thuật ................................................ 7 1.1.2. Tình hình nghiên cứu về bài toán thiết kế kĩ thuật ................................. 12 1.2. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN ...................................................................... 14 1.2.1. Thiết kế kĩ thuật ...................................................................................... 14 1.2.2. Năng lực thiết kế kĩ thuật và qui trình thiết kế kĩ thuật .......................... 17 1.2.3. Bài toán thiết kế kĩ thuật ......................................................................... 21 1.2.4. Một số khái niệm liên quan .................................................................... 23 1.3. LÍ LUẬN VỀ XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC ................................................................................... 27 1.3.1. Lí luận về bài toán thiết kế kĩ thuật ........................................................ 27 1.3.2. Xây dựng bài toán thiết kế kĩ thuật ........................................................ 35 1.3.3. Sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học .................................... 41 1.3.4. Vai trò của bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học ............................... 44 1.4. THỰC TRẠNG TÌNH HÌNH DẠY HỌC KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ TRONG CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO GIÁO VIÊN CÔNG NGHỆ DƯỚI GÓC ĐỘ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT ............................................................ 49 1.4.1. Kĩ thuật điện tử trong Chương trình đào tạo giáo viên ngành Sư phạm Công nghệ ......................................................................................................... 49 1.4.2. Khảo sát thực trạng dạy học Kĩ thuật điện tử trong Chương trình đào đạo giáo viên Công nghệ dưới góc độ sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật ........ 52 Kết luận chương 1 ................................................................................................... 58 Chương 2: XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ ......................................................... 60 2.1. CƠ SỞ XÂY DỰNG VÀ SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ ............................................................. 60 2.1.1. Khái lược về các học phần Kĩ thuật Điện tử trong chương trình đào tạo giáo viên Công nghệ. ........................................................................................ 60 2.1.2. Khả năng xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học kĩ thuật điện tử .................................................................................................. 62 2.1.3. Năng lực xây dựng và sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học Kĩ thuật Điện tử ................................................................................................ 63 2.1.4. Đề xuất một số nội dung dạy học Kĩ thuật điện tử có thể triển khai bài toán thiết kế kĩ thuật ......................................................................................... 65 2.2. XÂY DỰNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT DÙNG TRONG DẠY HỌC KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ ............................................................................................... 66 2.1.1. Xây dựng bài toán thiết kế mới .............................................................. 66 2.2.2. Xây dựng bài toán thiết kế đáp ứng ....................................................... 67 2.2.3. Xây dựng bài toán thiết kế cải tiến ......................................................... 81 2.2.4. Xây dựng bài toán thiết kế lựa chọn ....................................................... 88 2.3. SỬ DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ KĨ THUẬT TRONG DẠY HỌC KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ .................................................................................................... 94 2.3.1. Sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật trong dạy học .................................... 94 2.3.2. Sử dụng bài thiết kế kĩ thuật trong kiểm tra đánh giá .......................... 110 Kết luận chương 2 ................................................................................................. 112 Chương 3: KIỂM NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ .......................................................... 114 3.1. MỤC ĐÍCH, NHIỆM VỤ, PHƯƠNG PHÁP VÀ ĐỐI TƯỢNG KIỂM NGHIỆM ... 114 3.1.1. Mục đích kiểm nghiệm ......................................................................... 114 3.1.2. Nhiệm vụ kiểm nghiệm ........................................................................ 114 3.1.3. Đối tượng kiểm nghiệm ........................................................................ 115 3.1.4. Phương pháp kiểm nghiệm ................................................................... 115 3.2. KIỂM NGHIỆM ĐÁNH GIÁ QUA THỰC NGHIỆM SƯ PHẠM ................ 117 3.2.1. Lựa chọn nội dung dạy học và cách thức lấy mẫu kiểm nghiệm ......... 117 3.2.2. Qui trình thực hiện................................................................................ 119 3.2.3. Kết quả kiểm nghiệm đánh giá ............................................................. 122 3.3. KIỆM NGHIỆM ĐÁNH GIÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHUYÊN GIA ...... 132 3.3.1. Nội dung và tiến trình thực hiện ........................................................... 132 3.3.2. Kết quả kiểm nghiệm đánh giá ............................................................. 134 Kết luận Chương 3 ................................................................................................ 138 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ....................................................................... 140 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .............................................................................. 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 144 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN ÁN Viết tắt Viết đầy đủ BTKT Bài toán kĩ thuật ĐC Đối chứng GV Giảng viên, Giáo viên KTĐT Kĩ thuật điện tử NLKT Năng lực kĩ thuật SPCN Sư phạm Công nghệ SV Sinh viên TDKT Tư duy kĩ thuật TDST Tư duy sáng tạo TKKT Thiết kế kĩ thuật TN Thực nghiệm DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. So sánh một số quan điểm về quá trình TKKT .......................... 20 Bảng 1.2. Mô tả biểu hiện sự phát triển của TDKT .................................... 47 Bảng 1.3. Các môn học Kĩ thuật điện tử trong chương trình đào tạo SPCN ... 50 Bảng 1.4. Kết quả khảo sát về sử dụng bài toán TKKT trong dạy học ...... 53 Bảng 2.1. Đề xuất nội dung dạy học có thể xây dựng và sử dụng bài toán TKKT .................................................................................. 65 Bảng 2.2. Danh mục linh kiện thiết bị mạch điện cảm biến nhịp thở ......... 76 Bảng 2.3. Danh mục các thành phần thiết kế bộ đếm ................................. 90 Bảng 2.4. Danh mục thiết bị và thông số kĩ thuật ....................................... 94 Bảng 3.1. Đối tượng, số lượng SV của lớp TN và lớp ĐC ...................... 115 Bảng 3.2. Nội dung kiểm nghiệm sư phạm ............................................... 118 Bảng 3.3. Số người học đạt điểm xi .......................................................... 126 Bảng 3.4. Số % người học đạt điểm xi ...................................................... 126 Bảng 3.5. Số % người học đạt điểm xi trở lên .......................................... 127 Bảng 3.6. Bảng mô tả các thông số và giá trị trong kiểm định T-Test qua TNSP vòng 1 ...................................................................... 128 Bảng 3.7. Số người học đạt điểm xi .......................................................... 129 Bảng 3.8. Số % người học đạt điểm xi ...................................................... 129 Bảng 3.9. Số % người học đạt điểm xi trở lên ........................................... 129 Bảng 3.10. Bảng mô tả các thông số và giá trị trong kiểm định T-Test qua TNSP vòng 2 ...................................................................... 131 Bảng 3.11. Tổng hợp kết quả phiếu điều tra ............................................... 134 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Qui trình thiết kế sản phẩm kĩ thuật ..................................... 18 Hình 1.2. Qui trình thiết kế sản phẩm ................................................... 19 Hình 1.3. Quá trình thiết kế và phát triển sản phẩm (Trần Anh Tuấn [51]) ................................................................................................................. 19 Hình 1.4. Qui trình thiết kế kĩ thuật trong dạy học ............................... 21 Hình 1.5. Mạch điện chiếu sáng tự động .............................................. 28 Hình 1.6. Cấu trúc bài toán TKKT ....................................................... 31 Hình 1.7. Qui trình xây dựng bài toán thiết kế kĩ thuật ........................ 37 Hình 1.8. Qui trình sử dụng bài toán thiết kế kĩ thuật .......................... 44 Hình 2.1. Chuyển mạch dùng transistor ............................................... 69 Hình 2.2. Khuếch đại thuật toán làm việc ở chế độ khóa ..................... 69 Hình 2.3. Mạch đèn điện cảm ứng ánh sáng ......................................... 71 Hình 2.4. giải pháp thiết kế mạch điện ứng dụng bộ khóa điện tử ....... 73 Hình 2.5. Một số ứng dụng của khuếch đại thuật toán ......................... 74 Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch điện cảm biến áp suất ....................... 76 Hình 2.7. Sơ đồ khối mạch điện cảm biến nhịp thở ............................. 77 Hình 2.8. Mạch điện trang trí ứng dụng mạch đa hài. .......................... 78 Hình 2.9. Bộ đếm nhị phân đồng bộ Kđ = 16 ....................................... 79 Hình 2.10. Mạch điện đếm sản phẩm Kđ = 10 ..................................... 80 Hình 2.11. Bài toán thiết kế bộ đếm sản phẩm băng chuyền ............... 81 Hình 2.12. Một số mạch điện chỉnh lưu ............................................... 83 Hình 2.13. Một số mạch ổn áp, ổn dòng ............................................... 83 Hình 2.14. Phương án tăng dòng tải cho mạch ổn áp ........................... 84 Hình 2.15. Thông số kĩ thuật ghi trên sạc điện thoại ............................ 85 Hình 2.16. Bộ DMUX 1-4 .................................................................... 86 Hình 2.17. Mạch phân loại sản phẩm dùng DMUX ............................. 87 Hình 2.18. Mô tả bài toán thiết kế số 4 ................................................. 88 Hình 2.19. Thiết kế bộ đếm dạng bài toán thiết kế lựa chọn ................ 90 Hình 2.20. Sơ đồ khối bộ điều khiển vòng kín ..................................... 91 Hình 2.21. Sơ đồ mạch điện máy rửa tay không tiếp xúc .................... 93 Hình 2.22. Khảo sát cảm biến nhiệt độ TMP36 ................................. 100 Hình 2.23. Thiết bị báo cháy đơn giản sử dụng nguyên lý giãn nở vì nhiệt ............................................................................................................... 102 Hình 2.24. Sơ đồ lắp đặt mạch điện báo cháy .................................... 104 Hình 3.1. Biểu đồ phân bố điểm kiểm tra ........................................... 124 Hình 3.2. biểu đồ so sánh biểu hiện phát triển TDKT qua dự án cuối khóa ............................................................................................................... 125 Hình 3.3. Đồ thị tần suất vòng 1 ......................................................... 127 Hình 3.4. Đồ thị tần suất hội tụ tiến vòng 1 ....................................... 127 Hình 3.5. Đồ thị tần suất vòng 2 ......................................................... 130 Hình 3.6. Đồ thị tần suất hội tụ tiến vòng 2 ....................................... 130 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.1. Yêu cầu của xã hội về phát triển tư duy sáng tạo cho người học và định hướng đổi mới giáo dục và đào tạo của Đảng, Nhà nước Trong bối cảnh của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, xu thế toàn cầu hóa và sự hội nhập quốc tế sâu rộng thì nguồn nhân lực chất lượng cao sẽ là chìa khóa quyết định sự phát triển ở mỗi quốc gia. Với vai trò là mục tiêu, vừa là động lực thúc đẩy phát triển. Mỗi con người cần được phát triển các kiến thức, kĩ năng cần thiết cùng với khả năng thích ứng linh hoạt để đối mặt với các tình huống mới, công việc khác nhau trong môi trường xã hội thay đổi nhanh chóng. Trong bài toán về phát triển nguồn nhân lực thì đổi mới giáo dục và đào tạo có vai trò quan trọng và được coi là khâu đột phá. Việc đổi mới cần có sừ đồng bộ cả về mục tiêu, nội dung, chương trình và phương pháp dạy học. Đổi mới cách dạy, cách học để quá trình dạy học không chỉ là quá trình truyền thụ kiến thức mà cần phát triển ở người học năng lực giải quyết vấn đề và khả năng tư duy sáng tạo (TDST). Khuyến khích và hình thành ở người học các phương pháp và kĩ thuật cần thiết để tự nắm bắt cơ hội, có năng lực đổi mới sáng tạo trong thực tiễn. Tạo ra những giá trị mới, giải pháp hiệu quả cho các thách thức trong công việc và cuộc sống. Chính sách phát triển giáo dục của nhiều quốc gia đã chỉ rõ, nếu không có sự chuẩn bị về mặt con người để sẵn sàng đối phó với những thách thức mới thì sẽ nhanh chóng bị tụt hậu. Nghị quyết số 29-NQ/TW của Đảng [2] về đổi mới căn bản, toàn diện giáo dục và đào tạo nêu rõ quan điểm chỉ đạo “ chuyển mạnh quá trình giáo dục từ trang bị kiến thức sang phát triển toàn diện năng lực và phẩm chất người học ” và mục tiêu tổng quát là “giáo dục con người Việt Nam phát triển toàn diện và phát huy tốt nhất 2 tiềm năng, khả năng sáng tạo của mỗi cá nhân”. Thực hiện nghị quyết của Đảng, Thủ tướng chính phủ đã phê duyệt các chương trình mục tiêu quốc gia về chiến lược phát triển giáo dục giai đoạn 2011 – 2020 [11]. Mục tiêu trọng tâm là “đổi mới căn bản và toàn diện theo hướng chuẩn hoá, hiện đại hoá, xã hội hoá, dân chủ hóa và hội nhập quốc tế; chất lượng giáo dục được nâng cao một cách toàn diện, gồm: giáo dục đạo đức, kĩ năng sống; phát triển thể chất, trí tuệ và năng lực thực hành, ...” Nhìn nhận từ yêu cầu xã hội và chủ chương chính sách đều cho thấy tính cần thiết về đổi mới giáo dục. Dạy học ngoài mục tiêu trang bị kiến thức thì cần chú trọng phát triển trí tuệ và tư duy cho người học. Hình thành, phát triển các phẩm chất và năng lực cần thiết đáp ứng nhu cầu công việc và cuộc sống sau này. 1.2. Dạy học phát triển năng lực thiết kế và tư duy kĩ thuật trong đào tạo giáo viên ngành Sư phạm Công nghệ là một yêu cầu cấp thiết Sư phạm Công nghệ (SPCN) là ngành đào tạo giáo viên dạy môn Công nghệ ở phổ thông hoặc chuyên ngành kĩ thuật ở các cơ sở giáo dục nghề nghiệp. Nghiên cứu chương trình của nhiều trường đại học có đào tạo chuyên ngành này nhận thấy. Mục tiêu năng lực chủ yếu đó là hình thành, phát triển ở người học năng lực công nghệ và tư duy kĩ thuật (TDKT). Trong đó, năng lực thiết kế kĩ thuật (TKKT) là năng lực thành phần, giữ vai trò trọng tâm của giáo dục công nghệ. Chương trình giáo dục phổ thông năm 2018 đã thể hiện rõ sự thay đổi căn bản về mục tiêu, triết lý giáo dục [7], [8], [9]. Quan điểm xuyên suốt trong xây dựng chương trình giáo dục đó là chuyển từ truyền thụ tri thức và học tập thụ động sang phát triển năng lực và phẩm chất người học. Theo chương trình 2018, TKKT là một trong năm năng lực thành phần của năng lực công nghệ cần hình thành và phát triển ở học sinh. 3 Như vậy, việc hình thành và phát triển ở người học năng lực TKKT và TDKT là một yêu cầu có tính cấp thiết trong giáo dục công nghệ. Yêu cầu này đã được cụ thể hóa bằng nhiều hình thức và phương pháp dạy học kĩ thuật, trong đó có sử dụng bài toán TKKT. Tuy nhiên, hiệu quả sử dụng bài toán TKKT chưa thực sự cao, việc phát triển năng lực TKKT và TDKT vẫn còn một số điểm hạn chế. 1.3. Nghiên cứu về bài toán kĩ thuật nói chung, bài toán thiết kế kĩ thuật nói riêng còn một số vấn đề cần làm rõ cả về lí luận và thực tiễn Mục tiêu quan trọng của dạy học kĩ thuật là phát triển năng lực và tư duy kĩ thuật (TDKT) cho người học. Việc phát triển này được thực hiện thông qua nhiều phương pháp, hình thức, cho hiệu quả khác nhau. Nhiều nghiên cứu cho thấy, sử dụng bài toán kĩ thuật (BTKT) trong dạy học là một trong những biện pháp phù hợp, hiệu quả, có tính khả thi. Theo lĩnh vực nghiên cứu [30], BTKT được chia ra nhiều dạng bài toán như: phân tích, chẩn đoán, thiết kế, công nghệ, v.v. Trong đó, bài toán TKKT là