Kế hoạch bài dạy Chuyên đề 1 tham khảo - Mođun 4

 

CHUYÊN ĐỀ: TÍN HIỆU DIGITAL – ANALOG VÀ ĐỌC GIÁ TRỊ CÁC LOẠI CẢM BIẾN

TÊN CHỦ ĐỀ/BÀI DẠY: CẢM BIẾN SIÊU ÂM

Chuyên đề định hướng CS - Môn Tin học lớp 10

Thời gian thực hiện: 2 tiết

KIẾN THỨC TRỌNG TÂM

Sóng siêu âm và cảm biến siêu âm:

- Sóng siêu âm

- Cảm biến siêu âm

- Lập trình đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm

 

I.  MỤC TIÊU

Phẩm chất, năng lực	Yêu cầu cần đạt	(STT của YCCĐ)
Năng lực Tin học
NL Giải quyết vấn đề với sự trợ giúp của máy tính	Cài đặt được driver hỗ trợ kết nối giữ cảm biến siêu âm và mạch Arduino. (tiết 1)	(1)
	Lập trình đọc được giá trị cảm biến siêu âm và quy đổi thành giá trị khoản cách. (tiết 1)	(2)
	Ứng dụng cảm biến siêu âm để đo khoảng cách từ cảm biến đế vật cản để bật đèn Led. (tiết 2)	(3)
Năng lực chung
Tự chủ và tự học	Tự lực trong tìm hiểu kiến thức về cảm biến, các hướng dẫn datasheet trong tài liệu hỗ trợ để đấu dây cảm biến, lập trình, sửa lỗi.	(4)
Giao tiếp và hợp tác	Biết lựa chọn hình thức làm việc nhóm với quy mô phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụ.	(5)
Giải quyết vấn đề và sáng tạo	Phân tích được vấn đề đặt ra, lên kế hoạch giải quyết và tiến hành giải quyết vấn đề.	(6)
Phẩm chất
Chăm chỉ	Tích cực tìm tòi và sáng tạo trong học tập.	(7)

(Nội dung minh hoạ cho tiết dạy số 1 của chủ đề)

II. THIẾT BỊ DẠY HỌC VÀ HỌC LIỆU

1.      Thiết bị dạy học

v Giáo viên

Máy chiếu, laptop, điện thoại thông minh đã cài đặt sẵn các ứng dụng Chrome, Google và Google Translate, kế hoạch dạy học (nội dung dạy học, phiếu học tập, thùng rác thông minh để minh hoạ, mạch Arduino, cảm biến siêu âm, đèn led và dây tín hiệu).

v Học sinh

Máy tính, mạch Arduino, cảm biến siêu âm, đèn led, dây tín hiệu, breadboard.

v Lớp học

Sĩ số từ 40 đến 45 HS; bàn ghế thuận tiện cho việc làm việc theo nhóm; phòng học trang bị wifi, máy tính.

2.      Học liệu

Tài liệu hỗ trợ học sinh: Datasheet của cảm biến siêu âm HC-SR04, nguyên tắt kết nối và lấy giá trị từ cảm biến siêu âm.

Bài trình chiếu đa phương tiện

Phiếu học tập, nội dung học tập

ü Lưu ý: Cụm chuyên đề CS của lớp 10 được thể hiện rõ trong kế hoạch dạy học của tổ chuyên môn. Bài học này nằm trong chuyên đề 10.2 -  Trước đó đã có chuyên đề 10.1 học sinh được học và thực hành kỹ với mạch Arduino và các thao tác điều khiển LED, mô phỏng mạch đèn giao thông.

III. TIẾN TRÌNH DẠY HỌC

A. Tiến trình dạy học

Hoạt động học (thời gian)	Mục tiêu	Nội dung hoạt động	PPDH, KTDH	Phương án đánh giá		Phương án ứng dụng CNTT
				Phương pháp	Công cụ
Tiết 1
Hoạt động 1. Mở đầu Trực tuyến (ở nhà)	(1) và (7)	Nội dung xung quanh đến vấn đề học tập		Quan sát quá trình học trực tuyến.	Thống kê học tập.	- K12online để tạo lớp học ảo; - Điện thoại/máy tính để HS học tập.
Hoạt động 2. Khởi động Trực tiếp (8 phút)	(4), (5), (6) và (7)	Định hướng bài học.	- Dạy học vấn đáp	Vấn đáp	Phiếu học tập	- Video - Thùng rác thông minh
Hoạt động 3. Phân tích nguyên lý hoạt động và cấu trúc hệ thống Trực tiếp (15 phút)	(1), (4) và (5)	Nhận biết được các thành phần tạo nên thùng rác thông minh. Phân tích được quy trình vận hành (input, xử lý, output)	- Dạy học vấn đáp - Dạy học hợp tác.	Quan sát quá trình học. Vấn đáp phần trình bày	Câu trả lời trên Phiếu học tập.	- Máy tính để HS học tập. - Mạng internet để tìm kiếm thông tin
Hoạt động 4. Thực hành cài đặt driver, lắp mạch và lập trình test. Trực tiếp (22 phút)	(2) và (4)	Vận dụng các kiến thức thu thập được trên internet, tài liệu hỗ trợ học tập để thực hiện các yêu cầu thực hành.	Dạy học thực hành.	Quan sát quá trình học. Vấn đáp cá nhân	Sản phẩm lắp mạch, kết quả hiển thị trên màn hình serial	- Máy tính để HS học tập. - Bộ kit arduino và các linh kiện, đặc biệt là cảm biến siêu âm.
Tiết 2
Hoạt động 1. Mở đầu Trực tuyến (ở nhà)	(1) và (7)	Nội dung xung quanh đến vấn đề học tập		Quan sát quá trình học trực tuyến.	Thống kê học tập.	- K12online để tạo lớp học ảo; - Điện thoại/máy tính để HS học tập.
Hoạt động 2. Khởi động Trực tiếp (8 phút)	(4), (5), (6) và (7)	Định hướng bài học.	- Mô tả tình huống thực tế - Dạy học hợp tác.	Quan sát quá trình học.	Bảng phân tích vấn đề	- MS Power Point trình chiếu vấn đề.
Hoạt động 3. Lên phương án giải quyết vấn đề đề. (15 phút)	(1), (4) và (5)	Lên phương án giải quyết vấn đề đèn báo hiệu khoản cách	Dạy học hợp tác. Dạy học thực hành.	Quan sát quá trình học.	Câu trả lời trên Phiếu học tập.	- Máy tính để HS học tập.
Hoạt động 4. Thực hành lắp mạch, lập trình và trình bày kết quả. Trực tiếp (22 phút)	(2) và (4)	Vận dụng kết quả tiết trước về việc đọc giá trị cảm biến siêu âm để giải quyết bài toán đặt ra. Trình bày kết quả.	Dạy học thực hành. Dạy học vấn đáp	Quan sát quá trình học. Đánh giá kết quả sản phẩm	Câu trả lời trên Phiếu học tập. Sản phẩm của nhóm	- Máy tính để HS học tập. - Bộ kit Arduino để thực hiện sản phẩm.

B. Các hoạt động học (tiết 1)

Hoạt động 1. Mở đầu (Hình thức học tập trực tuyến)

1. Mục tiêu: (1) và (6)

2. Nội dung

HS truy cập kênh học tập của lớp học.

HS xem tài liệu học tập giáo viên yêu cầu.

HS có thể tìm hiểu thêm những nội dung xung quanh đến vấn đề học tập.

3. Sản phẩm học tập

Thống kê danh sách đã tham gia hoạt động.

4. Tổ chức hoạt động

* Giao nhiệm vụ

GV biên soạn tài liệu đọc về nội dung “Sóng siêu âm và cảm biến siêu âm”.

GV đăng tải nội dung lên kênh học tập của lớp học.

GV đính kèm thêm đường tham khảo/mở rộng kiến thức nếu HS muốn tìm hiểu thêm.

* Triển khai nhiệm vụ

HS thực hiện theo yêu cầu của giáo viên.

Yêu cầu HS đọc tài liệu tại tệp tin “Sóng siêu âm và cảm biến siêu sâm.pdf” Thao tác thực hành theo hướng dẫn đã tìm hiểu. Có thể tìm hiểu thêm về cảm biến siêu âm ở trang: arduino.cc/utrasonicsensor

* Tổ chức, điều hành

Chia sẻ thông tin giữa các thành viên qua chức năng “Bình luận” trên kênh học tập K12online dưới tệp tin “Sóng siêu âm và cảm biến siêu âm.pdf”

* Đánh giá, kết luận

Thống kê số lượng học sinh trao đổi và số lượng đã xem tài liệu “Sóng siêu âm và cảm biến siêu âm.pdf”

Hoạt động 2. Khởi động (8 phút)

1. Mục tiêu: (4), (5), (6) và (7)

2. Nội dung

HS xem một số video ngắn về cách dơi tìm thực ăn, thiết bị dò độ sâu của tàu thuyền, về nhà thông minh, và ứng dụng đơn giản “thùng rác thông minh”.

HS làm việc theo nhóm để phân tích, thảo luận các công nghệ liên quan.

3. Sản phẩm học tập

Câu trả lời của học sinh trong phiếu học tập

4. Tổ chức hoạt động

* Giao nhiệm vụ

- GV cho học sinh xem một số video ngắn về cách loại dơi định hướng trong không gian, kiếm thức ăn, thiết bị dò độ sâu đặt trên tàu, một số ứng dụng bên trong nhà thông minh và xem một mô hình thực tế về thùng rác thông minh.

- GV yêu cầu các nhóm học sinh thảo luận cùng nhau đề phân tích các chức năng, kiến thức liên quan và những yếu tố kỹ thuật trong các video.

- Trả lời các câu hỏi dẫn dắt trong phiếu học tập của nhóm.

* Triển khai nhiệm vụ

−     Phiếu học học được phát đến từng nhóm bằng file word, các nhóm sẽ nhập trực tiếp câu trả lời.

o   Sóng siêu âm là gì?

o   Trong tự nhiên sóng siêu âm tồn tại ở đâu và được sử dụng như thế nào.

o   Trong kỹ thuật người ta mô phỏng lại cách thu phát sóng siêu âm như thế nào

o   Tìm hiểu một số loại cảm biến siêu âm trên thị trường

* Tổ chức, điều hành

−     Nhóm trưởng điều phối các hoạt động thảo luận trong nhóm theo các câu hỏi gợi ý trong phiếu học tập.

−     GV đi vòng quanh, ghé thăm từng nhóm, đặt các câu hỏi vấn đáp cho từng thành viên của nhómà ghi nhận kết quả trả lời của học sinh.

* Đánh giá, kết luận

GV tổng kết và đánh giá. Dẫn dắt vào nội dung bài học.

Hoạt động 3. Tiến hành phân tích hệ thống

1. Mục tiêu: (1), (4) và (5)

2. Nội dung

Các nhóm học sinh nhận bộ kit gồm mạch arduino và các linh kiện đính kèm, đặc biệt là cảm biến siêu âm HC-R04.

Các nhóm tiến hành

3. Sản phẩm

Câu trả lời

4. Tổ chức hoạt động

* Giao nhiệm vụ

            GV chiếu yêu cầu nhiệm vụ lên bảng để mô tả, học sinh xem và đặt câu hỏi để làm rõ nhiệm vụ của nhóm:

            Nhiệm vụ: “Các nhóm hãy tiến hành phân tích hệ thống, đọc datasheet của cảm biến để tiến hành lắp mạch, kết nối cảm biến với mạch Arduino.”

* Triển khai nhiệm vụ

HS thảo luận nhóm, nhóm trưởng phân công các thành viên tìm hiểu datasheet, trình bày cho nhóm.

Các thành viên khác của nhóm tiến hành vẽ sơ đồ mạch phạt hoạ và lắp mạch thực tế.

Một thành viên được phân công sẽ tiến hành download, cài đặt driver của cảm biến HC-R04 vào máy tính.

Tiến hành test driver.

* Tổ chức, điều hành

GV đi vòng quanh, quan sát các nhóm làm việc, đặt câu hỏi vấn đáp cho các thanh viên của nhóm, ghi nhận kết quả vấn đáp.

* Đánh giá, kết luận

GV đánh giá chung kết quả đọc datasheet, vẽ mạch, lắp mạch của các nhóm.

Hoạt động 4. Thực hành lập trình ứng dụng cảm biến siêu âm để đo khoản cách(22 phút)

1. Mục tiêu: (2) và (4)

2. Nội dung

 - Lập trình đọc giá trị cảm biến

 - Tính toán khoản cách dựa vào cảm biến

- Test khoản cách đo được của chương trình và thực tế

- Trình bày kết quả trước lớp

3. Sản phẩm

- Chương trình đo khoảng cách

- Bộ testcase

- Kết quả test

4. Tổ chức hoạt động

* Giao nhiệm vụ

GV yêu cầu các nhóm học sinh lập trình để đọc giá trị từ cảm biến siêu âm. Tính toán khoảng cách và xuất giá trị ra màn hình serial.

Yêu cầu nhóm cử đại diện để trình bày về quá trình thực hiện và kết quả của nhóm.

* Triển khai nhiệm vụ

Các nhóm học sinh phân tích bài toán, thảo luận về input, output, giải thuật tính toán và lập trình đọc giá trị cảm biến.

Thảo luận về cách quy đổi giá trị cảm biến sang khoảng cách đo được, tiến hành lập trình, xuất kết quả khoảng cách lên màn hình serial.

Một số thành viên suy nghĩ testcase để test sự chính xác của chương trình.  

* Tổ chức, điều hành

GV đi vòng quanh để quan sát các nhóm làm việc, đặt câu hỏi vấn đáp các thành viên của nhóm, ghi nhận kết quả vấn đáp.

Hướng dẫn, điều hành quá trình trình bày kết quả, điều phối phần trả lời phản biện.

* Đánh giá, kết luận

GV đánh giá chung kết quả làm việc của cả lớp sau tiết học.

Kết luận một số kiến thức, kỹ năng đạt được qua tiết học của các học sinh, một số kỹ năng cần rèn luyện thêm.

 

V. HỒ SƠ DẠY HỌC

A. Nội dung dạy học cốt lõi

 

Giới thiệu

Cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04 được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách. Cảm biến sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300 cm, với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình.

Nguyên lý hoạt động

Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds ) từ chân Trig. Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở pin này. Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biển và quay trở lại. 

Tốc độ của âm thanh trong không khí là 340 m/s (hằng số vật lý), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (106 / (340*100)). Khi đã tính được thời gian, ta sẽ chia cho 29,412 để nhận được khoảng cách.

Sơ đồ kết nối

Cảm biến HC-SR04 có 4 chân là: Vcc, Trig, Echo, GND.

Vcc	5V
Trig	Một chân Digital output
Echo	Một chân Digital input
GND	GND

Sơ đồ nối chân giữa HC-SR04 và Arduino

Lập trình

1. const int trig = 8; // chân trig của HC-SR04
2. const int echo = 7; // chân echo của HC-SR04
3.  
4. void setup()
5. {
6. Serial.begin(9600); // giao tiếp Serial với baudrate 9600
7. pinMode(trig,OUTPUT); // chân trig sẽ phát tín hiệu
8. pinMode(echo,INPUT); // chân echo sẽ nhận tín hiệu
9. }
10.  
11. void loop()
12. {
13. unsigned long duration; // biến đo thời gian
14. int distance; // biến lưu khoảng cách
15.  
16. /* Phát xung từ chân trig */
17. digitalWrite(trig,0); // tắt chân trig
18. delayMicroseconds(2);
19. digitalWrite(trig,1); // phát xung từ chân trig
20. delayMicroseconds(5); // xung có độ dài 5 microSeconds
21. digitalWrite(trig,0); // tắt chân trig
22.  
23. /* Tính toán thời gian */
24. // Đo độ rộng xung HIGH ở chân echo.
25. duration = pulseIn(echo,HIGH);
26. // Tính khoảng cách đến vật.
27. distance = int(duration/2/29.412);
28.  
29. /* In kết quả ra Serial Monitor */
30. Serial.print(distance);
31. Serial.println("cm");
32. delay(200);
33. }

Giải thích

- duration = pulseIn(echo,1);

Hàm pulseIn() được dùng để đo độ rộng của xung. Duration sẽ bằng độ dài xung HIGH ở chân echo (tính theo micro giây).

- distance = int(duration/2/29.412);

Thời gian sóng truyền từ cảm biến đến vật sẽ bằng duration/2, sau đó ta chia tiếp cho 29,412 để tính khoảng cách. 

B. Phiếu học tập

 

CẢM BIẾN SIÊU ÂM

Phiếu thu hoạch (Student Worksheet)

 

u Engineering Teamwork and Planning (Kỹ thuật làm việc nhóm và lên kế hoạch)

Nhiệm vụ 1:Bạn là thành viên của một nhóm kỹ sư được giao nhiệm vụ sử dụng mạch Arduino để thiết kế hệ thống cảnh báo va chạm đá ngầm cho tàu hải quân. Tuỳ vào mức độ gần của đá ngầm với tàu mà tín hiệu đèn phát các màu khác nhau: Xanh là có đá ngầm nhưng xa, vàng là đã khá gần và đỏ là rất gần và nguy hiểm. Đi theo sự dẫn dắt của hệ thống nhiệm vụ dưới đây sẽ giúp nhóm bạn làm được điều đó. Hãy cho biết tên thành viên và cách các bạn phân chia công việc trong nhóm như thế nào?

Stt	Tên thành viên	Nhiệm vụ	Ghi chú

u Research Phase (giai đoạn nghiên cứu)

Read the materials provided to you by your teacher. If you have access to the internet ahead of the activity, explore the Arduino website and read about ultrasonic sensor. Answer some short question below

(Đọc tài liệu được giáo viên cung cấp, hoặc vào Arduino.cc để khám phá về cảm biến siêu âm và các đặt tính của nó. Trả lời một số câu hỏi ngắn sau:)

-      Sóng siêu âm là gì?

-      Sóng siêu âm trong tự nhiên tồn tại ở loài động vật nào, chúng dùng sóng siêu âm làm gì?

-      Trong kỹ thuật, người ta dùng cảm biến để để phát và thu sóng siêu âm, bạn có thể phát hoạ sơ nguyên lý hoạt động của cảm biến được không? (có thể bằng văn bản hoặc hình ảnh minh hoạ)

-      Bạn hãy tìm trên internet và liệt kê một số cảm biến siêu âm hiện đang được sử dụng trên thị trường

u Building the Circuit (Xây dựng mạch điện)

Để xây dựng mạch điện, hãy quan sát sơ đồ nối chân giữa cảm biến và arduino trong datasheet của cảm biên HC-R04 và vẽ sơ đồ mạch điện mô phỏng vào đây:

u Schematic (bản thiết kế)

Vẽ lại mô phỏng bản thiết kế

u Code (mã lệnh)

     Chỉ viết dạng mã giả của mã lệnh, phần code thật hãy viết vào Arduino IDE

u Reflection : Hoàn thành các câu hỏi dưới đây

1.   Bạn có gặp trở ngại gì khi lập trình để Arduino nhận được giá trị khoảng cách của cảm biến so với vật cản? Bạn đã giải quyết các trỡ ngại đó như thế nào?

2.   Trong đoạn mã lập trình có lệnh: distance = int(duration/2/29.412);

Bạn hãy giải thích ý nghĩa của câu lệnh trên

3. Sau khi hoàn thành nhiệm vụ 1. Các nhóm kĩ sư hãy tiếp tục hoàn thành nhiệm vụ 2 để chuẩn bị chịnh phục thử thách cuối cùng là mô phỏng lại cách thức hoạt động của những ứng dụng có sử dụng cảm biến siêu âm trên mô hình mạch điện nhỏ của các nhóm nhé!

Nhiệm vụ 2: các nhóm kĩ sư hãy lắp mạch điện có thêm 3 đèn led khác màu và lập trình Arduino để xử lý tinh huống sau:

-      Nếu vật cản phía trước cách cảm biến  siêu âm khoảng cách <30cm thì đèn led xanh lá sáng

-      Khoảng cách <20cm thì led vàng sáng

-      Khoảng cách <10cm thì led đỏ sáng

-      Ngược lại thì đèn led tắt.

Các nhóm hãy viết đoạn code dự đoán vào bên dưới sau đó tiến hành lập trình và kiểm chứng lại xem đoạn code đó có đúng ko? Và các nhóm kiểm chứng điều đó như thế nào?

4. Sau khi hoàn thành nhiệm vụ cuối cùng, nhóm có cảm thấy thích thú vơi sản phẩm mình làm ra không? Và các nhóm có thích cách học lập trình theo cách mới như thế này không? Vì sao?

5. Nhóm có đánh giá như thế nào về các nhóm trình bày sản sản phẩm và phần lập trình trước lớp?

• Tài liệu chung THPT Mođun 4 môn Tin học: Link 
• Kế hoạch giáo dục nhà trường Mođun 4 tham khảo: Link
• Kế hoạch dạy học của Tổ chuyên môn Mođun 4 tham khảo: Link
• Kế hoạch dạy học môn Tin học - Khối 10 Mođun 4 tham khảo: Link
• Kế hoạch tổ chức các hoạt động giáo dục của tổ chuyên môn  Mođun 4 tham khảo: Link
• Kế hoạch dạy học và giáo dục của giáo viên Mođun 4 tham khảo: Link
• Kế hoạch bài dạy Chuyên đề 1- Mođun 4 tham khảo: Link
• Kế hoạch bài dạy Chuyên đề 2 - Mođun 4 tham khảo: Link
• 10 câu trắc nghiệm cuối khóa Mô đun 4: Link
• Đáp án tự luận Mô đun 4 đại trà: Link
• Đáp án trắc nghiệm Mô đun 4 Tiểu học: Link