Dự án STEM: Trạm quan trắc chất lượng không khí thông minh IoT (KHTN 8 - Tin học 8)

1. Giới thiệu tổng quan và Bối cảnh thực tiễn

Ô nhiễm không khí, đặc biệt là nồng độ bụi mịn PM2.5 và sự thay đổi bất thường của nhiệt độ, độ ẩm đang là vấn đề được toàn xã hội quan tâm. Trong môi trường học đường, việc tạo dựng một không gian học tập trong lành có ý nghĩa quyết định đến sức khỏe và hiệu suất học tập của học sinh.

Dự án STEM "Trạm quan trắc chất lượng không khí thông minh ứng dụng IoT" được thiết kế liên môn giữa Khoa học tự nhiên 8 (chủ đề Không khí và bảo vệ môi trường không khí), Tin học 8 (chủ đề Lập trình điều khiển và Mạng máy tính) và Công nghệ 8 (chủ đề Mạch điện và cảm biến).

Dự án trang bị cho học sinh khả năng vận dụng trực tiếp các thiết bị trong danh mục khung theo Thông tư 86/2026/TT-BGDĐT (mã thcs-18: Bộ học tập IoT theo chủ đề STEM và mã thpt-24: Hệ thống IoT và mạng cảm biến), biến các khái niệm lý thuyết trừu tượng thành một thiết bị đo đạc thực tế phục vụ chính ngôi trường của mình.

2. Mục tiêu giáo dục và Năng lực cốt lõi (GDPT 2018)

• Năng lực Khoa học tự nhiên:
• Trình bày được thành phần của không khí và các nguyên nhân dẫn đến suy giảm chất lượng không khí.
• Hiểu nguyên lý chuyển đổi tín hiệu vật lý (nồng độ bụi quang học, nhiệt độ điện trở) thành tín hiệu điện của cảm biến.
• Năng lực Tin học & Công nghệ:
• Đọc và giải thích được sơ đồ nối dây giữa bo mạch vi điều khiển (micro:bit / UNIHIKER) với các module cảm biến bụi, nhiệt độ, độ ẩm và màn hình hiển thị OLED.
• Lập trình thu thập dữ liệu định kỳ, xử lý lọc nhiễu số liệu và truyền dữ liệu qua giao thức Wi-Fi (MQTT/HTTP) lên nền tảng đám mây mở.
• Thiết lập các ngưỡng cảnh báo tự động: khi nồng độ bụi vượt mức an toàn, trạm tự động phát tín hiệu chuông cảnh báo và đổi màu đèn LED chỉ thị.
• Phẩm chất và Kỹ năng thế kỷ 21:
• Nâng cao ý thức bảo vệ môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
• Kỹ năng làm việc nhóm, tư duy giải quyết vấn đề kỹ thuật và phân tích dữ liệu thực nghiệm.

3. Thiết bị và Dụng cụ thực hành

• Phần cứng cốt lõi:
• Bộ IoT khoa học micro:bit Smart Science IoT Kit (bao gồm bo mở rộng IOT:bit tích hợp Wi-Fi ESP8266, RTC và cổng kết nối GVS).
• Máy tính đơn bo màn hình cảm ứng UNIHIKER (hỗ trợ hiển thị dashboard cục bộ và đóng vai trò cổng trung chuyển dữ liệu SIoT).
• Cảm biến đo nồng độ bụi không khí, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm môi trường, còi báo động buzzer, đèn LED đổi màu RGB.
• Vật liệu chế tạo khung vỏ:
• Tấm bìa mô hình, mica hoặc các chi tiết in 3D chống nước, que kem gỗ, keo nến, dây nối breadboard.
• Phần mềm & Nền tảng:
• Môi trường lập trình trực quan MakeCode (extension "IOT") hoặc Thonny Python.
• Nền tảng hiển thị dữ liệu đám mây Thingspeak hoặc SIoT MQTT Server.

4. Tiến trình tổ chức dạy học (5 bước theo Công văn 3089/BGDĐT-GDTrH)

Hoạt động 1: Xác định vấn đề và Yêu cầu kỹ thuật (15 phút)

Giáo viên chiếu video về thực trạng chỉ số AQI tại địa phương và đặt câu hỏi gợi mở: Làm thế nào để nhà trường có thể tự theo dõi chất lượng không khí trong khuôn viên lớp học hàng ngày? Học sinh tiếp nhận nhiệm vụ: Thiết kế và chế tạo một trạm quan trắc không khí mini đáp ứng các tiêu chí:

1. Đo được nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ bụi theo thời gian thực.
2. Hiển thị thông số rõ ràng trên màn hình tại chỗ.
3. Có âm thanh/đèn cảnh báo khi chỉ số vượt mức an toàn.
4. Gửi dữ liệu qua Wi-Fi để theo dõi từ xa trên điện thoại/máy tính.

Hoạt động 2: Nghiên cứu kiến thức nền và Đề xuất giải pháp (20 phút)

• Nhóm học sinh tìm hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến bụi quang học và giao thức truyền thông I2C/Serial.
• Thảo luận lựa chọn sơ đồ nối chân kết nối cảm biến với bo mạch IOT:bit.
• Phác thảo bản vẽ phối cảnh khung vỏ che chắn chống nước mưa nhẹ cho trạm đo ngoài trời.

Hoạt động 3: Trình bày và Thống nhất phương án thiết kế (15 phút)

Các nhóm cử đại diện báo cáo sơ đồ kết nối phần cứng và thuật toán lập trình xử lý tín hiệu. Giáo viên và các nhóm bạn góp ý phản biện, tối ưu hóa thuật toán (tránh gửi dữ liệu quá nhanh gây nghẽn mạng).

Hoạt động 4: Chế tạo mô hình, Lập trình và Thử nghiệm (30 phút)

• Lắp ráp cơ khí: Cố định bo mạch và các cảm biến vào khung hộp mô hình.
• Đấu nối mạch điện an toàn theo sơ đồ đã duyệt.
• Lập trình khối lệnh:
• Khối đọc tín hiệu cảm biến mỗi 5 giây.
• Khối kiểm tra điều kiện ngưỡng cảnh báo (Nếu Bụi > Ngưỡng thì Bật còi).
• Khối đóng gói dữ liệu và gửi lên đám mây qua Wi-Fi.
• Thử nghiệm tạo khói nhẹ hoặc bụi để kiểm tra độ nhạy của cảm biến.

Hoạt động 5: Báo cáo kết quả và Đánh giá dự án (10 phút)

Các nhóm mang mô hình ra đặt tại các vị trí khác nhau trong trường (sân trường, hành lang lớp học, phòng thực hành), kết nối Wi-Fi trường và trình chiếu đồ thị dữ liệu thu thập được. Cả lớp cùng thảo luận nguyên nhân chênh lệch chỉ số và đề xuất giải pháp cải thiện vi khí hậu lớp học.